虛擬仿真技術(shù)在應(yīng)用型機(jī)電專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

實(shí)踐是職業(yè)技術(shù)教育院校應(yīng)用型機(jī)電專業(yè)教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)可以使學(xué)生把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)際工作相結(jié)合，從而提高其自身的工作能力、就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力[1]。但在對(duì)教育市場(chǎng)的深入研究中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的專業(yè)教學(xué)模式存在設(shè)備短缺、實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地受限、實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程危險(xiǎn)性大等問(wèn)題，嚴(yán)重制約應(yīng)用型機(jī)電專業(yè)教學(xué)的有效性和學(xué)生學(xué)習(xí)參與度。

按照教育市場(chǎng)最新頒布的人才培養(yǎng)計(jì)劃，應(yīng)用型機(jī)電專業(yè)的學(xué)生須具備堅(jiān)實(shí)的科學(xué)文化基礎(chǔ)和機(jī)電一體化設(shè)備安裝調(diào)試、故障診斷與維修、運(yùn)行維護(hù)、技術(shù)改造以及有關(guān)的法律、法規(guī)等方面的知識(shí)與技能。即在教學(xué)中，教師須注重內(nèi)容的實(shí)踐性與應(yīng)用性，重視技能培訓(xùn)，以提高學(xué)生的職業(yè)技能和實(shí)踐能力為中心，以系統(tǒng)的培訓(xùn)為中心[2]。在學(xué)習(xí)中，學(xué)生不僅要學(xué)會(huì)對(duì)各類機(jī)電設(shè)備的操作、調(diào)試、維護(hù)等技能，還要學(xué)會(huì)解決實(shí)際問(wèn)題及技術(shù)問(wèn)題。為滿足此方面需求并深化專業(yè)教育等相關(guān)工作，本文在此次研究中，基于虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，以某高校作為研究試點(diǎn)，對(duì)其在應(yīng)用型機(jī)電專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用展開(kāi)研究。

1搭建應(yīng)用型教學(xué)資源庫(kù)

為滿足數(shù)字化資源在教學(xué)中的交互需求，在搭建應(yīng)用型教學(xué)資源庫(kù)過(guò)程中將機(jī)電專業(yè)教學(xué)相關(guān)資源以數(shù)據(jù)格式和結(jié)構(gòu)化的形式存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)資源的規(guī)范化與維護(hù)，深化資源管理[3]

資源庫(kù)包括系統(tǒng)管理員數(shù)據(jù)表、用戶數(shù)據(jù)表、報(bào)告數(shù)據(jù)表、問(wèn)題數(shù)據(jù)表、專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容數(shù)據(jù)表等，本研究對(duì)其數(shù)據(jù)表構(gòu)成進(jìn)行分析。為實(shí)現(xiàn)多模塊教學(xué)資源的集成，使用戶能夠迅速、方便地檢索信息，在保障終端性能安全、操作方便、維護(hù)方便的前提下，按照E-R圖表的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合上述表1中的內(nèi)容，在各個(gè)模塊創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表，在教學(xué)中結(jié)合具體需求，進(jìn)行資源的更新、修訂等[4]

2創(chuàng)建機(jī)電設(shè)備三維可視化模型

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)教學(xué)過(guò)程的可視化，研究過(guò)程中利用3D建模軟件，將機(jī)電設(shè)備作業(yè)環(huán)境、傳感器分布等多個(gè)方面準(zhǔn)確地還原，通過(guò)創(chuàng)建機(jī)電設(shè)備三維可視化模型，對(duì)機(jī)電系統(tǒng)中的各設(shè)備進(jìn)行仿真制造，保證其在視覺(jué)上的逼真度和操作的精確性[5]。在建立模型時(shí)，可采用高層次造型方法，對(duì)教學(xué)設(shè)備的每個(gè)細(xì)節(jié)都進(jìn)行細(xì)致處理，以保證所生成的三維模型結(jié)構(gòu)與實(shí)際場(chǎng)景具有較高的匹配度與真實(shí)度。此種真實(shí)度不僅表現(xiàn)在外形方面，還表現(xiàn)在其實(shí)體屬性和行為仿真方面。以教學(xué)中的常見(jiàn)機(jī)電設(shè)備為例，創(chuàng)建其三維可視化模型，如圖1所示。

圖1機(jī)電設(shè)備三維可視化模型

圖2基于虛擬仿真技術(shù)搭建教學(xué)平臺(tái)架構(gòu)

在教學(xué)中創(chuàng)建機(jī)電設(shè)備三維可視化模型，可以讓學(xué)生感受到真實(shí)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，從而增強(qiáng)教學(xué)效果，避免將教學(xué)工作僅停留在表面[6]

3基于虛擬仿真技術(shù)的可視化教學(xué)實(shí)時(shí)交互設(shè)計(jì)

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，基于虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，本研究進(jìn)行教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建。通過(guò)三層B/S（瀏覽器/web Server/Intermediate Server/Database Server/DatabaseServer）的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算方式，使用API、公共網(wǎng)關(guān)技術(shù)、Java數(shù)據(jù)庫(kù)連接技術(shù)，進(jìn)行機(jī)電設(shè)備三維可視化模型的導(dǎo)人[7]。平臺(tái)架構(gòu)如圖2所示。

數(shù)據(jù)庫(kù)查詢請(qǐng)數(shù)據(jù)庫(kù) 求指令 中間件 API請(qǐng)求 HTTP 互 HTTP 瀏覽器Web 聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)響應(yīng)數(shù) HTML HTML HTML據(jù)

在教學(xué)中，利用虛擬仿真技術(shù)作為教學(xué)輔助，通過(guò)EDA軟件實(shí)現(xiàn)在教學(xué)中從機(jī)電設(shè)備到電路、系統(tǒng)、物理過(guò)程的規(guī)劃設(shè)計(jì)、仿真分析、電路綜合以及電子設(shè)計(jì)。

虛擬仿真技術(shù)中的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（ElectronicDesignAutomation，EDA)軟件屬于通用可編程電路仿真軟件，其中包括超過(guò)1000種元件模擬模塊、13種儀器儀表仿真模塊、18種電路仿真分析方法[8]。其網(wǎng)絡(luò)版對(duì)B/S運(yùn)算方式予以全面支持，適用于“電路”“信號(hào)系統(tǒng)”和“電子電路”等專業(yè)教學(xué)內(nèi)容的在線虛擬仿真。為保證仿真交互結(jié)果的準(zhǔn)確性，選擇具有較強(qiáng)運(yùn)算能力和準(zhǔn)確算法的高性能物理引擎，對(duì)機(jī)電設(shè)備作業(yè)中的不同設(shè)備、多種工況環(huán)境中運(yùn)行狀態(tài)、現(xiàn)象進(jìn)行模擬。物理引擎可實(shí)現(xiàn)類似于真實(shí)作業(yè)環(huán)境

的物理特性仿真，使教學(xué)終端界面具有更高的真實(shí)感[9-10] 。

完成上述設(shè)計(jì)后，為實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬仿真教學(xué)工作的進(jìn)一步深化，滿足學(xué)生在學(xué)習(xí)中的多元化需求，在虛擬仿真終端，配置鼠標(biāo)、手柄、鍵盤(pán)等硬件設(shè)備，學(xué)生可以在學(xué)習(xí)中根據(jù)需求，操作硬件設(shè)備，在界面中進(jìn)行場(chǎng)景的漫游與交互。通過(guò)此種方式，建立現(xiàn)實(shí)世界、虛擬環(huán)境的交互連接，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真技術(shù)在應(yīng)用型機(jī)電專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用。

4 實(shí)例應(yīng)用分析

4.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本研究選擇某高校作為研究試點(diǎn)，在深入調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前，此院校的應(yīng)用型機(jī)電教學(xué)設(shè)備種類、數(shù)量較少，不僅難以滿足學(xué)生的基本學(xué)習(xí)需要，還會(huì)導(dǎo)致學(xué)生實(shí)踐學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)不均衡，從而影響應(yīng)用型人才的培養(yǎng)效果。同時(shí)，現(xiàn)有實(shí)習(xí)場(chǎng)所有限，部分高風(fēng)險(xiǎn)、高成本的訓(xùn)練計(jì)劃很難在實(shí)踐中實(shí)施，導(dǎo)致高校教育教學(xué)工作一直處于受限狀態(tài)。雖然目前機(jī)電專業(yè)實(shí)踐教學(xué)采取了實(shí)踐操作指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)室實(shí)習(xí)、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)、個(gè)案研究等多種方式，但其在實(shí)踐中的運(yùn)用還不夠充分，難以形成一個(gè)完備的知識(shí)體系。此外，機(jī)電專業(yè)的實(shí)習(xí)教學(xué)與企業(yè)的合作也存在一些問(wèn)題，盡管與企業(yè)密切配合可以讓學(xué)生們能夠更好地設(shè)計(jì)出更接近實(shí)際需要的教學(xué)實(shí)踐，但是在具體實(shí)施中，相關(guān)工作大多難以達(dá)到預(yù)期的效果，導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際需求存在相互脫離的問(wèn)題。針對(duì)此種現(xiàn)象，決定應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的方法，引進(jìn)虛擬仿真技術(shù)，對(duì)高校應(yīng)用型機(jī)電專業(yè)教學(xué)模式進(jìn)行改進(jìn)與完善。

為確保教學(xué)工作在實(shí)施中達(dá)到預(yù)期效果，設(shè)置應(yīng)用型機(jī)電專業(yè)虛擬仿真教學(xué)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，按照表1進(jìn)行教學(xué)中輔助性軟件、硬件的集成。

表1教學(xué)輔助軟件、硬件集成

完成上述準(zhǔn)備工作后，將其投入具體工作應(yīng)用，展開(kāi)如下文所示的測(cè)試工作。

4.2虛擬仿真教學(xué)界面展示

完成測(cè)試后，在終端進(jìn)行機(jī)電專業(yè)虛擬仿真教學(xué)界面的展示，如圖3所示。

圖3虛擬仿真教學(xué)界面展示

從圖3所示的結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的方法可以清晰展示機(jī)電設(shè)備的作業(yè)工況，同時(shí)，可操作界面自主調(diào)節(jié)觀察機(jī)電設(shè)備在作業(yè)中不同位置的工作狀態(tài)。由此可以證明，本文設(shè)計(jì)的方法在應(yīng)用中效果良好，可以滿足機(jī)電專業(yè)虛擬仿真可視化教學(xué)需求。

4.3機(jī)電設(shè)備三維可視化模型適配度

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，以交流接觸器、中間繼電器為例，對(duì)虛擬仿真技術(shù)創(chuàng)建的三維模型與其可視化結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行匹配，通過(guò)檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型與三維模型的匹配度，綜合分析虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用效果。其結(jié)果如圖4所示。

圖4機(jī)電設(shè)備三維可視化模型適配度檢驗(yàn)

度和一致性，幀速率應(yīng)該維持在一個(gè)較高的水平。

在此過(guò)程中，需要注意的是，幀速率的變化幅度會(huì)影響用戶的體驗(yàn)。在幀率穩(wěn)定性較差情況下，圖像會(huì)出現(xiàn)卡頓、跳幀等情況。一般情況下，要保證畫(huà)面的流暢和舒適，游戲畫(huà)面的幀率必須大于 30fps ，從而保證畫(huà)面質(zhì)量。對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，如圖5所示。

圖5虛擬仿真界面切換中幀率穩(wěn)定性檢驗(yàn)結(jié)果

圖4對(duì)應(yīng)2種設(shè)備的左側(cè)圖均為三維仿真模型，右側(cè)圖為可視化結(jié)構(gòu)模型圖。

從圖5所示的結(jié)果可以看出，按照設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行虛擬仿真教學(xué)設(shè)計(jì)，該界面的幀率穩(wěn)定性較高，即變化幅度較小，界面幀率滿足大于 30fps 的需求。

5結(jié)語(yǔ)

為滿足現(xiàn)代化市場(chǎng)對(duì)應(yīng)用型人才的需求，在教學(xué)過(guò)程中，教師既要重視常規(guī)教學(xué)手段的應(yīng)用，又要重視對(duì)學(xué)生的創(chuàng)造性、能力培養(yǎng)。培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考和實(shí)際探究能力，可促使學(xué)生在學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)新的問(wèn)題，提出新的想法，以此促進(jìn)機(jī)電專業(yè)教育的發(fā)展。因此，本文基于虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，以某高校作為研究試點(diǎn)，通過(guò)搭建應(yīng)用型教學(xué)資源庫(kù)、創(chuàng)建機(jī)電設(shè)備三維可視化模型、基于虛擬仿真技術(shù)的可視化教學(xué)實(shí)時(shí)交互設(shè)計(jì)，完成了此次設(shè)計(jì)。此種方式可以培養(yǎng)應(yīng)用型人才。

從圖4所示的結(jié)果可以看出，應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行教學(xué)中的機(jī)電設(shè)備建模，可以提高三維仿真模型與可視化結(jié)構(gòu)模型的適配度。此種方式保證教學(xué)工作的規(guī)范性，為學(xué)生提供更加真實(shí)的教學(xué)指導(dǎo)服務(wù)。

4.4虛擬仿真界面切換流暢度檢驗(yàn)

完成上述測(cè)試后，將虛擬仿真教學(xué)中界面幀率穩(wěn)定性作為檢驗(yàn)指標(biāo)。該指標(biāo)主要表示1s內(nèi)呈現(xiàn)和顯示圖片數(shù)量。在理想的情況下，為了保證圖像的流暢

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(編輯 王永超)

Application of virtual simulation technology in applied mechanical and electrical engineering teaching

GAO Fuming， WANG Bingjian (Training andEmployment Ofice，Liyang Secondary Vocational School of Jiangsu Province，Liyang 2133Oo，China)

Abstract:Inorder to deepen the teaching efectivenessof mechanicaland electricalmajors，thisarticle takesacertain university as aresearch pilot to study the application of virtual simulation technology in applied mechanical and electrical major teaching.Buildanapplication-oriented teaching resource libraryand store resourcesrelated to mechanical andelectrical education ina structured anddata format in the database.Using 3D modeling software， accurately restore multipleaspects such as the working environmentand sensor distribution of electromechanical equipment.By creating a 3D visualization model of electromechanical equipment，simulate and manufacture various devices in the electromechanical system.Basedon virtual simulation technology，a thre-tier B/S system is used to import thre-dimensional visualization models of mechanical and electrical equipmentusing Application Programming Interface(（API)，public gateway technology，and Java database connection technology，achieving real-time interactive design for visual teaching.The practical results showthat this methodcanachieve visual displayof virtual simulation models in teaching and ensure the stability of the frame rate of virtual simulation interface switching.

KeyWords:virtual simulation technology；resource base;3D visualization model；teaching method;mechanical and electrical engineering；applied