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摘 要随着社会市场经济的发展,高级技术人才严重短缺。职业中学教学条件的不足,实践操作教学很难完成。因此,虚拟教学是解决这一难题很好的手段,以桂林工业中等专业学校数控机床虚拟教学为例,数控虚拟教学取得了一定成果。还讨论了虚拟教学在机械模块组装和机械设备维修课程中的应用。电子电路课程的虚拟教学方法。虚拟教学在职业教育中的应用,提高了教学质量,节约了成本,为社会培养了一批批合格技术人才。
关键词虚拟教学;数控仿真;职业教育
由于工业生产规模的扩大,我国对技术工人的需求日益增加,职业教育为电子、机械等各个行业的工厂培养出大量的技能型人才,进入工厂经过少量短期培训甚至不用培训即可走向生产岗位,满足了工厂的迫切需求并降低了人员培训成本。与培养知识型人才的普通教育不同的是,职业教育更注重培养学生的技术和技能,因此学生需要大量的在硬件设备上实际操作的机会。但是要求职业学校购买所有的器材、包括大批高级昂贵的设备是不现实的;同时随着工业生产技术的快速发展,这些硬件设备可能很快会因产业界的更新换代而过时淘汰;而且大部分职业中学又面临着资金短缺,甚至场地缺乏的困难。如果学生得不到对这些设备操作的机会,与普通学校相比就没有任何优势,也就谈不上职业教育,虚拟教学正是解决设备硬件资源不足最合适的办法[1]。
虚拟教学就是采用计算机仿真和图形技术,与学习者建立一种具有高度现实感、交互性和可视化的虚拟环境,对所需要的场景、设备乃至人物进行仿真,对用户输入数据进行准确的模拟计算并实时输出仿真结果,使学习者可以克服硬件条件的限制而得到实际操作的体验。较典型的三维软件如美国AutoDesk公司的3Ds Max可用于建筑装修、工业设计、旅游和外科手术等多方面的仿真和虚拟教学[2] 、加拿大Interactive Image Technologies公司的电路仿真与绘制软件Multisim用于电路设计和测量的虚拟教学[3],SolidWorks软件用于机械装配的虚拟教学[4, 5]。本文通过数控机床、机械设备组装与维修及电路分析与设计的仿真在教学上的应用案例,来讨论虚拟教学对职业技术教育的促进作用。
美国是较早将VR 技术引入课堂的国家之一。如休斯敦大学、北卡罗莱纳大学、印第安纳大学等都采用了虚拟现实技术来作为一种先进的教学手段[6],大大增强了学生对相关概念的理解。国内很多高校也都已对虚拟现实技术进行了研究,如北京航空航天大学建立了虚拟现实技术国家教育部重点实验室,浙江大学也有计算机辅助设计和图形学(CAD/CG) 国家重点实验室;在虚拟现实基础理论方面,清华大学、西安交通大学对虚拟现实的真实感和立体现实技术都进行了广泛的研究。
一、虚拟现实技术在教学中的意义
(一)虚拟现实技术开创了全新的学习场景---彻底打 破空间、时间的限制
利用虚拟现实技术,打破了空间的限制,学生可进入物体的内部进行观察,虚拟制造技术还可以应用计算机、交互外设及软件来构建一个虚拟的生产环境,使学生能如同在制造现场一样,与荧屏上出现的制造过程进行自由交流。基于网络的虚拟现实技术为学习者提供了全新的学习场景,构造出开放性的教学环境。
(二)虚拟现实技术提供了崭新的教学手段---构建实物虚化、虚物实化的方法
通过虚拟现实、多媒体、网络等技术的综合应用,可在课堂和实验室中展现在传统的教学模式中无法实现的教学过程。使学生通过在虚拟场景的身临其境和自主控制的人机交互,由视、听、触、觉获取外界的反应,通过学生自我组织,进行自我评价,开展适应式学习。
(三)虚拟现实技术丰富了课堂教学内容---展示全方位、多角度的教学内容
利用虚拟现实技术,可丰富教学内容,将实验、实训等技能训练搬到课堂中进行,由于这些虚拟的训练系统无任何危险,学生可以反复练习,直至掌握操作技能为止。应用虚拟现实技术,还可恰如其分地演示一些复杂的、抽象的、不宜直接观察的自然过程和现象,全方位、多角度地展示教学内容。虚拟各种实验设备、实训环境和操作过程,使大多数课程可以在虚拟实验室中进行。在节约昂贵的仪器设备费用的前提下,解决教学中因实验设备、实验场地、教学经费等原因而无法进行的教学实验。用计算机模拟的智能仪器代替昂贵、操作复杂、易损坏、维修困难的实验仪器,其具有操作简便、效果真实、物理图像清晰、着重突出物理设计思想的特点。
二、数控技术的虚拟教学在桂林工业中等专业学校的应用及评价
以数控机床为代表的数控技术(Numerical Control,NC),是指用数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术,它将自动控制、计算机、微电子、精密测量等方面的最新成就与机械设备技术相结合,用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。与传统工艺相比,数控技术为机械制造和加工可节约15～30%的成本、缩短生产时间30～60%或增加产能40～70%、降低废品率20～50%,在加工精度等其它方面也具有明显的优势。
目前大部分职业技术学校的机械工程专业都开设了数控课程,但是硬件设备价格昂贵,所以采用虚拟数控设备来进行教学和预先培训,虚拟加工环境主要包括毛坯、加工设备、刀具、夹具等虚拟模型以及NC代码翻译和加工过程仿真等软件模块[7],它们在NC代码驱动下相互协同工作,完成毛坯的加工成型。如虚拟数控机床 [5],结构外观与真实机床相同,学习者可在虚拟软件图形界面上的虚拟面板进行控制、输入参数和程序;能够识别用户输入的零件加工程序,将程序转换为虚拟设备各加工部件的动作并控制它们的运动;可以模仿真实机床的任何功能,可将加工过程实时逼真地仿真并显示出来,以便学习者能观察整个加工过程。
桂林工业中等专业学校是一所国有重点技术学校,设有七个专业,主要的实验课就是通过仿真教学来完成的,通过仿真教学掌握了产品的生产流程,然后到实习场地去实践。他们的合格率很高,能达到百分之九十五。事实证明计算机虚拟教学是很成功的!就该校的数控仿真教学为例来说明:
桂林工业中等专科学校采用斯沃广州数控教学软件系统,学生通过在PC 机上操作该软件,能在很短时间内掌握各系统数控车、铣及加工中心的操作,可手动编程或读入CAM 数控程序加工,教师通过网络教学,可随时获得学生的当前操作信息。不但克服了人力物力的不足,还减少了机床事故的发生。
通过整个GSK928TA系统操作界面的学习,可以帮助学生熟悉数控系统的面板,掌握各个按键的作用和编程指令的输入,用户坐标系的建立等功能;帮助学生熟悉培训机床的操作面板,掌握各个按钮的作用以及机床的操作包括机床回零,机床模式的改变,单步、跳步等调试程序等功能;通过前面的学习,学生可以在交互的方式下,仿真零件的加工过程,包括建立零件毛坯,零件的装夹,零件的找正,刀具的定义,用户坐标系的建立,输入程序,调试程序,自动完成零件的加工和零件尺寸的测量等过程。
这套软件是2006年才开始使用的,之前的教学方式都是教师在上面讲理论,学生在下面听,没有实践,学生编完程序也不知道对不对,教师一个一个看完再修改,然后又反复讲,很多学生还是不理解,有仿真室后,学生学完每节的编程后,就直接可以到仿真室去仿真,不正确的程序,自己就可以直接修改,教师只需要在一边指导就行,这样既形象又逼真,学生也记忆深刻。现在理论课和仿真课是1:1,但学生更喜欢的还是上仿真课,可能是因为每节课做出一个或几个工件,对学生来说比较有成就感。
在购买和运行成本方面,如华中数控车床价格一般在8-10万元,铣床如发那科或西门子的价格在15-20万元,甚至更高。数控仿真软件单机版的每套在1500-2000元左右,做一个仿真室大约要10-15万元。一台机床的价格基本上就可以做一个仿真室了,另外还节省了其它损耗(材料、电费及保养费用)。
使用仿真系统后,提高了培训效果和培训的层次。引入数控仿真系统后,在培训周期不变的情况下,他们改革了课程的设置,在实践中,发现学生在学习计算机自动编程过程中,仿真系统完全可以作为实际机床的替代品,各种加工方式生成的数控程序,可以直接放入仿真系统中进行虚拟加工,通过虚拟工件的测量,就可以判断自动编程生成的代码是否正确。这种数控程序代码级的仿真,还能衍生出许多意想不到的作用。实际上仿真系统的教学应用已成为数控机床理论阶段课程和实际机床操作阶段课程的桥梁,数控理论与实际操作相融合的课程。熟练的机床操作能力和较强的数控编程能力,使学生的综合实力大为提高,经过8周320学时的训练,一个班的学生基本上全部都能达到中级工的水平,成绩优秀的学生再经过几周的训练,可以通过高级工的考试。使用仿真系统后,大的碰撞事故没有发生过一起,仅出现一些刀具破损的小事故。与以前相比,效果显著。
数控仿真软件的应用,不仅缓解了数控设备数量不足的难题,而且通过培训课程、学时等方面的改进,还大幅度提高了数控培训的效果。历经3年的使用,积累了大量的经验,培训学员和毕业生的操作水平得到了用人单位的肯定。应用数控仿真软件的成功经验有:有力的缓解了机床数量的难题,提高了机床的实际利用率。一台计算机就是一台数控机床,在一个40人的标准计算机机房内,学生可以人手一机使用仿真系统。通过实践效果的反馈,证明经过仿真训练的学生,在实际机床上,上手速度快,机床的实际利用率比以前得到了很大的提高。
三、虚拟教学在机械模块组装和机械设备维修课程中的应用
机械专业其它课程也应用虚拟教学来改进教学方法。一些结构比较复杂的机械模块和设备如发动机可采用头盔显示器、方位跟踪器和数据手套实现虚拟装配环境[8],能够使用户在可视化的环境下交互地对发动机的三维模型进行拆装,以研究和分析各零部件的装配顺序、装配路径、装配过程中的动态干涉和装配空间的合理性。这样使学生反复练习和操作,而避免了购买这些机械部件和装配练习中造成硬件损坏的成本。
上海景格汽车科技公司与上海大学联合开发了一套涵盖通用、大众和丰田等车系的交互式汽车维修虚拟教学软件,用于大众、丰田和通用,可设置100多个故障点供学生判断检测,还包括万用表、示波器、废气分析仪、燃油压力表、气缸压力表、真空表等10多种虚拟故障检测设备以及各种型号的套筒、扳手、扭力扳手、专用钳子等各种虚拟工具,使学生可以进行故障诊断和实训工艺等多方面的实习。该软件着力于汽车专业教学相配套的教学资源建设,以培训、提高职业学校教师掌握多媒体技术应用为重点,为老师的课程开发提供服务,该软件开发商广泛开展校企合作,与北京市密云县职业学校共建“汽车虚拟实训中心”。
四、电子电路课程的虚拟教学方法
以上虚拟教学方法主要是对较复杂的机械部件和加工过程等比较具体直观的对象进行仿真,目前虚拟技术也用于对一些抽象物体和运动过程进行具体化和可视化,如物质的分子、原子结构、电磁场的分布、空气动力学描述等方面的教学都经常采用虚拟方法。电子电路中的电压和电流也是抽象的物理量,也可利用当前流行的EDA(Electronic Design Automation,电子设计自动化)软件来进行仿真,并由此开发电子技术课程的虚拟教学方法,可大幅度提高学生的学习效率[9]。
在电路设计与分析中常用的仿真软件是Multisim和PSpice, Multisim是一个完整的设计与仿真工具系统,具有丰富的元件数据库,能提供原理图输入、数模Spice仿真、VHDL/Verilog设计与仿真、FPGA/CPLD综合、射频设计和后处理功能,还可以进行从原理图到PCB布线工具包的无缝隙数据传输。比PSpice出色的地方是Multisim提供了多种常用的虚拟仪表,包括数字万用表、函数信号发生器、功率计、双踪示波器、波特图示仪、字符发生器、逻辑分析仪、逻辑转换仪、失真度分析仪、频谱分析仪和网络分析仪等。
Multisim在职业技术教学中被成功运用于电子电路虚拟实验[10],如二极管伏安特性和电容的充电特性,其中还包括示波器等虚拟仪器仪表。这样学生可不用搭建硬件电路而快速地掌握多种实验方法和大量电路设计的知识,再进行硬件电路的操作时少走弯路,提高学校效率和学习兴趣,通过把硬件操作转换成软件操作,也可消除有的学生尤其是相当比例的一部分女生对硬件电路包括元器件和测试仪表操作的恐惧感。
五、结论
通过对虚拟教学的研究和调查,我们得出,在教学过程中应用仿真系统辅助教学:①学生可经常性地接触各种仿真系统,能多接受一些新的知识,开阔自己的视野;②生动形象的仿真教学和迅速地再现能力,可帮助学生更好地理解、记忆和复习所学的内容.有效地提高教学质量,能更合理地利用有限的教学资金投入。而且能够让同学们更快地熟悉和了解虚拟教学软件的工作原理,并且掌握每种虚拟软件的基本操作。有利于全面提高学生综合职业素质,激发学生独立思考和创新意识,培养学生勇于实践的能力,从教学效果看,虚拟教学系统的引入,使学生在学习教学理论时,课堂的教学变得更加生动、更加具体,提高学生的学习兴趣,教学效果明显。
虚拟教学可应用在职业教学中的许多学科中,一般放射性较强、比较危险的、比较难理解的教学中、工作人员难以进入的场所仿真中,上面的实例分析将对职业教育有很好的启迪和参考作用。
当然目前硬件环境还有待提高,与虚拟现实技术相关的设备普遍存在使用不方便,效果不佳等情况,难以达到虚拟现实系统所需的要求,如中心计算机的处理速度还不足于满足在虚拟世界中巨大数据量处理实时性的需要,对数据存储能力也不足,基于嗅觉、味觉的设备还没有成熟及商品化。硬件设备品种有待进一步扩展。
实现成本问题还有待降低,虚拟现实系统应用的相关设备价格也比较昂贵,且这些设备局限性很大,需要进一步发展其结构和制造技术,使其轻巧化和降低成本,才能更有利于推广应用。
参考文献
[1] M. Sahin et. al., Virtual Training Centre for Computer Numerical Control, Int. J. of Computers, Communications & Control, 2008, 3 (2), 196-203.
[2] 康与云、赵晓春.工程图学学报,基于VRML 的牛头刨床机构运动的虚拟仿真,2006,1,149-154.
[3] 孙晓艳.基于Multisim的虚拟仿真软件在数字电子技术教学中的应用,装备制造技术,2007,11:152-154.
[4] 张虹.用Solidworks 实现减速器的设计与虚拟装配,天津成人高等学校联合学报,2005,7(5),41-42.
[5] 段文洁.基于Solidwork的虚拟数控机床建模技术及其应用,机电产品开发与创新,2008,21(5),182-183.
[6] 冯琪玲.数控加工仿真系统在教学中应用 [J],科技信息2008,(21): 281.
[7] 田树军、刘万辉、张宏、贾春强.基于VR的三维数控加工环境及其关键技术研究,系统仿真学报,2007,19(16),3727-3730.
[8] 高颖、邵亚楠、许志国、郭淑霞.发动机虚拟装配教学实验系统关键技术研究,系统仿真学报,2008,20(22),6209-6213.
[9] 毛欲民.EDA软件在电子技术课程教学中的应用,中国现代教育装备,2007,50(4).
[10] 张雪文、徐晓昂.仿真软件Multisim在《汽车电子技术基础》教学中的应用,广西轻工业,2008,117(8),173-174 .
关键词虚拟教学;数控仿真;职业教育
由于工业生产规模的扩大,我国对技术工人的需求日益增加,职业教育为电子、机械等各个行业的工厂培养出大量的技能型人才,进入工厂经过少量短期培训甚至不用培训即可走向生产岗位,满足了工厂的迫切需求并降低了人员培训成本。与培养知识型人才的普通教育不同的是,职业教育更注重培养学生的技术和技能,因此学生需要大量的在硬件设备上实际操作的机会。但是要求职业学校购买所有的器材、包括大批高级昂贵的设备是不现实的;同时随着工业生产技术的快速发展,这些硬件设备可能很快会因产业界的更新换代而过时淘汰;而且大部分职业中学又面临着资金短缺,甚至场地缺乏的困难。如果学生得不到对这些设备操作的机会,与普通学校相比就没有任何优势,也就谈不上职业教育,虚拟教学正是解决设备硬件资源不足最合适的办法[1]。
虚拟教学就是采用计算机仿真和图形技术,与学习者建立一种具有高度现实感、交互性和可视化的虚拟环境,对所需要的场景、设备乃至人物进行仿真,对用户输入数据进行准确的模拟计算并实时输出仿真结果,使学习者可以克服硬件条件的限制而得到实际操作的体验。较典型的三维软件如美国AutoDesk公司的3Ds Max可用于建筑装修、工业设计、旅游和外科手术等多方面的仿真和虚拟教学[2] 、加拿大Interactive Image Technologies公司的电路仿真与绘制软件Multisim用于电路设计和测量的虚拟教学[3],SolidWorks软件用于机械装配的虚拟教学[4, 5]。本文通过数控机床、机械设备组装与维修及电路分析与设计的仿真在教学上的应用案例,来讨论虚拟教学对职业技术教育的促进作用。
美国是较早将VR 技术引入课堂的国家之一。如休斯敦大学、北卡罗莱纳大学、印第安纳大学等都采用了虚拟现实技术来作为一种先进的教学手段[6],大大增强了学生对相关概念的理解。国内很多高校也都已对虚拟现实技术进行了研究,如北京航空航天大学建立了虚拟现实技术国家教育部重点实验室,浙江大学也有计算机辅助设计和图形学(CAD/CG) 国家重点实验室;在虚拟现实基础理论方面,清华大学、西安交通大学对虚拟现实的真实感和立体现实技术都进行了广泛的研究。
一、虚拟现实技术在教学中的意义
(一)虚拟现实技术开创了全新的学习场景---彻底打 破空间、时间的限制
利用虚拟现实技术,打破了空间的限制,学生可进入物体的内部进行观察,虚拟制造技术还可以应用计算机、交互外设及软件来构建一个虚拟的生产环境,使学生能如同在制造现场一样,与荧屏上出现的制造过程进行自由交流。基于网络的虚拟现实技术为学习者提供了全新的学习场景,构造出开放性的教学环境。
(二)虚拟现实技术提供了崭新的教学手段---构建实物虚化、虚物实化的方法
通过虚拟现实、多媒体、网络等技术的综合应用,可在课堂和实验室中展现在传统的教学模式中无法实现的教学过程。使学生通过在虚拟场景的身临其境和自主控制的人机交互,由视、听、触、觉获取外界的反应,通过学生自我组织,进行自我评价,开展适应式学习。
(三)虚拟现实技术丰富了课堂教学内容---展示全方位、多角度的教学内容
利用虚拟现实技术,可丰富教学内容,将实验、实训等技能训练搬到课堂中进行,由于这些虚拟的训练系统无任何危险,学生可以反复练习,直至掌握操作技能为止。应用虚拟现实技术,还可恰如其分地演示一些复杂的、抽象的、不宜直接观察的自然过程和现象,全方位、多角度地展示教学内容。虚拟各种实验设备、实训环境和操作过程,使大多数课程可以在虚拟实验室中进行。在节约昂贵的仪器设备费用的前提下,解决教学中因实验设备、实验场地、教学经费等原因而无法进行的教学实验。用计算机模拟的智能仪器代替昂贵、操作复杂、易损坏、维修困难的实验仪器,其具有操作简便、效果真实、物理图像清晰、着重突出物理设计思想的特点。
二、数控技术的虚拟教学在桂林工业中等专业学校的应用及评价
以数控机床为代表的数控技术(Numerical Control,NC),是指用数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术,它将自动控制、计算机、微电子、精密测量等方面的最新成就与机械设备技术相结合,用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。与传统工艺相比,数控技术为机械制造和加工可节约15～30%的成本、缩短生产时间30～60%或增加产能40～70%、降低废品率20～50%,在加工精度等其它方面也具有明显的优势。
目前大部分职业技术学校的机械工程专业都开设了数控课程,但是硬件设备价格昂贵,所以采用虚拟数控设备来进行教学和预先培训,虚拟加工环境主要包括毛坯、加工设备、刀具、夹具等虚拟模型以及NC代码翻译和加工过程仿真等软件模块[7],它们在NC代码驱动下相互协同工作,完成毛坯的加工成型。如虚拟数控机床 [5],结构外观与真实机床相同,学习者可在虚拟软件图形界面上的虚拟面板进行控制、输入参数和程序;能够识别用户输入的零件加工程序,将程序转换为虚拟设备各加工部件的动作并控制它们的运动;可以模仿真实机床的任何功能,可将加工过程实时逼真地仿真并显示出来,以便学习者能观察整个加工过程。
桂林工业中等专业学校是一所国有重点技术学校,设有七个专业,主要的实验课就是通过仿真教学来完成的,通过仿真教学掌握了产品的生产流程,然后到实习场地去实践。他们的合格率很高,能达到百分之九十五。事实证明计算机虚拟教学是很成功的!就该校的数控仿真教学为例来说明:
桂林工业中等专科学校采用斯沃广州数控教学软件系统,学生通过在PC 机上操作该软件,能在很短时间内掌握各系统数控车、铣及加工中心的操作,可手动编程或读入CAM 数控程序加工,教师通过网络教学,可随时获得学生的当前操作信息。不但克服了人力物力的不足,还减少了机床事故的发生。
通过整个GSK928TA系统操作界面的学习,可以帮助学生熟悉数控系统的面板,掌握各个按键的作用和编程指令的输入,用户坐标系的建立等功能;帮助学生熟悉培训机床的操作面板,掌握各个按钮的作用以及机床的操作包括机床回零,机床模式的改变,单步、跳步等调试程序等功能;通过前面的学习,学生可以在交互的方式下,仿真零件的加工过程,包括建立零件毛坯,零件的装夹,零件的找正,刀具的定义,用户坐标系的建立,输入程序,调试程序,自动完成零件的加工和零件尺寸的测量等过程。
这套软件是2006年才开始使用的,之前的教学方式都是教师在上面讲理论,学生在下面听,没有实践,学生编完程序也不知道对不对,教师一个一个看完再修改,然后又反复讲,很多学生还是不理解,有仿真室后,学生学完每节的编程后,就直接可以到仿真室去仿真,不正确的程序,自己就可以直接修改,教师只需要在一边指导就行,这样既形象又逼真,学生也记忆深刻。现在理论课和仿真课是1:1,但学生更喜欢的还是上仿真课,可能是因为每节课做出一个或几个工件,对学生来说比较有成就感。
在购买和运行成本方面,如华中数控车床价格一般在8-10万元,铣床如发那科或西门子的价格在15-20万元,甚至更高。数控仿真软件单机版的每套在1500-2000元左右,做一个仿真室大约要10-15万元。一台机床的价格基本上就可以做一个仿真室了,另外还节省了其它损耗(材料、电费及保养费用)。
使用仿真系统后,提高了培训效果和培训的层次。引入数控仿真系统后,在培训周期不变的情况下,他们改革了课程的设置,在实践中,发现学生在学习计算机自动编程过程中,仿真系统完全可以作为实际机床的替代品,各种加工方式生成的数控程序,可以直接放入仿真系统中进行虚拟加工,通过虚拟工件的测量,就可以判断自动编程生成的代码是否正确。这种数控程序代码级的仿真,还能衍生出许多意想不到的作用。实际上仿真系统的教学应用已成为数控机床理论阶段课程和实际机床操作阶段课程的桥梁,数控理论与实际操作相融合的课程。熟练的机床操作能力和较强的数控编程能力,使学生的综合实力大为提高,经过8周320学时的训练,一个班的学生基本上全部都能达到中级工的水平,成绩优秀的学生再经过几周的训练,可以通过高级工的考试。使用仿真系统后,大的碰撞事故没有发生过一起,仅出现一些刀具破损的小事故。与以前相比,效果显著。
数控仿真软件的应用,不仅缓解了数控设备数量不足的难题,而且通过培训课程、学时等方面的改进,还大幅度提高了数控培训的效果。历经3年的使用,积累了大量的经验,培训学员和毕业生的操作水平得到了用人单位的肯定。应用数控仿真软件的成功经验有:有力的缓解了机床数量的难题,提高了机床的实际利用率。一台计算机就是一台数控机床,在一个40人的标准计算机机房内,学生可以人手一机使用仿真系统。通过实践效果的反馈,证明经过仿真训练的学生,在实际机床上,上手速度快,机床的实际利用率比以前得到了很大的提高。
三、虚拟教学在机械模块组装和机械设备维修课程中的应用
机械专业其它课程也应用虚拟教学来改进教学方法。一些结构比较复杂的机械模块和设备如发动机可采用头盔显示器、方位跟踪器和数据手套实现虚拟装配环境[8],能够使用户在可视化的环境下交互地对发动机的三维模型进行拆装,以研究和分析各零部件的装配顺序、装配路径、装配过程中的动态干涉和装配空间的合理性。这样使学生反复练习和操作,而避免了购买这些机械部件和装配练习中造成硬件损坏的成本。
上海景格汽车科技公司与上海大学联合开发了一套涵盖通用、大众和丰田等车系的交互式汽车维修虚拟教学软件,用于大众、丰田和通用,可设置100多个故障点供学生判断检测,还包括万用表、示波器、废气分析仪、燃油压力表、气缸压力表、真空表等10多种虚拟故障检测设备以及各种型号的套筒、扳手、扭力扳手、专用钳子等各种虚拟工具,使学生可以进行故障诊断和实训工艺等多方面的实习。该软件着力于汽车专业教学相配套的教学资源建设,以培训、提高职业学校教师掌握多媒体技术应用为重点,为老师的课程开发提供服务,该软件开发商广泛开展校企合作,与北京市密云县职业学校共建“汽车虚拟实训中心”。
四、电子电路课程的虚拟教学方法
以上虚拟教学方法主要是对较复杂的机械部件和加工过程等比较具体直观的对象进行仿真,目前虚拟技术也用于对一些抽象物体和运动过程进行具体化和可视化,如物质的分子、原子结构、电磁场的分布、空气动力学描述等方面的教学都经常采用虚拟方法。电子电路中的电压和电流也是抽象的物理量,也可利用当前流行的EDA(Electronic Design Automation,电子设计自动化)软件来进行仿真,并由此开发电子技术课程的虚拟教学方法,可大幅度提高学生的学习效率[9]。
在电路设计与分析中常用的仿真软件是Multisim和PSpice, Multisim是一个完整的设计与仿真工具系统,具有丰富的元件数据库,能提供原理图输入、数模Spice仿真、VHDL/Verilog设计与仿真、FPGA/CPLD综合、射频设计和后处理功能,还可以进行从原理图到PCB布线工具包的无缝隙数据传输。比PSpice出色的地方是Multisim提供了多种常用的虚拟仪表,包括数字万用表、函数信号发生器、功率计、双踪示波器、波特图示仪、字符发生器、逻辑分析仪、逻辑转换仪、失真度分析仪、频谱分析仪和网络分析仪等。
Multisim在职业技术教学中被成功运用于电子电路虚拟实验[10],如二极管伏安特性和电容的充电特性,其中还包括示波器等虚拟仪器仪表。这样学生可不用搭建硬件电路而快速地掌握多种实验方法和大量电路设计的知识,再进行硬件电路的操作时少走弯路,提高学校效率和学习兴趣,通过把硬件操作转换成软件操作,也可消除有的学生尤其是相当比例的一部分女生对硬件电路包括元器件和测试仪表操作的恐惧感。
五、结论
通过对虚拟教学的研究和调查,我们得出,在教学过程中应用仿真系统辅助教学:①学生可经常性地接触各种仿真系统,能多接受一些新的知识,开阔自己的视野;②生动形象的仿真教学和迅速地再现能力,可帮助学生更好地理解、记忆和复习所学的内容.有效地提高教学质量,能更合理地利用有限的教学资金投入。而且能够让同学们更快地熟悉和了解虚拟教学软件的工作原理,并且掌握每种虚拟软件的基本操作。有利于全面提高学生综合职业素质,激发学生独立思考和创新意识,培养学生勇于实践的能力,从教学效果看,虚拟教学系统的引入,使学生在学习教学理论时,课堂的教学变得更加生动、更加具体,提高学生的学习兴趣,教学效果明显。
虚拟教学可应用在职业教学中的许多学科中,一般放射性较强、比较危险的、比较难理解的教学中、工作人员难以进入的场所仿真中,上面的实例分析将对职业教育有很好的启迪和参考作用。
当然目前硬件环境还有待提高,与虚拟现实技术相关的设备普遍存在使用不方便,效果不佳等情况,难以达到虚拟现实系统所需的要求,如中心计算机的处理速度还不足于满足在虚拟世界中巨大数据量处理实时性的需要,对数据存储能力也不足,基于嗅觉、味觉的设备还没有成熟及商品化。硬件设备品种有待进一步扩展。
实现成本问题还有待降低,虚拟现实系统应用的相关设备价格也比较昂贵,且这些设备局限性很大,需要进一步发展其结构和制造技术,使其轻巧化和降低成本,才能更有利于推广应用。
参考文献
[1] M. Sahin et. al., Virtual Training Centre for Computer Numerical Control, Int. J. of Computers, Communications & Control, 2008, 3 (2), 196-203.
[2] 康与云、赵晓春.工程图学学报,基于VRML 的牛头刨床机构运动的虚拟仿真,2006,1,149-154.
[3] 孙晓艳.基于Multisim的虚拟仿真软件在数字电子技术教学中的应用,装备制造技术,2007,11:152-154.
[4] 张虹.用Solidworks 实现减速器的设计与虚拟装配,天津成人高等学校联合学报,2005,7(5),41-42.
[5] 段文洁.基于Solidwork的虚拟数控机床建模技术及其应用,机电产品开发与创新,2008,21(5),182-183.
[6] 冯琪玲.数控加工仿真系统在教学中应用 [J],科技信息2008,(21): 281.
[7] 田树军、刘万辉、张宏、贾春强.基于VR的三维数控加工环境及其关键技术研究,系统仿真学报,2007,19(16),3727-3730.
[8] 高颖、邵亚楠、许志国、郭淑霞.发动机虚拟装配教学实验系统关键技术研究,系统仿真学报,2008,20(22),6209-6213.
[9] 毛欲民.EDA软件在电子技术课程教学中的应用,中国现代教育装备,2007,50(4).
[10] 张雪文、徐晓昂.仿真软件Multisim在《汽车电子技术基础》教学中的应用,广西轻工业,2008,117(8),173-174 .