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虚拟技术对机械实践课堂教学的应用

1引言

目前,中国的教育模式正在向“德国双元制”教育学习,已从传统的“填鸭式”理论教学转向“互动式”实践教学。2011年,中国教育报刊登了一篇关于哈尔滨工程大学实践教学从后台走向前台的文章,编者提出打造集约化实践教学平台,重新定位实验教师身份,每个学院推出特色赛事的建议,并推出《高校加强实践教学系列报道》,可谓极其重视。然而,实践教学需要实验室来支撑,在普通高职院校的机械教学过程中,这恰恰是一个最薄弱的环节。现对我校机械专业实践教学调研分析,发现在实践教学中实验室的构建与应用存在着下列问题。

1.1普通高职院校的特性

该类院校一般都是地方性学校,获得国家预算内教育基建投资的机会少,同时,其地位和实力也使得该类院校的纵向或横向科研项目少,获得的各种基金和个人捐助也少。

1.2机械专业实验室的内在“三高”特性

第一、投入资本高:机械设备多为机电一体化设备,如拉伸实验机、机床等,设备昂贵,投资大。第二、运行维护高:机械设备安装复杂,占地广,要求高。在设备运行过程中,耗时耗电多,故障多,运行维护成本极高。第三、操作危险高:多数机械设备需要通电,在高温下工作,稍有操作不当,就会造成危险。

2虚拟实践课堂教学内容

鉴于以上“三高”特性,为了提升实践教学效果,越来越多的实践教学采用计算机技术来构建虚拟平台,如宇航数控仿真软件[3]。但是在机械基础课中,由于不够重视,虚拟平台的应用不多,而目前软件公司完全有能力将虚拟技术[4]应用到这些课程中并推广。本文以《金属工艺基础》中材料热处理和金相组织观察实践课为例,探讨虚拟实践课堂教学平台在其中的应用。

3虚拟实践课堂教学平台的构建

虚拟场景:软件启动后,即进入逼真的三维车间环境,其中包括:虚拟工件、实验室设备、车间等,营造出真实的生产氛围。虚拟工件:工件材料外观支持金属质感的真实纹理和彩色纹理两种显示方式。所有工件均同时配备各种数据和图纸。虚拟工具:实验工具,如加热的电阻炉,时效炉,金相显微镜等,以接近实物的真实感显示,同时在实验时的动作也要接近真实效果。漫游操作:利用鼠标、键盘操作,可在虚拟实验室中进、退、左转、右转、抬头、低头、镜头远近调节等。运动仿真:能够以透视、局部、剖面、旋转等各种手段、各种视角观察实验设备运作全过程,从而学习热处理实验的工作原理。知识索引:从知识库中可立即搜索、查看到与某零件相关知识。同时,系统提供了丰富、真实的工件材料金相组织实例,包括金相组织图谱、表格等。实验操作:以逼真的3D手指进行实验演示,每一步都同步伴有语音及文字说明。实验考核:智能化考核、防作弊功能、难度等级设定。自主开发:所有的说明文字、配置参数均采用EXCEL表驱动,用户可以自定义增加工件材料及其工艺参数,更好的服务用户。

4虚拟实验课堂教学的作用

4.1低成本,无污染

虚拟实践教学平台运用计算机仿真技术,可以方便的开发典型实验设备,一旦开发成功,则可推广到各个高职院校,大大减少设备台数、折旧和维护费用等,同时没有原材料消耗,无污染,从而降低办学成本。

4.2教学手段先进,无危险,软件更新快

运用虚拟技术展示设备,学生能真实的对虚拟设备进行操作,且操作过程可避免误操作带来的危险。同时,由于现实中设备更新速度在很大程度上滞后于技术发展速度的现象,运用虚拟设备进行实验,只需更新软件即可对实验设备进行更换,方便又高效。

4.3教学方式独特,学习兴趣增强?,教学质量效果显著提高

虚拟实践教学采用在计算机上显示相应的图像和交互操作的效果,坐在虚拟现实教室的学生则可同时进行操作三维“虚拟”出来的设备,不受场地限制,甚至在学生寝室也能完成实验,同时通过在计算机上对实验步骤进行反复操作练习,从而提高教学质量。

4.4虚拟教学环境逼真,培养高职院校理工科学生实践动手能力

通过模拟现实世界真实场景,营造一个虚拟的三维实验环境,这个环境要让学生有“身临其境”的感觉。学生可以通过虚拟操作获得直观的亲历体验,从而在获得安全操作方面知识的同时,提高他们在不同的复杂环境下的推理判断和瞬间决策能力。以这种方式获得的经验也会成功的转移到学生现实生活的实践中。

5虚拟实践课堂教学的实施方案

虚拟实践课堂教学的实施方案即开发一款虚拟实践教学平台。该平台可在现有虚拟现实技术基础之上,通过实地调研发现问题,理论探索研究寻找解决方案,跟虚拟软件公司讨论合理利用其在虚拟现实领域的技术和经验寻找开发目标。同时在研发过程中请专家评估、组织鉴定等过程优化技术方案使得研究成果更科学更贴近现实。

6总结

在机械的实践教学中,考虑到实验的“三高特性”,采用计算机技术开发虚拟实践教学平台的方案来完成教学内容。相比传统的实践教学方案,此方案完全可以实施,优势巨大且教学效果显著提高。

作者:徐兵


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