PE管焊接虛擬仿真在教學中的應用

李源+吳曉南+姚正學+尹邦鵬+宋志祥+陳鑫+武玉雙

[摘 要]目前社會各型企業(yè)對高等技術(shù)應用型人才的需求日漸增加， PE管焊接教學急需改革。為此西南石油大學將PE焊接教學與虛擬仿真兩項技術(shù)相結(jié)合，從虛擬仿真技術(shù)多感知性、交互性以及構(gòu)想性等方面的主要特征出發(fā)，研發(fā)出PE焊接仿真教學實訓系統(tǒng)。 現(xiàn)已將該系統(tǒng)應用于管道焊接教學中，文章重點介紹了工藝流程、主要設備、操作流程及技能培訓4部分，教學內(nèi)容呈現(xiàn)出多樣化、生動化、形象化的特點。

[關(guān)鍵詞]PE管焊接；教育；虛擬仿真技術(shù)；PE管焊接教學虛擬仿真；

中圖分類號：TN0-4 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）25-0234-02

PE是指聚乙烯塑料，是基礎(chǔ)的一種塑料制品，塑料袋和保鮮膜等都是PE材料，PE管具有優(yōu)良的耐大多數(shù)生活和工業(yè)用化學品的特性，所用范圍非常廣，一般可用于PE燃氣管道、PE給水管道和PE排污管道等，對于焊接技術(shù)，國家有關(guān)部門專門為此設立焊接工技術(shù)考試，設置專門的技術(shù)證明，可見國家對這項技術(shù)的重視及認可，不少高校將焊接技術(shù)列入工科學生的認識實習當中，讓學生接觸焊接技術(shù)，從大學開始培養(yǎng)學生的焊接技術(shù)，培養(yǎng)能從事燃氣和居民用水的輸送、存運等同時具備多種高素質(zhì)技能型人才。

一、虛擬仿真與PE管焊接教學結(jié)合的必要性

關(guān)于國家教育部發(fā)布的《教育部2016年工作要點》內(nèi)容第10點“優(yōu)化高校人才培養(yǎng)機制”提及加強國家建設虛擬仿真實驗中心，《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》內(nèi)容提及教育信息化改革的具體措施及發(fā)展規(guī)劃，著重強調(diào)了關(guān)于增強開發(fā)虛擬仿真實訓教學軟件、虛擬仿真實訓實驗系統(tǒng)以及建立虛擬仿真實訓基地的力度。

虛擬仿真技術(shù)是由計算機系統(tǒng)創(chuàng)建的一種令人感到身臨其境及獲得與環(huán)境交互體驗的虛擬世界。營造一個三維的教學環(huán)境，提高學生掌握知識、技能的效率，真正使教學者更容易地去表達自己的教學思想和教學內(nèi)容，具體表現(xiàn)為如下：（1）在教學模式方面，有利于情境創(chuàng)設和大量知識的獲取與保持；（2）在教學手段方面，以一種直接的信息傳遞方式，提供直觀形象的思維材料；（3）在教學內(nèi)容方面，用文字、語音和三位實景虛擬現(xiàn)實過程協(xié)同描述。 因此，虛擬仿真技術(shù)作為一項前瞻的科學技術(shù)，是繼多媒體、計算機網(wǎng)絡之后，在教育領(lǐng)域最具有應用前景的“明星技術(shù)”。

目前的焊接教學內(nèi)容，主要為多媒體視頻播放及PPT的講解，但并沒有讓學生有一種身臨其境的體會，錯誤的操作，失誤的操作時常發(fā)生，學生的焊接技術(shù)并沒有質(zhì)的提升，因此，為有效培養(yǎng)出高等技術(shù)應用型專業(yè)人才，提供學生的焊接技術(shù)，西南石油大學率先開發(fā)出PE管焊接實訓系統(tǒng)，應用于焊接技術(shù)教學，并獲得了很好的教學效果。

二、虛擬仿真技術(shù)的應用

1.虛擬仿真技術(shù)

虛擬仿真即虛擬現(xiàn)實技術(shù)或模擬技術(shù)，就是用一個虛擬的系統(tǒng)模仿另一個真實系統(tǒng)。其虛擬系統(tǒng)由計算機產(chǎn)生，而使用者可“進入”到該環(huán)境中，有身臨其境之感，并可借助視覺、聽覺及觸覺等多種傳感通道與虛擬世界進行自然的交互。虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）有其四個特性：（1）沉浸性（Immersion）：使用者能有視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、運動感覺等多種感知，應該具有能夠給人所有感知信息的功能。（2）交互性（Interaction）：即不僅環(huán)境能夠作用于人，人也可以對環(huán)境進行控制，并且人是以近乎自然的行為（自身的語言、肢體的動作等）進行控制的，而虛擬環(huán)境還能夠?qū)θ说牟僮骰匾詫崟r的反應。 （3）虛幻性（Imagination）：系統(tǒng)中的環(huán)境是虛幻的，是模擬出來的。既可以模擬客觀世界中以前存在過的或是現(xiàn)在真實存在的環(huán)境，也可模擬出當前并不存在的但將來可能出現(xiàn)的環(huán)境，或僅屬于人們幻想的環(huán)境。（4）逼真性（reality）：虛擬仿真系統(tǒng)的逼真性表現(xiàn)在兩個方面：一方面，給人的各種感覺與所模擬的客觀世界非常相像，就如真實世界一樣；另一方面，當人以自然的行為作用于虛擬環(huán)境時，環(huán)境做出的反應也符合客觀世界的有關(guān)規(guī)律。

2.PE管焊接仿真實訓系統(tǒng)的應用

（1）工藝流程

根據(jù)焊接方法的不同，設置了電熔焊接和熱熔焊接不同的工藝流程。在應用之前，先讓學生首先大致了解PE管及各種設備的大概信息，和不同的焊接有哪些步驟。例如電源電壓的范圍，機架管材的放置，銑刀夾具的開啟取下等。其后就是針對各個小步驟的工藝，如各種信息的錄入，壓力的記錄等進行更為詳細的講解。

仿真系統(tǒng)的操作中，通過點擊鼠標實現(xiàn)設備的開啟，夾取，信息的錄入情況等。教師可設置不同的工藝流程參數(shù)，準確地模擬出現(xiàn)場不同的管材設備。如此，那么在老師授課輕松便捷的同時，學生不僅會輕松掌握一般PE管焊接的相關(guān)操作步驟，更會全面的讓學生處理各種不同條件狀況下的實際情況。

（2）仿真軟件的互動性

1.用軟件進行操作時，在相應的單元內(nèi)通過鼠標、鍵盤等輸入相應的型號及參數(shù)后，會在場景內(nèi)自動生成管件模型，用鼠標點擊可以進行拖動，繼續(xù)下一步操作。例如在進行PE管的選用時，直接在相應菜單輸入管徑、材料和壁厚等參數(shù)就可以在場景內(nèi)直接生成相應的管道。

2.同時在場景內(nèi)，當鼠標懸停在設備上時，可顯示設備參數(shù)、工作狀態(tài)等信息。例如在進行加熱管材的過程中，可以把鼠標懸停在PE管上，查看管道的參數(shù)，也可以懸停在泵站上查看壓力等數(shù)據(jù)。

3.操作進行的過程中，使用者可以得到部件及機器的工作狀態(tài)的視覺動畫和音頻信息的反饋。例如在打開銑刀之后，銑刀部件將會旋轉(zhuǎn)，開啟信息直接反饋給使用者，達到良好的培訓效果。

4.當進行軟件操作之時，如果出現(xiàn)錯誤、不當?shù)牟僮鲿r，那么便會在界面彈出錯誤信息提示框，會提示具體錯誤情況，并給予相應的規(guī)范提示，且在錯誤之處的相關(guān)部件或者信息參數(shù)以高亮等明顯顏色顯示，讓操作者不僅能夠明白自己哪些地方錯誤，還能知道規(guī)范以及如何改正。例如，半自動熱熔焊接時，加熱板在加熱后，要進行需要等待一定的時間的吸熱，軟件會有相關(guān)的提示；如果忽視提示，直接取下加熱板，那么便會進行相關(guān)預警，提示時間不足和會造成的后果，給出正確做法，加強操作者的意識。

5.本系統(tǒng)采用了一人一號登錄的方法，當每個學員在實際使用中出現(xiàn)操作錯誤時，系統(tǒng)不僅能夠給出提醒，以便學員能夠發(fā)現(xiàn)自己的錯誤，還能自動記錄下該學員發(fā)生錯誤的步驟，隨著學員使用本系統(tǒng)的次數(shù)增加，會自動為該學員生成一個易錯點數(shù)據(jù)庫，在該學員碎片化時間的訓練中，可以針對這些易錯點進行單獨的訓練。使訓練更加有針對性。該數(shù)據(jù)庫還會自動匿名上傳使用該培訓機構(gòu)的服務器，隨著學員樣本的增多，逐漸會形成有代表性的易錯點數(shù)據(jù)庫，使學員知道PE管焊接過程中的易錯點，更有針對性的練習。

（3）主要設備

進入PE管仿真實訓系統(tǒng)，點擊主要設備菜單，學習人員可以看到各種焊接設備的簡介、內(nèi)部結(jié)構(gòu)詳解以及工作原理模擬。通過全方位無死角瀏覽各個單體設備結(jié)構(gòu)以及詳細學習設備工作原理，提高了學習人員對設備構(gòu)造、工作原理的認知度，為學習人員將來實際操作工藝設備奠定了扎實的理論基礎(chǔ)。

（4）操作流程

PE管焊接技術(shù)雖然現(xiàn)在有專門的人員培訓機制，但是存在培訓流程不完善，參與性、安全性較差，效率低，對管材損耗較大，培訓成本較高等問題，學習人員實際操作效果不夠理想。針對這些難題，培訓方可以利用PE管仿真實訓系統(tǒng)中的各工藝單元操作流程進行具體的講解。

（5）技能培訓

PE管焊接技能培訓包括理論培訓與實踐培訓，理論培訓可用實際教學班的形式進行，并在PE管焊接虛擬仿真軟件中添加題庫和成績評判模塊，以便學員進行PE管焊接理論的自我檢測。

實踐操作能力的提高是PE管焊接人才技能培訓的主題，應重點突出操作技能的培訓，加大實踐性教學環(huán)節(jié)的比重，堅持理論與虛擬操作實踐的結(jié)合，促進PE管焊接技能人才在虛擬實踐操作中不斷增長知識，提升能力。虛擬仿真系統(tǒng)教學可以徹底打破時空限制，對學員學習中可能出現(xiàn)的各種問題進行虛擬仿真，可直接觀察到這種焊接問題在以后的使用中產(chǎn)生的后果。在技能培訓方面，它不僅更加形象生動，使學員更容易理解學習的內(nèi)容，更能夠直接獲取技能操作方面的實踐經(jīng)驗，提升技能操作的熟練程度。而且針對PE管焊接技能訓練，由于訓練的特殊性，在實踐操作訓練中，當學員的操作不當，會導致焊接的直接失敗，沒有挽回的余地。焊接失敗的管段不能繼續(xù)用于焊接，使技能培訓成本大大增加。使用虛擬仿真系統(tǒng)對PE管焊接進行培訓，能節(jié)省訓練的開支和成本。

在虛擬焊接系統(tǒng)中，應該考慮訓練產(chǎn)生的結(jié)果以及教學的效果，這套系統(tǒng)能提供真實的虛擬訓練的情景，校正學員錯誤等功能，真正做到“干什么、學什么、缺什么、補什么；弱什么、強什么”，確保PE管焊接虛擬培訓系統(tǒng)達到最好的效果。

三、結(jié)語與展望

為達到安全實訓的目的，培養(yǎng)出符合焊接要求的技術(shù)性專業(yè)人才，提高學習就業(yè)競爭力，將虛擬仿真技術(shù)應用到實際課堂教學已成為高校教學改革必不可少的重要部分。對推動焊接教學來說，PE管焊接仿真實訓系統(tǒng)的開發(fā)，有以下幾點重要意義：

（1）改變了傳統(tǒng)焊接技術(shù)教學培訓的教學模式，提高了學生焊接技術(shù)學習的效率，大大提高了學生的學習興趣。

（2）將“二維”的學習環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

“三維”的學習環(huán)境，學生通過瀏覽三維虛擬場景、模擬操作公益流程以及考核學習成果，學生能較快的熟悉PE管焊接的現(xiàn)場環(huán)境、設備、安全規(guī)范及相關(guān)操作，降低了高校實訓成本，避免了操作風險。

因此，在PE管焊接的教學中引入虛擬仿真技術(shù)，進一步完成完全互動型PE管焊接仿真教學系統(tǒng)的研發(fā)，對焊接教學的培訓具有深遠意義。進一步形成一套先進性、實用性、教學性、科學性于一體的全方位PE管焊接仿真教學系統(tǒng)，是一個長期的目標，具有及其深遠的意義。

參考文獻

[1] 吳曉南.虛擬仿真在城市燃氣教學中的應用與實踐[J].石油教育， 2013，（5）：44-48.

[2] 胡衛(wèi)紅.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育教學中的應用和研究[J].山東省青年管理干部學院學報，2007，（6）：139-140.

[3] 李敏，韓豐.虛擬現(xiàn)實技術(shù)綜述[J].軟件導刊，2010，9 （6）：142-144.

[4] 李志文，韓曉玲.虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展[J].信息技術(shù)與信息化，2005，（3）：94-96.

[5] 徐艷.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育教學中的應用研究[J].中園科技信息，2008，（7）：235-236.

[6] 劉剛，周芳，李磊等.虛擬現(xiàn)實在煉化設備操作培訓中的應用研究[J].廣東石油化工學院學報，2012，22（3）：53-56.

[7] 任榮亭，吳義維.油氣集輸仿真工藝流程教學設備設計[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2012，25（4）：130-131.

[8] 周建軍.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學教育中的應用[J].醫(yī)學教育探索，2010，9（12）：1634-1636.