虛擬焊接在高職教學中的應用

冷小冰 劉鵬遠 蔡丹萍 吳丹 陳增標 林俊宇 張巍

去年我國粗鋼產量為8.317億噸，占全球粗鋼產量43.1%，產量世界排行第一。焊接是鋼鐵的栽縫，但是我國“栽縫師傅”出現(xiàn)嚴重短缺。當前，高職教育已經占全國高等教育的半壁江山，高職中開設焊接學校近80所，畢業(yè)生工資水平也高，但大部分人皆不會主動選擇此專業(yè)。焊接新生大多是因為高考后分數(shù)不理想，不得已才進這專業(yè)；學生入學始就對此專業(yè)的學習積極性不高， 對專業(yè)認識不透。

1.“情景”教學融入虛擬焊接教學

傳統(tǒng)的焊接教學：理論加實踐的教育模式，其模式難以適應現(xiàn)代青年的“三觀”需求（世界觀，人生觀，價值觀），高職學生對焊接這類“艱苦專業(yè)”的學習缺乏興趣，理論學習深感乏味，實踐教學流于形式，從而導致焊接畢業(yè)生動手能力差、適應能力差、專業(yè)對口率差。將現(xiàn)代的虛擬焊接仿真技術應用于傳統(tǒng)的焊接教學，對改進焊接技術人才培養(yǎng)、彌補焊接適應人才短缺有著非常重要的意義。虛擬焊接教學不失為一種有效改進手段。

1.1情境教學加虛擬電焊教學：情境教學是教師在教學中依據專業(yè)特征，設置生動學科環(huán)境，激發(fā)學生的情感，幫助學生理解教材的教學方法。目前，情境教學在高職教學中得到較為廣泛應用。若將虛擬焊接設備引入焊接實訓教學，利用現(xiàn)代計算機仿真的虛擬場景進行教學，使焊接理論教學和實踐教學有機結合；通過焊接理論與“虛擬焊接情景”對接，使學生達到技能和知識的高度融合，增強學生沉浸感和體驗感的同時，提供學生對焊接學習的興趣。

1.2傳統(tǒng)焊接教學：目前，高職院校焊接教學大多是：課堂上理論講解，PPT上施焊；在基礎課和相關專業(yè)基礎課講解完成后，才進行焊接實訓，理論與實踐相背離，致使理論教學過于枯燥，學生興趣不高，教師疲勞不堪，教學效果不佳。加之，學生入學前，大多數(shù)對所學焊接專業(yè)一無所知， 甚至對“焊接人”的未來不抱任何希望， 迷茫已經成為高職焊接學生的一個普遍心態(tài)。高職學生普遍存在：厭倦理論學習，鐘愛動手實操，社團組織生動活潑，電商兼職樂此不疲。導致許多焊接專業(yè)難以為繼。故許多高職院校將焊接改為激光、金屬檢測技術專業(yè)，有的改叫鋼結構制造專業(yè)，可現(xiàn)實是焊接專業(yè)招生仍然不理想。

2.焊接技術的虛擬要點

2.1虛擬焊接：在不需要真實焊機的情況下，利用現(xiàn)代計算機仿真技術，在焊接實訓中模擬焊接全過程的一種仿真方法。它一般采用虛擬現(xiàn)實、分布式仿真、微機測控、聲音模擬等技術，以及計算機圖像實時生成技術，模擬焊接的真實過程，其視覺和手感與真實的手工電焊十分接近，并實時生成虛擬焊接接頭。

2.2焊條電弧焊三個基本動作的仿真：焊條電弧焊是一項對工藝要求很高的工作，實操實訓重點是“起弧和運條及收弧”，三者必須反復訓練方得要領?！捌鸹　辈捎貌羷澐ê团鰮舴?；“運條”一般由焊條三個動作組成，即 Z軸送進、Y軸橫向擺動、X軸焊縫縱向移動；“收弧”有劃圈收弧、反復斷弧收弧、回焊收弧等。將三者進行虛擬仿真，其軟件開發(fā)有一定難度，市場上已有焊接仿真產品，其真實感和體驗感基本可以滿足焊接實訓的教學要求。

3.簡介三種虛擬焊接教學設備

目前，在我國虛擬焊接教學設備的市場上，主要有如下三種相對成熟的產品：

3.1福尼斯虛擬仿真手工焊機和機器人：珠海市福尼斯焊接技術有限公司大約于六年前，引進奧地利的技術，其性能：操作者可進入一個由計算機生成的交互式虛擬焊接的三維環(huán)境中，且可與之產生互動交流；通過參與者與虛擬仿真環(huán)境的相互作用，幫助啟發(fā)參與者的思維，以全方位地獲取虛擬焊接所蘊涵的各種空間信息和焊接工藝信息。

3.2WD系仿真電焊機：北京黎明視景科技開發(fā)有限公司三年前出品了WD系列虛擬焊接綜合仿真實訓系統(tǒng)，由教師機和學員端組成，且有焊接操作實訓與考核平臺。其系統(tǒng)能夠模擬二氧化碳保護焊、手工焊條電弧焊、氬弧焊三種焊機類型。

3.3焊接仿真訓練模擬器 ：徐州碩博電子科技有限公司近兩年推出，在焊接演練中，學員能夠看到焊接電弧以及焊液從生成、流動到冷卻的過程，同時聽到相應的焊接音效；可適用于多種焊接類型，可以模擬多種不同的焊機，包括：二氧化碳保護焊、焊條電弧焊、TIG氬弧焊等。具有訓練及考核功能，能夠方便地進行課程組織和焊接任務設置，實時記錄學員操作信息，測評效果真實，可反復訓練，其焊接仿真性能最全面。

4.虛擬焊接教學的應用

實踐虛擬焊接教學，首先，跨專業(yè)組織師生成立“虛擬焊接工作室”，可由焊接專業(yè)牽頭，計算機專業(yè)輔助。其次，通過校企合作，送師生到虛擬焊接設備研發(fā)單位實習，取得初步體驗；在師生反映良好的基礎上，再與虛擬焊接開發(fā)者密切合作，校方輸出焊接技術和工藝數(shù)據之后，再與合作方爭取虛擬焊接設備的試用或租賃權。

在這教學做一體化的過程中，通過虛擬焊接實訓，大一學生增加了對焊接的感性認識，大二、大三學生基本可以把部分焊接理論應用到實踐中，并與實際產品的生產有機結合，動手能力和綜合素質得到明顯的提高。虛擬焊接教學初步克服了學生理論與實踐脫節(jié)的現(xiàn)象，提高了學習積極性，改善了專業(yè)認知度，增強了焊接操作能力。

存在的問題：開展虛擬焊接教學，對教師的任教水平提出了更高的要求；虛擬焊接設備價格較高，其仿真的真實性和體驗感有發(fā)展的空間，其配套軟硬件還需在實踐中完善。如果能將創(chuàng)新能力、工匠精神、奉獻精神等的培養(yǎng)融入仿真軟硬件之中，其效果也許更好。

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