典型機(jī)械工程安全事故虛擬仿真系統(tǒng)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

朱書慧　李連豪　袁志華　劉婉茹

【摘 要】針對(duì)典型機(jī)械工程安全事故虛擬仿真系統(tǒng)在實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用過程中存在的問題，本文從與課堂知識(shí)點(diǎn)結(jié)合、教學(xué)方法、操作步驟和考核方法等方面展開討論。結(jié)果對(duì)合理使用典型機(jī)械工程安全事故虛擬仿真系統(tǒng)和豐富《工程力學(xué)》實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)場(chǎng)景具有指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】工程安全事故;虛擬仿真;實(shí)踐教學(xué);應(yīng)用

中圖分類號(hào)： TU714文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）28-0058-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.28.022

【Abstract】Aiming at the problem that in the application of virtual simulation system for typical safety accidents in mechanical engineering in practical teaching， the combination of classroom knowledge， teaching methods， operating procedures and assessment methods were discussed in this thesis. The results have guiding significance for rational use of virtual simulation system of typical safety accidents in mechanical engineering and enriching the scene of practical teaching of Engineering Mechanics.

【Key words】Engineering safety accidents; Virtual simulation; Practical teaching; Application

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，諸多生產(chǎn)事故頻現(xiàn)，因此在時(shí)代的大背景下，避免事故發(fā)生和安全生產(chǎn)等意識(shí)逐漸深入人心。諸多生產(chǎn)事故多屬于機(jī)械工程事故工程力學(xué)范疇。如何避免機(jī)械工程事故需要從頭抓起，也就是說，需要從機(jī)械工程的的設(shè)計(jì)者初始就需要增強(qiáng)安全意識(shí)，避免事故發(fā)生。

就其基礎(chǔ)學(xué)科《工程力學(xué)》而言，典型機(jī)械工程安全事故，如架橋機(jī)工作過程可能出現(xiàn)的事故，是工程力學(xué)全部知識(shí)點(diǎn)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)的再現(xiàn)，具有典型的代表性。

在《工程力學(xué)》實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，典型機(jī)械工程安全事故很難現(xiàn)場(chǎng)再現(xiàn)?；诖祟悊栴}，結(jié)合信息技術(shù)[1]，以架橋機(jī)為例，開發(fā)出一款典型機(jī)械工程安全事故虛擬仿真系統(tǒng)[2-3]，其能夠直觀地再現(xiàn)架橋機(jī)在使用過程可能出現(xiàn)的安全事故。

在《工程力學(xué)》實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，如何合理地使用上述系統(tǒng)[4]，例如如何結(jié)合課堂知識(shí)點(diǎn)、如何操作以及考核成為一個(gè)亟待解決的問題。

基于以上問題，本文討論了典型機(jī)械工程安全事故虛擬仿真系統(tǒng)在實(shí)踐教學(xué)過程中的應(yīng)用。本文對(duì)合理使用虛擬仿真系統(tǒng)具有指導(dǎo)意義。

1 典型機(jī)械工程安全事故虛擬仿真系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)通過虛擬仿真技術(shù)再現(xiàn)架橋機(jī)工作過程可能出現(xiàn)的事故為出發(fā)點(diǎn)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)工程實(shí)踐教育的不足，提高機(jī)械工程本科生創(chuàng)新、動(dòng)手能力。其主要由VR圖形工作站;頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔;六自由度操控手柄等硬件和知識(shí)模塊及網(wǎng)絡(luò)條件等軟件組成。

2 面向?qū)W生及專業(yè)基礎(chǔ)

本系統(tǒng)主要面向農(nóng)業(yè)工程相關(guān)專業(yè)、機(jī)械工程相關(guān)專業(yè)和交通工程相關(guān)專業(yè)的三四年級(jí)工科本科生及研究生。要求學(xué)生學(xué)習(xí)完大二所有課程和相關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)課程。掌握力學(xué)和機(jī)械原理相關(guān)知識(shí)，掌握力學(xué)分析基本要求以及機(jī)械原理等基礎(chǔ)知識(shí)。專業(yè)實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生學(xué)習(xí)完至少相關(guān)的三門專業(yè)課程。掌握基本力學(xué)和機(jī)械原理的相關(guān)知識(shí)。熟悉典型機(jī)械的結(jié)構(gòu)與原理，掌握基本操作以及軟件使用方法。

3 基本應(yīng)用

3.1 課堂知識(shí)點(diǎn)結(jié)合

（1）架橋機(jī)的結(jié)構(gòu)認(rèn)知，真實(shí)再現(xiàn)架橋機(jī)的結(jié)構(gòu)。（2）架橋機(jī)的拆解，可將架橋機(jī)主要零部件逐一拆解，零件包括：電機(jī)，減速器，卷筒機(jī)構(gòu)，繩索導(dǎo)向器，制動(dòng)器，行走機(jī)構(gòu)，橫向機(jī)構(gòu)，天車，架橋機(jī)機(jī)臂，吊梁。（3）架橋機(jī)主要部件的工作原理。（4）架橋機(jī)動(dòng)力分析。運(yùn)動(dòng)形式分析，畫出運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。根據(jù)梁片的重量分析計(jì)算電機(jī)的功率。（5）拉伸強(qiáng)度校核。鋼絲繩拉力分析，根據(jù)梁片的重量分析鋼絲繩的拉力，鋼絲繩的強(qiáng)度校核。（6）彎曲強(qiáng)度校核，天車的受力分析，畫出天車梁的力學(xué)簡(jiǎn)圖，根據(jù)梁片的重量分析天車橫梁的受力，天車橫梁的強(qiáng)度校核。（7）扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核，卷筒軸的受力分析，卷筒軸的力學(xué)簡(jiǎn)圖，根據(jù)梁片的重量分析卷筒軸的受力，卷筒軸的強(qiáng)度校核。（8）架橋機(jī)運(yùn)行準(zhǔn)備工作。（9）架橋機(jī)工作過程安全管理。（10）事故原因分析，扁擔(dān)體受力簡(jiǎn)圖，強(qiáng)度計(jì)算。

3.2 教學(xué)方法

采用引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、虛擬實(shí)訓(xùn)并展開的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，目的使學(xué)生在整個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程中能夠獲得直觀、真實(shí)的實(shí)驗(yàn)效果。學(xué)生在模擬實(shí)驗(yàn)操作過程中進(jìn)行知識(shí)學(xué)習(xí)和設(shè)備操作，既可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解和實(shí)訓(xùn)操作的技能，又可以培養(yǎng)學(xué)生自我訓(xùn)練及創(chuàng)新意識(shí)，是傳統(tǒng)教學(xué)無法比擬的。

虛擬實(shí)訓(xùn)包含理論學(xué)習(xí)和虛擬實(shí)驗(yàn)操作2部分。其中，理論學(xué)習(xí)部分包括結(jié)構(gòu)認(rèn)知、原理文檔、動(dòng)畫演示等，保證學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中可以隨時(shí)查看與之相關(guān)的理論資料，檢查自己對(duì)相關(guān)內(nèi)容的掌握程度;虛擬實(shí)驗(yàn)以沉浸式人機(jī)交互的形式讓學(xué)生在虛擬的環(huán)境和實(shí)驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行操作，包括學(xué)習(xí)模式和考核。在學(xué)習(xí)模式下系統(tǒng)提供文字、3D高亮、邏輯約束等標(biāo)識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)過程。在考核模式下，系統(tǒng)關(guān)閉提示和引導(dǎo)信息，并加入計(jì)時(shí)計(jì)分功能，從而檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

通過沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)操作、理論學(xué)習(xí)等方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容的全覆蓋，通過理論學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)實(shí)操的有機(jī)結(jié)合，達(dá)到了豐富課程資源、提高教學(xué)質(zhì)量的效果。

3.3 操作方法與步驟

（1）參照架橋機(jī)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的操作說明書，掌握該系統(tǒng)的基本操作與相關(guān)功能，以及每個(gè)模塊功能的操作步驟以及要求。

（2）學(xué)生通過對(duì)架橋機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)，了解與掌握架橋機(jī)的組成結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)、功能原理等知識(shí)。

（3）學(xué)生通過對(duì)架橋機(jī)的拆裝，掌握架橋機(jī)的正確拆卸步驟與規(guī)范。

（4）學(xué)生通過對(duì)工作原理和動(dòng)力分析的學(xué)習(xí)，掌握架橋機(jī)的基本工作原理，了解基本運(yùn)動(dòng)形式分析，畫出運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。根據(jù)梁片的重量分析計(jì)算電機(jī)的功率。

（5）了解與掌握強(qiáng)度校核，掌握鋼絲繩拉力分析、天車的受力分析和卷筒軸的受力分析方法和校核。

（6）學(xué)生通過對(duì)架橋機(jī)作業(yè)前準(zhǔn)備學(xué)習(xí)，掌握在作業(yè)前應(yīng)該做好的準(zhǔn)備工作，如農(nóng)用架橋機(jī)機(jī)體折疊結(jié)構(gòu)快裝快拆和構(gòu)建安裝和調(diào)試等。

（7）學(xué)生通過對(duì)架橋機(jī)事故原因分析的學(xué)習(xí)，了解與掌握扁擔(dān)體受力簡(jiǎn)圖和強(qiáng)度計(jì)算等內(nèi)容。

具體交互性操作步驟如表1所示。

3.4 考核要求

系統(tǒng)主要對(duì)學(xué)生的理論掌握程度、架橋機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、動(dòng)力及強(qiáng)度分析、典型事故分析實(shí)訓(xùn)的操作等方面進(jìn)行考核。針對(duì)不同模塊進(jìn)行不同的考核方式，具體如下：

（1）力學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)：力學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)的考核范圍涵蓋基本理論、動(dòng)力分析和強(qiáng)度校核方法等。主要以選擇題的形式對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核。每次進(jìn)入該部分的考核系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)隨機(jī)生成5-10道選擇題供學(xué)生進(jìn)行考核，系統(tǒng)以自動(dòng)判斷的方式對(duì)學(xué)生回答的正確性進(jìn)行判斷和記錄，并在學(xué)生回答完畢之后，系統(tǒng)會(huì)給出最終反饋，反饋內(nèi)容包括學(xué)生的答題時(shí)間、正確答案等內(nèi)容。

（2）架橋機(jī)基礎(chǔ)理論

架橋機(jī)基礎(chǔ)理論的考核范圍涵蓋架橋機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理以及拆裝?？己朔绞揭赃x擇題及實(shí)訓(xùn)相結(jié)合，系統(tǒng)以自動(dòng)判斷的方式對(duì)學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)過程的正確性進(jìn)行判斷和記錄，并在學(xué)生回答完畢之后，系統(tǒng)會(huì)給出最終反饋，反饋內(nèi)容包括學(xué)生的答題時(shí)間、正確答案等內(nèi)容。

（3）事故分析實(shí)訓(xùn)

事故分析實(shí)訓(xùn)考核是模擬作業(yè)實(shí)訓(xùn)操作，學(xué)生在沒有任何提示的情況下進(jìn)行操作，系統(tǒng)會(huì)采用過程記錄、自動(dòng)判斷、計(jì)分、計(jì)時(shí)等方式對(duì)學(xué)生的操作過程的正確性、熟練性和知識(shí)掌握的完整性進(jìn)行考核。

4 結(jié)束語

虛擬仿真技術(shù)能夠再現(xiàn)在《工程力學(xué)》豐富的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，為工科本科生和研究生提供多樣的現(xiàn)場(chǎng)和互動(dòng)。實(shí)踐證實(shí)，通過系統(tǒng)的互動(dòng)，能夠明顯的增強(qiáng)教學(xué)效果。但系統(tǒng)與全方位的機(jī)械工程安全教育尚需進(jìn)一步開發(fā)和豐富。隨著機(jī)械工程安全教育場(chǎng)景的不斷優(yōu)化，虛擬仿真技術(shù)必將為優(yōu)化《工程力學(xué)》教學(xué)過程和教學(xué)改革發(fā)揮重要作用。

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