新工科背景下虛擬焊接實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

陳 宇，肖逸鋒，錢錦文

（湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院焊接機(jī)器人及應(yīng)用技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭411105）

0 前言

新工科是在新科技革命、新產(chǎn)業(yè)革命、新經(jīng)濟(jì)背景下工程教育改革的重大戰(zhàn)略選擇。緊緊圍繞工程教育改革的新理念、新途徑、新要求、新模式、新方法全面開展。其內(nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對(duì)變化、塑造未來(lái)為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才[1-2]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論連接實(shí)際應(yīng)用的橋梁，是提高學(xué)生創(chuàng)新思維與能力的關(guān)鍵，在新工科背景下進(jìn)一步推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，是對(duì)工程教育新要求、人才培養(yǎng)新目標(biāo)的探索，有助于提高學(xué)生在工程嚴(yán)謹(jǐn)性、跨學(xué)科與系統(tǒng)思維、主動(dòng)性等方面的綜合素質(zhì)[1-3]。

然而，新工科背景下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革不是坐等之事。例如焊接專業(yè)是實(shí)踐性非常強(qiáng)的專業(yè)，但實(shí)驗(yàn)室普遍存在以下問(wèn)題[4-6]：（1）實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備的數(shù)量有限、設(shè)備類型單一，無(wú)法滿足大量學(xué)生同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的需求；（2）先進(jìn)焊接實(shí)驗(yàn)設(shè)備前期投入和后期維修成本高；（3）實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新緩慢，實(shí)驗(yàn)設(shè)備通常落后于當(dāng)前行業(yè)新技術(shù)；（4）一些特殊焊接實(shí)驗(yàn)不能進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)教學(xué)則存在高風(fēng)險(xiǎn)、高成本、高能耗、高價(jià)值的“四高”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[7]，而虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)室相互補(bǔ)充，能夠做到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)是基于原型專業(yè)知識(shí)體系，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtua1 Reality，VR）在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境[8]。實(shí)驗(yàn)者通過(guò)計(jì)算機(jī)界面進(jìn)行操作控制，可以像置身在真實(shí)場(chǎng)景中進(jìn)行各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)全過(guò)程。低端的虛擬實(shí)驗(yàn)主要實(shí)現(xiàn)樹狀知識(shí)的結(jié)構(gòu)，高層如AR技術(shù)則可實(shí)現(xiàn)浸入式交互作用，沉浸感更強(qiáng)。目前，虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于很多學(xué)科的教學(xué)實(shí)踐中，可以作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要方向[9-11]。

1 新工科背景下虛擬焊接實(shí)驗(yàn)教學(xué)整體規(guī)劃

1.1 搭建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

根據(jù)新工科新的人才培養(yǎng)目標(biāo),基于“以學(xué)生為中心，成果導(dǎo)向教育”的理念，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，開發(fā)出兼具“虛擬體驗(yàn)式、多向互動(dòng)式和主動(dòng)參與式”為特點(diǎn)的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，并將豐富實(shí)用的焊接專業(yè)理論知識(shí)和操作技能融合到生動(dòng)有趣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中，以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)激情，提高學(xué)生的實(shí)際操作水平，鞏固專業(yè)教學(xué)成果，提高教學(xué)質(zhì)量，最終克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的諸多局限性（如效果差、環(huán)境惡劣、安全隱患大、成本高、難理解）。

1.2 探索虛擬焊接實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

設(shè)計(jì)“虛實(shí)結(jié)合、以虛補(bǔ)實(shí)、能實(shí)不虛”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。通過(guò)重點(diǎn)建設(shè)虛擬焊接實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式方法和教學(xué)評(píng)價(jià)體系，構(gòu)建切合湘潭大學(xué)焊接專業(yè)學(xué)生的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

2 新工科背景下虛擬焊接實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施方案

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)與制定

首先，進(jìn)行虛擬焊接實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)。依據(jù)新的人才培養(yǎng)方案、專業(yè)課程內(nèi)容及現(xiàn)有虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)資源，制定適宜的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容；其次，開展焊接虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)，根據(jù)已制定的虛擬焊接實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)步驟、教學(xué)方式方法、實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)等核心要點(diǎn)，提煉合理的虛擬焊接實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程體系，確保的設(shè)計(jì)科學(xué)性；最后，進(jìn)行虛擬焊接實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)踐，根據(jù)制定的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，在湘潭大學(xué)焊接專業(yè)學(xué)生中開展虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，并綜合性分析實(shí)踐效果，將分析結(jié)果響應(yīng)到之后的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，循序漸進(jìn)，獲得完善的教學(xué)模式。虛擬焊接實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖1所示。

圖1 虛擬焊接實(shí)驗(yàn)操作流程

2.2 虛擬焊接實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式方法

采用“線上學(xué)習(xí)操作”和“線下演練評(píng)估”相結(jié)合的教學(xué)方式。一方面使得學(xué)生提前熟悉實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、工藝流程和設(shè)備操作步驟等，儲(chǔ)備實(shí)驗(yàn)所需理論知識(shí)，有效減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備利用率與實(shí)驗(yàn)效果；另一方面，可保證所有小組達(dá)到教學(xué)大綱要求，并熟練掌握相關(guān)操作技能與專業(yè)知識(shí)，鍛煉動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。此外，還采用了回放觀摩、自定義教學(xué)管理和實(shí)時(shí)評(píng)估分析等新型教學(xué)手段來(lái)保證教學(xué)效果。

2.3 虛擬焊接實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)體系

虛擬焊接實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)具有精確量化的考核評(píng)價(jià)系統(tǒng)。針對(duì)不同年級(jí)、不同水平的學(xué)生制定了一系列虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃，并設(shè)置具有針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)考核標(biāo)準(zhǔn)；利用傳感設(shè)備對(duì)學(xué)生的虛擬焊接實(shí)驗(yàn)進(jìn)行精確細(xì)致的量化，交互屏上實(shí)時(shí)顯示焊接全過(guò)程，精準(zhǔn)評(píng)測(cè)焊縫的焊接效果和質(zhì)量，出具總體評(píng)價(jià)是否達(dá)標(biāo)報(bào)告，對(duì)學(xué)生的操作錯(cuò)誤及過(guò)程穩(wěn)定性等提出有效的改進(jìn)措施，以加強(qiáng)學(xué)生的操作水平與經(jīng)驗(yàn)積累，同時(shí)有利于教師評(píng)價(jià)，提高虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量。

3 新工科背景下虛擬焊接實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革成效

本教學(xué)改革以“學(xué)生自身需求和體驗(yàn)”為基本出發(fā)點(diǎn)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)技術(shù)等一系列技術(shù)，開發(fā)出一套生動(dòng)有趣的教學(xué)課程，根據(jù)不同焊接方法確定了3項(xiàng)焊接虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：a.CO2氣體保護(hù)焊虛擬焊接實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；b.焊條電弧焊虛擬焊接實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；c.TIG焊虛擬焊接實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。細(xì)分每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，共設(shè)計(jì)出10項(xiàng)固定實(shí)驗(yàn)任務(wù)以及自主設(shè)計(jì)項(xiàng)目：CO2氣體保護(hù)焊碳鋼焊接虛擬實(shí)驗(yàn)、CO2氣體保護(hù)焊鋁板焊接虛擬實(shí)驗(yàn)、CO2氣體保護(hù)焊不銹鋼焊接虛擬實(shí)驗(yàn)、CO2氣體保護(hù)焊自主設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)、焊條電弧焊碳鋼V型坡口平焊焊接虛擬實(shí)驗(yàn)、焊條電弧焊碳鋼I型坡口平焊焊接虛擬實(shí)驗(yàn)、焊條電弧焊自主設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)、TIG焊鋁板焊接虛擬實(shí)驗(yàn)、TIG氬弧焊不銹鋼焊接虛擬實(shí)驗(yàn)、TIG焊自主設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)了以“虛實(shí)結(jié)合、寓教于樂(lè)、積極自主”為特色的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。此外，還節(jié)約了實(shí)驗(yàn)耗材成本，確保了學(xué)生的安全與健康。

同時(shí)本教學(xué)改革項(xiàng)目獲批了教育部2018年度國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目《典型焊接工藝方法實(shí)踐與分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》。學(xué)生利用平臺(tái)參加在甘肅蘭州理工大學(xué)舉辦的第四屆全國(guó)大學(xué)生焊接創(chuàng)新大賽獲得了一項(xiàng)一等獎(jiǎng)，三項(xiàng)二等獎(jiǎng)的佳績(jī)。

4 結(jié)論

湘潭大學(xué)機(jī)械學(xué)院在新工科背景下，堅(jiān)持以學(xué)生興趣體驗(yàn)為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，針對(duì)傳統(tǒng)焊接實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)成本高昂、難以復(fù)現(xiàn)認(rèn)知、環(huán)境惡劣等諸多局限性，引進(jìn)虛擬仿真技術(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式方法和教學(xué)評(píng)價(jià)體系等方面進(jìn)行探索。實(shí)踐表明，通過(guò)有層次地建立“體系完整、嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)、形象逼真、寓教于樂(lè)、虛實(shí)結(jié)合、開放共享”的虛擬焊接實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，并開發(fā)出相應(yīng)的虛擬焊接實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系，最終形成了可行的虛擬焊接實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，有助于提高教學(xué)效果。