虛擬仿真技術(shù)在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

靳紀(jì)軍 李雪琴 劉冬冬 郭衛(wèi)萍 馬少華

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)逐漸地進(jìn)入人們的生活，在大部分領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。近年來(lái)，虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)過(guò)程中也得到了廣泛應(yīng)用。教師通過(guò)虛擬仿真教學(xué)可以讓抽象的物體變得具體，讓模擬場(chǎng)景出現(xiàn)在課堂，減少對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的依賴。比較高危險(xiǎn)的實(shí)習(xí)也可以通過(guò)模擬場(chǎng)景來(lái)完成。本著高效、具體、便捷、安全的優(yōu)點(diǎn)，本文對(duì)虛擬仿真技術(shù)在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù);實(shí)訓(xùn)教學(xué);應(yīng)用研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）23-0141-02

我校有很多課程都需要理論和實(shí)踐交叉學(xué)習(xí)，但是修井作為一門(mén)交叉學(xué)科，即使教師講授了很多高質(zhì)量的理論知識(shí)，由于學(xué)生缺少修井的實(shí)踐操作環(huán)節(jié)，對(duì)學(xué)生日后的綜合能力發(fā)展是極其不利的。類(lèi)似修井學(xué)科的實(shí)踐需要去到有油田、有井的地方，而且現(xiàn)場(chǎng)操作存在一定的安全隱患。而通過(guò)虛擬仿真教學(xué)技術(shù)可以演示運(yùn)行一些復(fù)雜的過(guò)程，學(xué)生在學(xué)校里面就可以親身的感受生產(chǎn)一線的場(chǎng)景氛圍，完成與現(xiàn)場(chǎng)一致的各種實(shí)踐訓(xùn)練。通過(guò)虛擬技術(shù)教學(xué)，學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)在校內(nèi)便捷高效的學(xué)習(xí)，對(duì)理論的理解也可以更加深刻，還能避免一些危險(xiǎn)操作。虛擬仿真教學(xué)對(duì)于學(xué)生的創(chuàng)新能力和理解能力的提高也具有一定的促進(jìn)作用。虛擬技術(shù)在教學(xué)中的使用可以幫助節(jié)省教學(xué)實(shí)踐空間，節(jié)省教學(xué)經(jīng)歷和金錢(qián)，對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)模式也有一定的打擊。下文對(duì)虛擬仿真技術(shù)在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

1 加強(qiáng)3D教學(xué)技術(shù)的研究

修井學(xué)科需要運(yùn)用到很多的工具，例如，檢測(cè)工具、打撈工具、刀具型切割工具、倒扣工具、套管刮削補(bǔ)接類(lèi)工具、鉆孔類(lèi)工具等等。傳統(tǒng)課堂教師都是直接拿取實(shí)物工具或者模型給學(xué)生直觀的觀察并講解工具的使用和結(jié)構(gòu)。但是修井的大部分工具由于拆除難度大等問(wèn)題很難帶到課堂給學(xué)生觀察，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和使用方式通過(guò)PPT也比較難讓學(xué)生理解。通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，工具的結(jié)構(gòu)和使用方法就可以很直觀地表達(dá)出來(lái)，解決了工具無(wú)法帶入教學(xué)課堂的問(wèn)題，提升教學(xué)的質(zhì)量和效率。因此，相關(guān)人員應(yīng)該多加強(qiáng)3D教學(xué)技術(shù)的研究，可以通過(guò)開(kāi)發(fā)三維動(dòng)畫(huà)滿足教學(xué)的要求。3D動(dòng)畫(huà)的內(nèi)容應(yīng)該包括工具的結(jié)構(gòu)、使用原理、安裝等講解。為了保持工具的逼真程度，3D技術(shù)的工具三維模型應(yīng)該按照工具進(jìn)行1：1的建模，讓工具更加的逼真，太大太小都不符合實(shí)訓(xùn)的標(biāo)準(zhǔn)。在講解工具的時(shí)候，注意字體的配備、擺放位置，必要時(shí)候應(yīng)該根據(jù)圖文配備相關(guān)的解說(shuō)詞。講解工具的時(shí)候應(yīng)該使用標(biāo)準(zhǔn)的普通話，確保課堂的標(biāo)準(zhǔn)性。為了視頻的清晰，視頻的輸出采用mp4或者avi格式[1]。虛擬仿真技術(shù)要想在教學(xué)中得到精確完美的運(yùn)用，必須要加強(qiáng)3D教學(xué)技術(shù)的研究，讓場(chǎng)景更加的逼真，學(xué)生能夠融入逼真的場(chǎng)景當(dāng)中。

2 學(xué)生分組合作，教師輔助學(xué)習(xí)

大學(xué)的學(xué)習(xí)講究的是學(xué)生的自主性。在采用虛擬技術(shù)進(jìn)行修井學(xué)科的學(xué)習(xí)時(shí)，教師需要幫助學(xué)生發(fā)揮他們的自主學(xué)習(xí)性，培養(yǎng)他們的自覺(jué)自律能力。不能再采用傳統(tǒng)的教師講課-學(xué)生聽(tīng)的模式，這種模式的學(xué)習(xí)已經(jīng)不再適用于目前現(xiàn)代化教育的發(fā)展。教師可以采用學(xué)生分組學(xué)習(xí)法，讓學(xué)生在組里面自學(xué)討論。教師再對(duì)學(xué)生自學(xué)的不全面的地方進(jìn)行詳細(xì)的講解，發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)和工具利用的最大效果。例如，教師可以提前把教學(xué)的內(nèi)容和教學(xué)的重點(diǎn)告訴學(xué)生，讓學(xué)生在小組里面自主討論自主學(xué)習(xí)。在學(xué)生自主學(xué)習(xí)的過(guò)程中給他們配備相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)，可以每個(gè)小組講解1～3個(gè)工具的使用方法、原理等，其他小組可以對(duì)講解小組存在不足的地方進(jìn)行補(bǔ)充。教師在聽(tīng)小組講解以后，針對(duì)小組講解得不全面的地方繼續(xù)進(jìn)行補(bǔ)充。這樣的學(xué)習(xí)方式可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，明確學(xué)生的主體地位。由于是學(xué)生自主討論學(xué)習(xí)的結(jié)果，學(xué)生也會(huì)對(duì)工具有更深一步的理解。這也需要學(xué)生掌握部分仿真虛擬技術(shù)的信息，在講解的時(shí)候可以把虛擬仿真技術(shù)運(yùn)用到學(xué)習(xí)中來(lái)?？傊谔摂M仿真教學(xué)技術(shù)中教師要確保學(xué)生的主體地位，并起到輔助的作用。

3 設(shè)計(jì)相關(guān)阻礙，引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新思考

在學(xué)生掌握了相關(guān)工具的使用和原理以后，教師可以利用仿真模擬技術(shù)設(shè)計(jì)一些在施工過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題，讓學(xué)生自主思考，運(yùn)用創(chuàng)新思維去解決問(wèn)題[2]。根據(jù)具體的學(xué)習(xí)情況來(lái)創(chuàng)設(shè)情境，例如，可以設(shè)計(jì)震擊工具掉進(jìn)井內(nèi)，讓學(xué)生操作仿真設(shè)備將其打撈上來(lái)。學(xué)生在分好的小組內(nèi)進(jìn)行討論，想出解決方案并記錄下來(lái)。在學(xué)生日后的學(xué)習(xí)中，有故障和突發(fā)事故，教師可以通過(guò)設(shè)計(jì)障礙，可以鍛煉學(xué)生的應(yīng)變能力，發(fā)散學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新能力。如果不設(shè)置阻礙的話，學(xué)生只會(huì)按部就班的根據(jù)教師講述的知識(shí)進(jìn)行運(yùn)用，導(dǎo)致發(fā)生意外的時(shí)候找不到相應(yīng)的解決方法。在課堂上，教師需要加強(qiáng)學(xué)生的討論，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，活躍課堂的氛圍。

4 加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)訓(xùn)能力

學(xué)生分成小組，小組內(nèi)討論出相關(guān)的工具類(lèi)型并設(shè)計(jì)出來(lái)。教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行工具的設(shè)計(jì)，并對(duì)工具進(jìn)行進(jìn)一步的加工。利用虛擬仿真技術(shù)和模型設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際操作，驗(yàn)證工具是否具有作用。學(xué)生在這個(gè)過(guò)程中也可以鍛煉創(chuàng)新思維和動(dòng)手能力。根據(jù)虛擬仿真技術(shù)的情景性，建立虛擬的采油，修井的場(chǎng)景，展示修井或者采油的逼真場(chǎng)景內(nèi)容，讓學(xué)生有身臨其境的感覺(jué)。教師在實(shí)訓(xùn)的階段，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)輔助學(xué)生學(xué)習(xí)，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的指導(dǎo)以及與學(xué)生多加溝通交流。學(xué)生在虛擬仿真技術(shù)中可以調(diào)控空間的場(chǎng)景，使用工具的大小、材料等，加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)訓(xùn)能力。教師根據(jù)學(xué)生在實(shí)訓(xùn)中的表現(xiàn)，找到他們不足的地方，并及時(shí)對(duì)學(xué)生的錯(cuò)誤進(jìn)行糾正和指導(dǎo)。

5 加強(qiáng)虛擬仿真技術(shù)的設(shè)備開(kāi)發(fā)

為了讓學(xué)生能夠在虛擬仿真技術(shù)中體驗(yàn)到現(xiàn)場(chǎng)逼真的情境，那么仿真虛擬技術(shù)的開(kāi)發(fā)必須要滿足人類(lèi)的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)等感官。因此。虛擬仿真技術(shù)的設(shè)備開(kāi)發(fā)也要嚴(yán)格謹(jǐn)慎。建模設(shè)備需要用到計(jì)算機(jī)和3D掃描儀，學(xué)校還要配備高清逼真的顯示設(shè)備，比如模擬的頭盔、眼睛全方位顯示器、終端和大屏幕的液晶光匣眼鏡，洞穴式顯示系統(tǒng)等，讓學(xué)生可以處于逼真的模擬情境中進(jìn)行學(xué)習(xí)。為了讓學(xué)生的體驗(yàn)更加真實(shí)，還需要運(yùn)用到三維立體聲和語(yǔ)音識(shí)別讓學(xué)生的聽(tīng)覺(jué)也融入模擬的場(chǎng)景當(dāng)中。在實(shí)踐操作的時(shí)候，需要用到交互設(shè)備，比如數(shù)據(jù)手套、力矩球、操作桿、觸覺(jué)裝置等。讓學(xué)生可以全身心的投入仿真虛擬技術(shù)當(dāng)中，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)學(xué)科的學(xué)習(xí)[3]。

相關(guān)的軟件技術(shù)對(duì)于虛擬仿真教學(xué)也十分的重要。學(xué)校還需要設(shè)置虛擬仿真教學(xué)管理系統(tǒng)，教師和學(xué)生可以通過(guò)在線教育隨時(shí)進(jìn)行交流。虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)只有學(xué)校的教師和學(xué)生可以登入使用，需要設(shè)置一定的權(quán)限和密碼。保護(hù)教師和學(xué)生的個(gè)人信息、學(xué)校的資料、教學(xué)資源等。教師和學(xué)生通過(guò)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)還可以完善翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)，方便高效又快捷。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)識(shí)圖和構(gòu)造軟件也需要得到完善。需要把二維圖紙和三維模型融合在一起，對(duì)相關(guān)的場(chǎng)景，工具等細(xì)節(jié)進(jìn)行展示，學(xué)生可以在三維圖像中對(duì)抽象的理論有更好的理解，教師的教學(xué)也會(huì)更加的輕松高效。除此之外，虛擬仿真教學(xué)模式還需要相關(guān)的繪圖軟件，例如Autocad、3Dmax、Sketchup、Photoshop等設(shè)計(jì)軟件。

Solodworks是一款三維的設(shè)計(jì)軟件，它不僅功能強(qiáng)大而且組件類(lèi)型多，對(duì)于新手也很適用，技術(shù)也符合現(xiàn)代教學(xué)的發(fā)展。其可以使用全動(dòng)感的用戶界面，動(dòng)態(tài)界面十分的完整，并且可以通過(guò)鼠標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)單的控制，方便教師教學(xué)使用。教師或者管理員可以簡(jiǎn)單高效的管理整個(gè)界面的設(shè)計(jì)和使用步驟，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和參數(shù)也可以得到使用。對(duì)于CAD文件可以方便地管理，給教學(xué)資源準(zhǔn)備強(qiáng)大的貯存空間。而且在教學(xué)的過(guò)程中，教師可以把二維的設(shè)計(jì)圖轉(zhuǎn)變成三維的實(shí)體設(shè)計(jì)，方便教師的教學(xué)工作。教師根據(jù)自己教學(xué)的學(xué)科，找到相關(guān)的虛擬仿真技術(shù)來(lái)適應(yīng)自己的課程教學(xué)內(nèi)容，加強(qiáng)仿真技術(shù)設(shè)備的開(kāi)發(fā)[4]。

6 虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬仿真技術(shù)的實(shí)訓(xùn)要根據(jù)專(zhuān)業(yè)的特性來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，在教學(xué)的時(shí)候確保虛擬仿真的交互性和實(shí)訓(xùn)性。教師通過(guò)虛擬仿真技術(shù)來(lái)講解教材的內(nèi)容，學(xué)生可以更好地明白教材上的理論。學(xué)生通過(guò)實(shí)訓(xùn)來(lái)完成相關(guān)的操作內(nèi)容，因此，虛擬仿真技術(shù)融合教學(xué)必須具備延續(xù)性、實(shí)用性和高效性，使虛擬仿真模擬技術(shù)可以用于石油類(lèi)學(xué)科的實(shí)訓(xùn)。教師可以把教學(xué)的實(shí)訓(xùn)變成游戲，讓學(xué)生在游戲通關(guān)中學(xué)到實(shí)訓(xùn)的知識(shí)。例如，教師可以先對(duì)學(xué)生講解實(shí)訓(xùn)操作的步驟和要求，學(xué)生需要通過(guò)闖關(guān)和比賽的方式進(jìn)行通關(guān)。通過(guò)仿真虛擬技術(shù)，在學(xué)中玩，在玩中學(xué)以便更好地提高學(xué)習(xí)的效果?？梢苑殖蓛蓚€(gè)學(xué)生進(jìn)行比賽，虛擬仿真系統(tǒng)對(duì)學(xué)生每次的通關(guān)實(shí)訓(xùn)進(jìn)行打分，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的分?jǐn)?shù)才能進(jìn)入下一關(guān)的學(xué)習(xí)。最后，學(xué)生通關(guān)的整體成績(jī)通過(guò)仿真虛擬系統(tǒng)顯示出來(lái)。教師通過(guò)系統(tǒng)分析出來(lái)的分?jǐn)?shù)對(duì)學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，解決學(xué)生在通關(guān)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。同學(xué)的工具使用是否正確，身姿是否標(biāo)準(zhǔn)，步驟有沒(méi)有出錯(cuò)等問(wèn)題，教師要詳細(xì)地告訴學(xué)生，避免學(xué)生再次出錯(cuò)。學(xué)生也可以反應(yīng)在仿真虛擬通關(guān)的過(guò)程中，系統(tǒng)的不足和弊端，教師可以及時(shí)的進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)，滿足學(xué)生的要求，提高虛擬仿真的效果[5]。即便現(xiàn)在的PPT和flash教學(xué)已經(jīng)融入了很多教學(xué)的課堂，但是這些設(shè)備給出來(lái)的圖形都是二維的，比較單一，難以進(jìn)行全方位的觀察。虛擬仿真系統(tǒng)可以根據(jù)相關(guān)的課程，設(shè)置圖畫(huà)的基本信息、軸測(cè)圖、透視圖、剖析面等。還可以把物體進(jìn)行隨意的拆分和疊加。虛擬仿真系統(tǒng)中的模型界面可以相互的轉(zhuǎn)換，提高學(xué)生對(duì)抽象圖形的理解能力和空間思維能力。

7 加強(qiáng)虛擬仿真技術(shù)的交互性

一個(gè)完整的虛擬仿真系統(tǒng)需要應(yīng)用開(kāi)發(fā)的平臺(tái)，包括硬件開(kāi)發(fā)和軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。圖像的生成處理和應(yīng)用對(duì)象的虛擬顯示需要硬件和軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。例如VRP虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)并直接面向三維美工[6]。不僅可以用在城市規(guī)劃、室內(nèi)設(shè)計(jì)、工業(yè)仿真、古跡復(fù)原、道路橋梁設(shè)計(jì)，還可以利用在房地產(chǎn)銷(xiāo)售、旅游教學(xué)、石油挖掘、水利電力和地質(zhì)災(zāi)害方面。無(wú)論是哪一個(gè)學(xué)科或者專(zhuān)業(yè)的教學(xué)都可以采用VRP來(lái)加強(qiáng)交互實(shí)踐教學(xué)。虛擬仿真教學(xué)的目的除了增進(jìn)課堂的質(zhì)量以外，還為了避免某些高校的設(shè)備不足的缺失，學(xué)生可以通過(guò)仿真虛擬技術(shù)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)。利用仿真虛擬技術(shù)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)的話，教師和學(xué)生可以在實(shí)訓(xùn)的過(guò)程或者課后討論課程問(wèn)題和操作性問(wèn)題，高效快捷。通過(guò)新型的學(xué)習(xí)，提高學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的興趣，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維，確定學(xué)生的主體地位。

8 結(jié)束語(yǔ)

科學(xué)技術(shù)和社會(huì)不斷地進(jìn)步，虛擬仿真技術(shù)的使用也逐漸地融入人們的生活當(dāng)中。教育也需要跟進(jìn)時(shí)代的步伐，在教學(xué)中融入虛擬仿真技術(shù)對(duì)教學(xué)效果和質(zhì)量有很大的幫助，它可以解決很多傳統(tǒng)教學(xué)模式的問(wèn)題。本文從加強(qiáng)3D技術(shù)的研究和探討、學(xué)生分組教師輔助、設(shè)計(jì)阻礙引導(dǎo)學(xué)生思考、加強(qiáng)學(xué)生實(shí)訓(xùn)能力、加強(qiáng)虛擬仿真技術(shù)設(shè)備的開(kāi)發(fā)、虛擬仿真在教學(xué)中的應(yīng)用、加強(qiáng)虛擬仿真技術(shù)的交互性這幾個(gè)方面進(jìn)行探討。虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的使用，加強(qiáng)了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的安全性，讓學(xué)生可以在課堂直接體驗(yàn)逼真的場(chǎng)景。并且在一定程度上鍛煉學(xué)生的思維能力，創(chuàng)新能力。在教學(xué)中融入虛擬技術(shù)是一種教學(xué)的進(jìn)步，其滿足社會(huì)發(fā)展的需求。但是模擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的發(fā)展還存在些許不足，需要專(zhuān)業(yè)人員繼續(xù)在研究的路上下工夫，促進(jìn)教學(xué)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郝翠霞，葉暉.工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程的虛擬仿真教學(xué)研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018，35（6）：144-146.

[2] 楊中興.虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].遼寧高職學(xué)報(bào)，2018，20（2）：40-43.

[3] 向?qū)D，陳亮.電站虛擬仿真技術(shù)在高職實(shí)踐性教學(xué)中的應(yīng)用[J].集成電路應(yīng)用，2019（5）：91-92.

[4] 劉冬冬，馬建民，曲本全，等.采油實(shí)訓(xùn)教學(xué)中仿真技術(shù)的改革與創(chuàng)新[J].課程教育研究，2019（1）：241.

[5] 楊柳.虛擬仿真技術(shù)在4G技術(shù)課程教學(xué)應(yīng)用中的實(shí)踐與探索[J].數(shù)碼世界，2018（6）：322.

[6] 馬國(guó)光，何金蓬.虛擬仿真在LNG技術(shù)卓越人才培養(yǎng)中的應(yīng)用與實(shí)踐[J].教育現(xiàn)代化，2018，5（1）：185-188.

【通聯(lián)編輯：李雅琪】