虚拟仿真技术在工程训练中的应用

杨雁冰

摘 要 随着时代的发展，工程建设在现代化的建设中扮演着越来越重要的角色。为保证工程质量，除了提高设备质量外，施工教学的质量同样有待提高。传统工程训练教学受到诸如时间、空间的限制，教学质量不能保证。如今。虚拟仿真技术在工程训练中的应用，帮助解决了很多难题，锻炼学习者操作能力之外，保证了教学效果。本文对虚拟技术在工程训练中的应用做了详细探讨。

关键词 虚拟仿真技术 工程训练 应用

中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.03.014

Application of Virtual Simulation Technology in Engineering Training

YANG Yanbing

（College of telecommunications， Wuhan Polytechnic， Wuhan， Hubei 430074）

Abstract With the development of the times， engineering construction plays a more and more important role in the modern construction. In order to guarantee the quality of the project， besides improving the quality of the equipment， the quality of the construction teaching needs to be improved. The traditional engineering training teaching is restricted by time and space， and the quality of teaching cannot be guaranteed. Now， the application of virtual simulation technology in engineering training helps to solve a lot of problems， and to exercise the ability of the learners to ensure the teaching effect. In this paper， the application of virtual technology in engineering training is discussed in detail.

Keywords virtual simulation technology， engineering training； application

虛拟仿真技术区别于传统的实践教学，对仪器设备等硬件条件要求较低，甚至不需要现场指导教师，因而损耗低。而应用于工程训练中，更是避免了现场实践教学带来的危险性。加之，传统的实践教学往往受到时间、地点等各方面的限制，为达到教学质量，无论是学校还是教师、学生都需要投入大量精力。从而制约了学生全方位的发展。而虚拟仿真技术应用到工程训练中后，打破了这种局限性，能够充分提高学校教学质量。而且，这种先进技术的应用可以让每一个学生都能接触到工程训练中的最新技术，打破了因资金等问题带来的制约，充分提高了教学成果的应用。因此，在工程训练中应用虚拟技术是一项较为创新的尝试，一方面是教学的创新，一方面是技术应用的创新，对提高学生的学习效果大有裨益。

1 虚拟仿真实训系统的功能与组成

1.1 虚拟仿真实训系统的功能

虚拟仿真实训系统，是将虚拟技术与实践工程训练相结合，为学生提供一个自助学习的平台。平台不受时间、空间的限制，让学习者一方面可以像传统教学一样学习工程训练的实践操作，另一方面完善传统教学较为薄弱的环节。例如操作过程中，系统可以针对学习者的操作进行测评，而系统的教师可以随时为学习者提供指导，并定时维护虚拟仿真实训系统。

1.2 虚拟仿真实训系统的组成

虚拟仿真实训平台区别于我们传统的计算机平台，其系统包括服务器、教师客户机、学生客户机及网络数据库组成。服务器是整个系统的中心，连接教师客户机与学生客户机，进行教师、学生的身份验证以及信息传递。教师通过教师客户机，对学生的实训项目、模拟操作进行实时指导，并根据学生的操作给出技能测评，以便有针对性地对每一个学生的薄弱项目进行指导教学。另外，实训平台可以进行信息存储，所以学生以及教师均不受空间限制，只要登录平台，就可以进行模拟操作，教师也可远程指导。

2 虚拟仿真技术优势

（1）不受硬件设施，如仪器设备的数量以及型号等限制，很多学校空间小，设备少，学生实践操作必须排队，学习的大部分时间花费在了等待上。另外，不受空间限制，学生只要登陆平台即可进行模拟操作，教师可进行远程指导。给了教师、学生更多的时间自由，让他们可以有充分的时间进行其他方面知识的学习。

（2）规避传统实践教学中的危险。传统教学中，为了让学生能够切实掌握工程操作，往往会选在工程施工地点，这就容易导致意外状况的发生。而虚拟仿真技术的应用，有效规避了这些危险。

（3）减少了实际设备器材的消耗。因为学生进行的是虚拟操作，并不涉及器材的损耗，实际上为学校节省了成本。

（4）自由度大，教学中更容易开展各种探索性实验，给了学生更多的学习自由。

（5）激发学生的学习热情，能够更好的投入到学习中，提高教学质量。

3 虚拟仿真技术在工程训练中的应用

3.1 数控加工虚拟仿真实验

数控加工实训是工程训练的重要部分，而数控加工必须要学生实践操作以及多次练习才能掌握。而传统的数控加工实训，一般收到学校设备少、学生多的制约，一般多是教师现场做操教学，学生靠观看学习，难以保证教学质量。利用虚拟仿真技术模拟数控加工过程，从数控加工的毛坯定义、加工路线到最后的仿真加工，学生每一步都亲身操作，学习扎实，且能提高教学质量。

虚拟仿真技术在数控加工的应用，能保证一人一机，学习质量得到保证。另外，数控加工对操作者的技术要求很高，而虚拟仿真技术的使用可以保证学生足够的练习量，同时不受地点空间限制，虚拟平台记录学生操作情况，教师随时给出指导，能够在保证教学效果的同时减少了对设备、器械的损耗。

3.2 机械设备虚拟装配与运动仿真

工程训练中，教学方式一般采用现场讲解与实践操作相结合的方式，对工程中的车床、铣床、磨床、刨床等各种机床的基本结构与工作原理给予讲解。发展到后来，在教学中加入了计算机技术，如PPT、3D动画、视频等，让课程的讲解更加直观化，也在一定程度上提高了教学质量。然而以上两种方式，都存在实践教学不足的薄弱项，学生不能直观地了解机床内部构造以及机械运动的全过程。而虚拟仿真技术的应用，很好地解决了这种难题。虚拟仿真技术，采用Pro/E、UG、AutoCAD等软件将各种装备建立三维模型，从而让学生通过虚拟平台学习，工程装备的外观、内部结构、装配及工作过程以3D的效果模式直观的呈现给学习者。这种虚拟仿真技术以一种直观立体的方式，真实的模拟车床等各种设备的运作过程，学习者的操作犹如操作真实机床设备一样。具体的虚拟实验过程如下：（1）三维软件技术与机器设备想结合，在大屏幕上向学习者直观的展示设备的外观、内部构造，设备各个软件的尺寸以适当比例呈现在屏幕上，学习过程更加科学、直观。（2）部件拆装。传统的教学方式，在实践过程中，很少有机会提供给学习者去拆装设备，因为对设备耗损太大。但是虚拟仿真平台实现了这一过程，让学习者更加了解设备的内部构造。（3）操作演示。一人一机，平台记录学习者操作，并进行测评。让学习者操作更加流畅。

3.3 焊接技术虚拟仿真训练

随着经济的发展，汽车业以及其他各种行业的发展，使得焊接技术受到很多学习者的青睐。但是众所周知，传统的焊接技术耗费大量的焊条及工件，并在练习过程中会产生烟尘等污染环境。甚至一些焊接材料在经过高温之后会产生有毒物质，被焊接工吸入之后对身体产生伤害，尤其是学生，在培训过程中可能并没有特别严格的防护措施，更容易受到伤害。而虚拟仿真系统的应用解决了大部分难题：

（1）虚拟仿真技术无需任何焊接材料，节能节电，不污染环境。同时不会产生任何有毒有害物质，保护学习者身体健康。

（2）虚拟仿真平台以三维立体的方式教学，学习者可以从各个角度观察焊接技术的教学过程。同时可以练习多种焊接技术、焊接位置，如平焊、立焊、横焊、仰焊等；

（3）学习者操作过程中，可以同时接收系统的教学指导，操作过程中有任何操作不当，都会得到系统的及时指正，保证了教学效果。

（4）虚拟仿真系统能够记录学习者的整个学习过程，生成测评报告，并有针对性地对学习者的焊接速度、喷嘴高度、焊接角度等各方面进行指导。

（5）教师通过系统平台的教师客户机，灵活设置学生客户机的公差大小及各项参数的分值比重，制定个性化培训计划。

3.4 石油工业技术虚拟仿真训练

石油的工业技术多应用在山区、海洋等的石油开采。石油的特殊性，决定了其在施工作业中可能有高温、高压，甚至不可视等因素存在，因而对操作者的要求很高，而传统的教学很难实践教学。尤其是不能實践演练在操作过程中可能遇到的各种状况，以及应对方法。所以，教学效果受到一定的影响。而虚拟仿真技术的出现解决了以上诸多难题，将仿真技术应用到石油技术工作中。系统模拟石油技术的各个环节，并将在石油开采过程中可能遇到的各种问题，融入虚拟操作中，帮助学习者更好地掌握操作工艺。如今的石油工业技术建成8个虚拟仿真教学板块，并在各个职业教育学校以及国内外几十个油田培训中心广泛应用。下面以井下作业仿真训练模块为例。虚拟仿真技术为了便于教学，让学习者充分了解整个井下作业的操作过程，将井下作业版块分为知识讲解、仿真操作和知识考核三部分。

（1）知识讲解。有关井下作业的知识讲解，虚拟仿真模拟平台在这一教学环节投入研发了多种典型的井下作业工具，并以仿真动画的形式展现出来，并配有图文以及语音解说，形象、真实、生动。讲解内容包含油气井维修、油气改造两大类。油气井维修的讲解内容，除了侧重基础知识、常用工具设备的操作工艺等，还将具体的检泵、试注、堵水、打捞、解卡、套管修复和侧钻等作业与虚拟仿真相结合，以仿真的方式让学习者得到演练。油层改造部分除了基础知识的讲解，也同样将常用的施工设备以及酸化和压裂作业，以动画的形式展现给学习者。

（2）仿真操作。虚拟仿真除了基础知识的讲解，还加入了仿真操作，将井下作业的各个环节、施工设备的使用、施工作业以及井下作业可能遇到的各种状况都做了仿真模拟。学习者可以在教师的指导下，利用平台动手操作。本环节有较好的人机互动功能，可以有效地锻炼学生的动手能力，并将所学的基础知识以实践的方式练习。

（3）知识考核。基础知识讲解、实际操作的基础上，为考查学生对井下作业的掌握程度，以及应对各种突发状况解决问题的能力，系统平台设有知识考核环节。考核包括理论考核以及实操考核。通过学习者的答题状况，检验学习者的学习情况。系统给出的客观评价，可以作为学生学习情况的反应。教师可根据考核情况制定进一步的学习计划。

4 结束语

综上所述，职业技能培训过程，重视对学习者的技能培训，因此实践操作对于工程训练是必不可少的。传统的工程训练学习方式有诸多制约，而虚拟技术的应用打破了时间、空间限制，为学习者提供了更便捷、直观的学习环境，激发学生的学习热情。能够充分保证教学效果，提高学习效率。

基金项目：该论文来源于《电工技能与实训教学仿真系统的研究与开发》课题，项目编号为2016YK037

参考文献

[1] 宋旭.岩土工程勘察中的基础地质技术应用[J].世界有色金属，2016，19：49-50.

[1] 刘振东，李晓东，马建民，曲本全.虚拟仿真技术在工程训练中的应用[J].实验室研究与探索，2017，v.36；No.25303：160-163.

[2] 李翠超，凌芳.虚实结合的虚拟仿真技术在工程训练中的应用[J].实验室科学，2015，v.18；No.8802：128-131.

[3] 刘纪元，陈梅红.虚拟仿真技术在工程施工中的应用[J].建筑技术开发，2007，No.23703：92-93.