装卸搬运机械课程虚拟实训平台的建设与应用

吴卫刚　赵秋园　于海　孙晓明

摘 要 装卸搬运机械结构复杂，采用传统教学方式，学生在掌握结构原理方面存在较大困难，同时实训教学中存在实训设备数量不足，产品落后，安全隐患等问题，而采用虚拟实训平台可解决以上问题，课堂教学中可以更加直观地观察系统的内部结构、工作原理，实训环节则可以保证每人一台设备，具有产品更新换代快捷经济，有效保证人身安全等优点。根据教学要求和实践技能要求，设计开发了“装卸搬运机械虚拟实训系统”。实践证明，虚拟实训系统在教学改革方面具有很高的实用价值和推广价值。

关键词 装卸搬运机械 三维建模 虚拟实训

中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.03.022

Construction and Application of Virtual Training Platform

for "Loading and Handling Machinery" Course

WU Weigang[1]， ZHAO Qiuyuan[1]， YU Hai[2]， SUN Xiaoming[2]

（[1] Qingdao Harbour Vocational & Technical College， Qingdao， Shandong 266404；

[2] Qingdao Qianwan United Container Terminal Co.， Ltd， Qingdao， Shandong 266510）

Abstract The structure of loading， unloading and transporting machines is complex， and traditional teaching methods are used. Students have great difficulties in mastering the structural principles. At the same time， there are problems such as insufficient number of training equipment， backward products， and hidden safety problems in practical training. The virtual training platform can solve problems. The above problems can be observed in the classroom teaching more intuitive internal structure of the system， the working principle， practical training can guarantee one device per person， with product replacement and quick and economical， effective guarantee of personal safety and other advantages. According to the teaching requirements and practical skills requirements， the "Virtual Loading and Unloading Machine Training System" was designed and developed. Practice has proved that the virtual training system has high practical value and promotion value in teaching reform.

Keywords loading and unloading machinery； 3D modeling； virtual training

1 裝卸搬运机械课程引入虚拟实训平台的必要性

装卸搬运机械是港口机械应用技术专业以及港口物流设备与自动控制专业的一门重要的专业核心课程。该课程重点是对前期所学基础课程的深化理解，以物流行业的主流机械叉车、装载机、牵引车为典型对象，重点讲解装卸搬运机械各系统总成的结构特点、工作原理，让学生掌握装卸搬运机械维修、保养、调整的方法，在正式上岗前具有一定的故障诊断和故障排除的能力。该课程采用理实一体的教学方法，课堂上学理论，车间里练实践，教学情景与实际工作的一致性较高，但也存在局限性。

（1）理论学习方面，授课内容主要依靠幻灯片、照片、视频等，表现手法单一，系统内部结构难以观察和讲解等不足，因此，授课中传统多媒体加视频的教学手段很难达到让学生掌握所学专业知识的目的。

（2）实训设备数量难以满足需求。学校在实训室的硬件建设和资金投入做了大量工作，但招生规模扩大，实训条件达不到实际需求。实训设备的数量与参训学生数量不匹配，价格昂贵的专业设备更是数量不足，实训的效果大打折扣。[1]

（3）实训设备的设施落后。由于设备更新换代的成本高，学校实训设备未能及时更新，与企业技术发展不同步。学生在学校使用的实训设备对于企业来说已经是淘汰产品，学生通过实训所掌握的一些技能在企业也就无法应用，存在学与做的严重脱节现象。如果能将企业实际应用的主力机型设备引入实训环节中，将专业课程中主要内容以三维建模的方式在课件中再现，同时重视设备维修保养技能的培养和维修保养技能的仿真训练，有利于学生学好专业课程，有利于为企业培养合格的技术维修人才。

（4）实训设备的维护成本高。学生对实训设备不熟悉，操作不熟练，实训设备在拆装过程中易出现个别部件损坏，而学校又缺少足够的师资力量去进行维修保养，导致实训设备的完整性下降，实训效果不佳。

（5）实训过程存在安全隐患。很多实训设备的部件非常沉重，拆装过程当中容易因操作失误造成实训设备的损坏和人身意外伤害。

虚拟实训平台通过将三维仿真技术、多媒体技术和网络通信技术等进行集成，将该平台引入到装卸搬运机械课程的教学当中有以下优点：

（1）理论教学的课件素材更加丰富，展示结构和原理更加直观逼真，便于教师的讲解和学生的理解；（2）实训过程可以提供足够的工位，每人一台计算机就可以让学生得到充分的训练；（3）虚拟设备的技术升级经济快捷；（4）实训成本降低。虚拟实训避免了零部件的损耗，不必投入大量的师资进行维修保养。实训场地可从车间移到教室，且不同课程可共用一个虚拟实训教室，实现场地资源共享；（5）安全得到保证，学生在实训过程中不會对设备造成损坏，更不会因失误造成人身伤害。[2]

2 装卸搬运机械课程对虚拟实训平台的功能要求

装卸搬运机械课程需要老师展示机械设备的内部结构，工作原理，演示拆装过程，机构调整的方法等，因此，需要实训平台具有以下功能：

（1）机械部件的结构展示。虚拟设备以真实设备为蓝本，经过测绘，进行三维建模，可展示设备的内部构造，具有缩放、旋转、透视、爆炸、剖切等功能；（2）各个部件可显示名称，重要部件需要显示其作用；（3）动画观摩演示功能。可演示设备的动作原理，以及设备的标准拆装流程；（4）交互式的拆装功能。能够设立工作情境，根据故障现象判断故障点的位置，可以对拆装工具进行选择和组装，具有拆装顺序的规则设置，可对拆装过程进行回放等功能；（5）考核功能。能够进行拆装过程的考核，包括工具的选择、拆装顺序，旋转方向，更换配件的型号选择等重要节点进行记录和考核；（6）调取配件手册和维修手册的功能。让学生根据手册的指导，自主完成设备的拆装和零件的选型。

3 装卸搬运机械虚拟实训平台的构建

目前市场上虚拟建模的软件很多，如PROE，UG，CAD， SOLIDWORKS，其研究对象所关注的重点也不相同，一些教育研究机构也应用这些软件编写制作了一些三维模型乃至虚拟实训平台，但其研究对象都是一些常见的设备或部件，针对装卸搬运机械的三维模型可谓凤毛麟角。

为解决在装卸搬运机械教学中存在的问题，我们采取强强联合手段，与烟台邵阳公司和维修中心共同合作，以装卸搬运机械的实物为原型，利用SOLIDWORKS软件进行三维建模，建成装卸搬运机械类教学资源实训平台，可以完成装载机、叉车这两种特种设备底盘内部结构、工作原理的演示、主要物理结构的运动仿真，液压系统全景动画展示、设备维修、保养工作的互动式虚拟实训。使老师在授课过程中，实现所讲解设备的360度全方位立体观察，实现360度交互式立体教学（见表1）。

4 虚拟实训平台在教学当中的应用

虚拟实训平台建设完成后，对课堂教学和实训教学都有较大的促进作用。[3]

（1）课堂教学上，借助虚拟实训平台，讲解机械结构、工作原理，教师边讲边演示设备的组成和原理，使学生从枯燥、难懂的理论学习中解放出来。如图1。

（2）标准实操演示。将标准实操演示过程制作成视频，学生可反复观看，教师重点讲解拆装工艺、注意事项。（下转第64页）（上接第46页）

（3）教师巡回指导。学生在模拟实操的过程当中，教师巡回指导，对操作的难点和错误进行指导。

（4）考核评价。根据学生模拟实操的过程和成绩，找出操作重点和难点进行讲解，纠正不规范的操作和错误。

5 注意事项及改进方向

（1）构建合理的虚拟实训平台。以培养学生的职业技能为目标，深入企业进行充分的调研，设定合适的学习情境，规划好虚拟实训平台的开发内容，使实训教学和企业需求深度对接。

（2）虚拟实训不能够完全替代实操训练。虚拟实训平台是新生事物，符合当代大学生的兴趣需求，在一定程度上激发学生的学习兴趣，但它不能够完全替代真实的实训。虚拟实训，所有的拆装、调整都是程序设计好的，是一种有序、规范、理想化的假设，但在实际动手操作过程中会遇到各种情况，所以虚拟实训的训练效果始终不如真实的动手实操。由于在虚拟实训中不会出现安全问题，容易让学生养成违反操作规程的习惯。因此要将虚拟实训和动手实操有机结合，取长补短，达到最优的实训效果。

（3）横向联合，各展所长。虚拟实训平台的开发有一定的难度，需要投入的时间和精力都是巨大的，所以要发挥校企合作的优势，让有经验和资源的专业软件公司负责系统的开发，教师则负责提供方案和脚本，这样可以使得虚拟实训平台的制作质量和教学重点得到双重保证，使虚拟实训平台得到更好的推广。

本文系青岛港湾职业技术学院校级教研课题项目（课题编号：GW2016B15）的研究成果

参考文献

[1] 周建钊，王斌，胡成贺，刘波.虚拟现实技术在机械课程教学中的应用[J].机械管理开发，2011（3）：177-183.

[2] 张晓东，徐盛学，李龙根.数控技术2+1教学改革模式的实践与探索[J].广东白云学院学报，2007（6）：10-13.

[3] 郭娟，于欣.虚拟现实技术对高等职业教育实践教学的促进作用[J].河北科技师范学院学报，2008.22（4）：74-76.