李源+吳曉南+姚正學(xué)+尹邦鵬+宋志祥+陳鑫+武玉雙

[摘 要]目前社會(huì)各型企業(yè)對(duì)高等技術(shù)應(yīng)用型人才的需求日漸增加， PE管焊接教學(xué)急需改革。為此西南石油大學(xué)將PE焊接教學(xué)與虛擬仿真兩項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合，從虛擬仿真技術(shù)多感知性、交互性以及構(gòu)想性等方面的主要特征出發(fā)，研發(fā)出PE焊接仿真教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。 現(xiàn)已將該系統(tǒng)應(yīng)用于管道焊接教學(xué)中，文章重點(diǎn)介紹了工藝流程、主要設(shè)備、操作流程及技能培訓(xùn)4部分，教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)出多樣化、生動(dòng)化、形象化的特點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]PE管焊接；教育；虛擬仿真技術(shù)；PE管焊接教學(xué)虛擬仿真；

中圖分類號(hào)：TN0-4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）25-0234-02

PE是指聚乙烯塑料，是基礎(chǔ)的一種塑料制品，塑料袋和保鮮膜等都是PE材料，PE管具有優(yōu)良的耐大多數(shù)生活和工業(yè)用化學(xué)品的特性，所用范圍非常廣，一般可用于PE燃?xì)夤艿?、PE給水管道和PE排污管道等，對(duì)于焊接技術(shù)，國(guó)家有關(guān)部門(mén)專門(mén)為此設(shè)立焊接工技術(shù)考試，設(shè)置專門(mén)的技術(shù)證明，可見(jiàn)國(guó)家對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的重視及認(rèn)可，不少高校將焊接技術(shù)列入工科學(xué)生的認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)當(dāng)中，讓學(xué)生接觸焊接技術(shù)，從大學(xué)開(kāi)始培養(yǎng)學(xué)生的焊接技術(shù)，培養(yǎng)能從事燃?xì)夂途用裼盟妮斔?、存運(yùn)等同時(shí)具備多種高素質(zhì)技能型人才。

一、虛擬仿真與PE管焊接教學(xué)結(jié)合的必要性

關(guān)于國(guó)家教育部發(fā)布的《教育部2016年工作要點(diǎn)》內(nèi)容第10點(diǎn)“優(yōu)化高校人才培養(yǎng)機(jī)制”提及加強(qiáng)國(guó)家建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》內(nèi)容提及教育信息化改革的具體措施及發(fā)展規(guī)劃，著重強(qiáng)調(diào)了關(guān)于增強(qiáng)開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)軟件、虛擬仿真實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以及建立虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地的力度。

虛擬仿真技術(shù)是由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)創(chuàng)建的一種令人感到身臨其境及獲得與環(huán)境交互體驗(yàn)的虛擬世界。營(yíng)造一個(gè)三維的教學(xué)環(huán)境，提高學(xué)生掌握知識(shí)、技能的效率，真正使教學(xué)者更容易地去表達(dá)自己的教學(xué)思想和教學(xué)內(nèi)容，具體表現(xiàn)為如下：（1）在教學(xué)模式方面，有利于情境創(chuàng)設(shè)和大量知識(shí)的獲取與保持；（2）在教學(xué)手段方面，以一種直接的信息傳遞方式，提供直觀形象的思維材料；（3）在教學(xué)內(nèi)容方面，用文字、語(yǔ)音和三位實(shí)景虛擬現(xiàn)實(shí)過(guò)程協(xié)同描述。 因此，虛擬仿真技術(shù)作為一項(xiàng)前瞻的科學(xué)技術(shù)，是繼多媒體、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之后，在教育領(lǐng)域最具有應(yīng)用前景的“明星技術(shù)”。

目前的焊接教學(xué)內(nèi)容，主要為多媒體視頻播放及PPT的講解，但并沒(méi)有讓學(xué)生有一種身臨其境的體會(huì)，錯(cuò)誤的操作，失誤的操作時(shí)常發(fā)生，學(xué)生的焊接技術(shù)并沒(méi)有質(zhì)的提升，因此，為有效培養(yǎng)出高等技術(shù)應(yīng)用型專業(yè)人才，提供學(xué)生的焊接技術(shù)，西南石油大學(xué)率先開(kāi)發(fā)出PE管焊接實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，應(yīng)用于焊接技術(shù)教學(xué)，并獲得了很好的教學(xué)效果。

二、虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用

1.虛擬仿真技術(shù)

虛擬仿真即虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)或模擬技術(shù)，就是用一個(gè)虛擬的系統(tǒng)模仿另一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)。其虛擬系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生，而使用者可“進(jìn)入”到該環(huán)境中，有身臨其境之感，并可借助視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)及觸覺(jué)等多種傳感通道與虛擬世界進(jìn)行自然的交互。虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）有其四個(gè)特性：（1）沉浸性（Immersion）：使用者能有視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)、運(yùn)動(dòng)感覺(jué)等多種感知，應(yīng)該具有能夠給人所有感知信息的功能。（2）交互性（Interaction）：即不僅環(huán)境能夠作用于人，人也可以對(duì)環(huán)境進(jìn)行控制，并且人是以近乎自然的行為（自身的語(yǔ)言、肢體的動(dòng)作等）進(jìn)行控制的，而虛擬環(huán)境還能夠?qū)θ说牟僮骰匾詫?shí)時(shí)的反應(yīng)。 （3）虛幻性（Imagination）：系統(tǒng)中的環(huán)境是虛幻的，是模擬出來(lái)的。既可以模擬客觀世界中以前存在過(guò)的或是現(xiàn)在真實(shí)存在的環(huán)境，也可模擬出當(dāng)前并不存在的但將來(lái)可能出現(xiàn)的環(huán)境，或僅屬于人們幻想的環(huán)境。（4）逼真性（reality）：虛擬仿真系統(tǒng)的逼真性表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，給人的各種感覺(jué)與所模擬的客觀世界非常相像，就如真實(shí)世界一樣；另一方面，當(dāng)人以自然的行為作用于虛擬環(huán)境時(shí)，環(huán)境做出的反應(yīng)也符合客觀世界的有關(guān)規(guī)律。

2.PE管焊接仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用

（1）工藝流程

根據(jù)焊接方法的不同，設(shè)置了電熔焊接和熱熔焊接不同的工藝流程。在應(yīng)用之前，先讓學(xué)生首先大致了解PE管及各種設(shè)備的大概信息，和不同的焊接有哪些步驟。例如電源電壓的范圍，機(jī)架管材的放置，銑刀夾具的開(kāi)啟取下等。其后就是針對(duì)各個(gè)小步驟的工藝，如各種信息的錄入，壓力的記錄等進(jìn)行更為詳細(xì)的講解。

仿真系統(tǒng)的操作中，通過(guò)點(diǎn)擊鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的開(kāi)啟，夾取，信息的錄入情況等。教師可設(shè)置不同的工藝流程參數(shù)，準(zhǔn)確地模擬出現(xiàn)場(chǎng)不同的管材設(shè)備。如此，那么在老師授課輕松便捷的同時(shí)，學(xué)生不僅會(huì)輕松掌握一般PE管焊接的相關(guān)操作步驟，更會(huì)全面的讓學(xué)生處理各種不同條件狀況下的實(shí)際情況。

（2）仿真軟件的互動(dòng)性

1.用軟件進(jìn)行操作時(shí)，在相應(yīng)的單元內(nèi)通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等輸入相應(yīng)的型號(hào)及參數(shù)后，會(huì)在場(chǎng)景內(nèi)自動(dòng)生成管件模型，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊可以進(jìn)行拖動(dòng)，繼續(xù)下一步操作。例如在進(jìn)行PE管的選用時(shí)，直接在相應(yīng)菜單輸入管徑、材料和壁厚等參數(shù)就可以在場(chǎng)景內(nèi)直接生成相應(yīng)的管道。

2.同時(shí)在場(chǎng)景內(nèi)，當(dāng)鼠標(biāo)懸停在設(shè)備上時(shí)，可顯示設(shè)備參數(shù)、工作狀態(tài)等信息。例如在進(jìn)行加熱管材的過(guò)程中，可以把鼠標(biāo)懸停在PE管上，查看管道的參數(shù)，也可以懸停在泵站上查看壓力等數(shù)據(jù)。

3.操作進(jìn)行的過(guò)程中，使用者可以得到部件及機(jī)器的工作狀態(tài)的視覺(jué)動(dòng)畫(huà)和音頻信息的反饋。例如在打開(kāi)銑刀之后，銑刀部件將會(huì)旋轉(zhuǎn)，開(kāi)啟信息直接反饋給使用者，達(dá)到良好的培訓(xùn)效果。

4.當(dāng)進(jìn)行軟件操作之時(shí)，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤、不當(dāng)?shù)牟僮鲿r(shí)，那么便會(huì)在界面彈出錯(cuò)誤信息提示框，會(huì)提示具體錯(cuò)誤情況，并給予相應(yīng)的規(guī)范提示，且在錯(cuò)誤之處的相關(guān)部件或者信息參數(shù)以高亮等明顯顏色顯示，讓操作者不僅能夠明白自己哪些地方錯(cuò)誤，還能知道規(guī)范以及如何改正。例如，半自動(dòng)熱熔焊接時(shí)，加熱板在加熱后，要進(jìn)行需要等待一定的時(shí)間的吸熱，軟件會(huì)有相關(guān)的提示；如果忽視提示，直接取下加熱板，那么便會(huì)進(jìn)行相關(guān)預(yù)警，提示時(shí)間不足和會(huì)造成的后果，給出正確做法，加強(qiáng)操作者的意識(shí)。

5.本系統(tǒng)采用了一人一號(hào)登錄的方法，當(dāng)每個(gè)學(xué)員在實(shí)際使用中出現(xiàn)操作錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)不僅能夠給出提醒，以便學(xué)員能夠發(fā)現(xiàn)自己的錯(cuò)誤，還能自動(dòng)記錄下該學(xué)員發(fā)生錯(cuò)誤的步驟，隨著學(xué)員使用本系統(tǒng)的次數(shù)增加，會(huì)自動(dòng)為該學(xué)員生成一個(gè)易錯(cuò)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)，在該學(xué)員碎片化時(shí)間的訓(xùn)練中，可以針對(duì)這些易錯(cuò)點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)的訓(xùn)練。使訓(xùn)練更加有針對(duì)性。該數(shù)據(jù)庫(kù)還會(huì)自動(dòng)匿名上傳使用該培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的服務(wù)器，隨著學(xué)員樣本的增多，逐漸會(huì)形成有代表性的易錯(cuò)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)，使學(xué)員知道PE管焊接過(guò)程中的易錯(cuò)點(diǎn)，更有針對(duì)性的練習(xí)。

（3）主要設(shè)備

進(jìn)入PE管仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，點(diǎn)擊主要設(shè)備菜單，學(xué)習(xí)人員可以看到各種焊接設(shè)備的簡(jiǎn)介、內(nèi)部結(jié)構(gòu)詳解以及工作原理模擬。通過(guò)全方位無(wú)死角瀏覽各個(gè)單體設(shè)備結(jié)構(gòu)以及詳細(xì)學(xué)習(xí)設(shè)備工作原理，提高了學(xué)習(xí)人員對(duì)設(shè)備構(gòu)造、工作原理的認(rèn)知度，為學(xué)習(xí)人員將來(lái)實(shí)際操作工藝設(shè)備奠定了扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。

（4）操作流程

PE管焊接技術(shù)雖然現(xiàn)在有專門(mén)的人員培訓(xùn)機(jī)制，但是存在培訓(xùn)流程不完善，參與性、安全性較差，效率低，對(duì)管材損耗較大，培訓(xùn)成本較高等問(wèn)題，學(xué)習(xí)人員實(shí)際操作效果不夠理想。針對(duì)這些難題，培訓(xùn)方可以利用PE管仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中的各工藝單元操作流程進(jìn)行具體的講解。

（5）技能培訓(xùn)

PE管焊接技能培訓(xùn)包括理論培訓(xùn)與實(shí)踐培訓(xùn)，理論培訓(xùn)可用實(shí)際教學(xué)班的形式進(jìn)行，并在PE管焊接虛擬仿真軟件中添加題庫(kù)和成績(jī)?cè)u(píng)判模塊，以便學(xué)員進(jìn)行PE管焊接理論的自我檢測(cè)。

實(shí)踐操作能力的提高是PE管焊接人才技能培訓(xùn)的主題，應(yīng)重點(diǎn)突出操作技能的培訓(xùn)，加大實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的比重，堅(jiān)持理論與虛擬操作實(shí)踐的結(jié)合，促進(jìn)PE管焊接技能人才在虛擬實(shí)踐操作中不斷增長(zhǎng)知識(shí)，提升能力。虛擬仿真系統(tǒng)教學(xué)可以徹底打破時(shí)空限制，對(duì)學(xué)員學(xué)習(xí)中可能出現(xiàn)的各種問(wèn)題進(jìn)行虛擬仿真，可直接觀察到這種焊接問(wèn)題在以后的使用中產(chǎn)生的后果。在技能培訓(xùn)方面，它不僅更加形象生動(dòng)，使學(xué)員更容易理解學(xué)習(xí)的內(nèi)容，更能夠直接獲取技能操作方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提升技能操作的熟練程度。而且針對(duì)PE管焊接技能訓(xùn)練，由于訓(xùn)練的特殊性，在實(shí)踐操作訓(xùn)練中，當(dāng)學(xué)員的操作不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致焊接的直接失敗，沒(méi)有挽回的余地。焊接失敗的管段不能繼續(xù)用于焊接，使技能培訓(xùn)成本大大增加。使用虛擬仿真系統(tǒng)對(duì)PE管焊接進(jìn)行培訓(xùn)，能節(jié)省訓(xùn)練的開(kāi)支和成本。

在虛擬焊接系統(tǒng)中，應(yīng)該考慮訓(xùn)練產(chǎn)生的結(jié)果以及教學(xué)的效果，這套系統(tǒng)能提供真實(shí)的虛擬訓(xùn)練的情景，校正學(xué)員錯(cuò)誤等功能，真正做到“干什么、學(xué)什么、缺什么、補(bǔ)什么；弱什么、強(qiáng)什么”，確保PE管焊接虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)達(dá)到最好的效果。

三、結(jié)語(yǔ)與展望

為達(dá)到安全實(shí)訓(xùn)的目的，培養(yǎng)出符合焊接要求的技術(shù)性專業(yè)人才，提高學(xué)習(xí)就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際課堂教學(xué)已成為高校教學(xué)改革必不可少的重要部分。對(duì)推動(dòng)焊接教學(xué)來(lái)說(shuō)，PE管焊接仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，有以下幾點(diǎn)重要意義：

（1）改變了傳統(tǒng)焊接技術(shù)教學(xué)培訓(xùn)的教學(xué)模式，提高了學(xué)生焊接技術(shù)學(xué)習(xí)的效率，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（2）將“二維”的學(xué)習(xí)環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

“三維”的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生通過(guò)瀏覽三維虛擬場(chǎng)景、模擬操作公益流程以及考核學(xué)習(xí)成果，學(xué)生能較快的熟悉PE管焊接的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、設(shè)備、安全規(guī)范及相關(guān)操作，降低了高校實(shí)訓(xùn)成本，避免了操作風(fēng)險(xiǎn)。

因此，在PE管焊接的教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)，進(jìn)一步完成完全互動(dòng)型PE管焊接仿真教學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)，對(duì)焊接教學(xué)的培訓(xùn)具有深遠(yuǎn)意義。進(jìn)一步形成一套先進(jìn)性、實(shí)用性、教學(xué)性、科學(xué)性于一體的全方位PE管焊接仿真教學(xué)系統(tǒng)，是一個(gè)長(zhǎng)期的目標(biāo)，具有及其深遠(yuǎn)的意義。

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