陳 宇，肖逸鋒，錢錦文

（湘潭大學機械工程學院焊接機器人及應用技術(shù)湖南省重點實驗室，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，以應對變化、塑造未來為建設理念，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]。實驗教學是理論連接實際應用的橋梁，是提高學生創(chuàng)新思維與能力的關鍵，在新工科背景下進一步推進實驗教學改革，是對工程教育新要求、人才培養(yǎng)新目標的探索，有助于提高學生在工程嚴謹性、跨學科與系統(tǒng)思維、主動性等方面的綜合素質(zhì)[1-3]。

然而，新工科背景下的實驗教學的改革不是坐等之事。例如焊接專業(yè)是實踐性非常強的專業(yè)，但實驗室普遍存在以下問題[4-6]：（1）實驗教學設備的數(shù)量有限、設備類型單一，無法滿足大量學生同時進行實驗的需求；（2）先進焊接實驗設備前期投入和后期維修成本高；（3）實驗設備更新緩慢，實驗設備通常落后于當前行業(yè)新技術(shù)；（4）一些特殊焊接實驗不能進行。實驗教學則存在高風險、高成本、高能耗、高價值的“四高”實驗項目[7]，而虛擬實驗與真實實驗室相互補充，能夠做到優(yōu)勢互補。虛擬實驗技術(shù)是基于原型專業(yè)知識體系，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtua1 Reality，VR）在計算機系統(tǒng)實現(xiàn)虛擬實驗環(huán)境[8]。實驗者通過計算機界面進行操作控制，可以像置身在真實場景中進行各種預定的實驗項目，體驗實驗全過程。低端的虛擬實驗主要實現(xiàn)樹狀知識的結(jié)構(gòu)，高層如AR技術(shù)則可實現(xiàn)浸入式交互作用，沉浸感更強。目前，虛擬實驗技術(shù)已經(jīng)應用于很多學科的教學實踐中，可以作為實驗教學改革的重要方向[9-11]。

1 新工科背景下虛擬焊接實驗教學整體規(guī)劃

1.1 搭建虛擬實驗平臺，完善實驗教學體系

根據(jù)新工科新的人才培養(yǎng)目標,基于“以學生為中心，成果導向教育”的理念，虛擬仿真實驗場景，開發(fā)出兼具“虛擬體驗式、多向互動式和主動參與式”為特點的新型實驗教學體系，并將豐富實用的焊接專業(yè)理論知識和操作技能融合到生動有趣的實驗教學活動中，以充分調(diào)動學生的學習激情，提高學生的實際操作水平，鞏固專業(yè)教學成果，提高教學質(zhì)量，最終克服傳統(tǒng)實驗的諸多局限性（如效果差、環(huán)境惡劣、安全隱患大、成本高、難理解）。

1.2 探索虛擬焊接實驗教學模式

設計“虛實結(jié)合、以虛補實、能實不虛”實驗教學模式。通過重點建設虛擬焊接實驗的教學內(nèi)容、教學方式方法和教學評價體系，構(gòu)建切合湘潭大學焊接專業(yè)學生的虛擬實驗教學體系。

2 新工科背景下虛擬焊接實驗教學實施方案

2.1 實驗教學內(nèi)容的設計與制定

首先，進行虛擬焊接實驗教學內(nèi)容設計。依據(jù)新的人才培養(yǎng)方案、專業(yè)課程內(nèi)容及現(xiàn)有虛擬實驗平臺資源，制定適宜的虛擬實驗教學內(nèi)容；其次，開展焊接虛擬仿真實驗教學過程設計，根據(jù)已制定的虛擬焊接實驗項目，設計實驗目的、實驗步驟、教學方式方法、實驗結(jié)果評分標準等核心要點，提煉合理的虛擬焊接實驗教學過程體系，確保的設計科學性；最后，進行虛擬焊接實驗教學改革實踐，根據(jù)制定的虛擬實驗教學方案，在湘潭大學焊接專業(yè)學生中開展虛擬實驗教學實踐，并綜合性分析實踐效果，將分析結(jié)果響應到之后的虛擬實驗環(huán)節(jié)，循序漸進，獲得完善的教學模式。虛擬焊接實驗過程如圖1所示。

圖1 虛擬焊接實驗操作流程

2.2 虛擬焊接實驗教學方式方法

采用“線上學習操作”和“線下演練評估”相結(jié)合的教學方式。一方面使得學生提前熟悉實驗場景、工藝流程和設備操作步驟等，儲備實驗所需理論知識，有效減少實驗時間，提高實驗設備利用率與實驗效果；另一方面，可保證所有小組達到教學大綱要求，并熟練掌握相關操作技能與專業(yè)知識，鍛煉動手能力和創(chuàng)新能力。此外，還采用了回放觀摩、自定義教學管理和實時評估分析等新型教學手段來保證教學效果。

2.3 虛擬焊接實驗教學評價體系

虛擬焊接實驗教學管理平臺具有精確量化的考核評價系統(tǒng)。針對不同年級、不同水平的學生制定了一系列虛擬實驗教學計劃，并設置具有針對性的實驗考核標準；利用傳感設備對學生的虛擬焊接實驗進行精確細致的量化，交互屏上實時顯示焊接全過程，精準評測焊縫的焊接效果和質(zhì)量，出具總體評價是否達標報告，對學生的操作錯誤及過程穩(wěn)定性等提出有效的改進措施，以加強學生的操作水平與經(jīng)驗積累，同時有利于教師評價，提高虛擬實驗的教學質(zhì)量。

3 新工科背景下虛擬焊接實驗教學改革成效

本教學改革以“學生自身需求和體驗”為基本出發(fā)點，利用虛擬現(xiàn)實增強技術(shù)等一系列技術(shù)，開發(fā)出一套生動有趣的教學課程，根據(jù)不同焊接方法確定了3項焊接虛擬實驗項目：a.CO2氣體保護焊虛擬焊接實驗項目；b.焊條電弧焊虛擬焊接實驗項目；c.TIG焊虛擬焊接實驗項目。細分每項實驗，共設計出10項固定實驗任務以及自主設計項目：CO2氣體保護焊碳鋼焊接虛擬實驗、CO2氣體保護焊鋁板焊接虛擬實驗、CO2氣體保護焊不銹鋼焊接虛擬實驗、CO2氣體保護焊自主設計虛擬實驗、焊條電弧焊碳鋼V型坡口平焊焊接虛擬實驗、焊條電弧焊碳鋼I型坡口平焊焊接虛擬實驗、焊條電弧焊自主設計虛擬實驗、TIG焊鋁板焊接虛擬實驗、TIG氬弧焊不銹鋼焊接虛擬實驗、TIG焊自主設計虛擬實驗。實現(xiàn)了以“虛實結(jié)合、寓教于樂、積極自主”為特色的實驗過程，激發(fā)了學生學習熱情。此外，還節(jié)約了實驗耗材成本，確保了學生的安全與健康。

同時本教學改革項目獲批了教育部2018年度國家級虛擬仿真實驗教學項目《典型焊接工藝方法實踐與分析虛擬仿真實驗》。學生利用平臺參加在甘肅蘭州理工大學舉辦的第四屆全國大學生焊接創(chuàng)新大賽獲得了一項一等獎，三項二等獎的佳績。

4 結(jié)論

湘潭大學機械學院在新工科背景下，堅持以學生興趣體驗為中心的實驗教學理念，針對傳統(tǒng)焊接實驗教學環(huán)節(jié)成本高昂、難以復現(xiàn)認知、環(huán)境惡劣等諸多局限性，引進虛擬仿真技術(shù)，對實驗教學內(nèi)容、教學方式方法和教學評價體系等方面進行探索。實踐表明，通過有層次地建立“體系完整、嚴謹科學、形象逼真、寓教于樂、虛實結(jié)合、開放共享”的虛擬焊接實驗教學平臺，并開發(fā)出相應的虛擬焊接實驗教學課程體系，最終形成了可行的虛擬焊接實驗教學方法，有助于提高教學效果。