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(承德石油高等?？茖W(xué)校 工業(yè)技術(shù)中心，河北 承德 067000)

隨著科技發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中。當(dāng)前國(guó)內(nèi)許多高校教師[1-3]將VR、AR等虛擬仿真技術(shù)引入到實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，極大的提高了教學(xué)質(zhì)量。虛擬仿真技術(shù)融入課堂后，既豐富了教學(xué)載體，又促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容被學(xué)生理解和接收。許多學(xué)者[4-5]分析總結(jié)了傳統(tǒng)焊接實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在的問(wèn)題。本文以AR虛擬仿真技術(shù)為例，闡述其在解決教學(xué)痛點(diǎn)中的應(yīng)用。

1 教學(xué)痛點(diǎn)分析

在焊接實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在的諸多痛點(diǎn)中，最主要有三點(diǎn)：

1)操作過(guò)程不易觀察，技術(shù)要領(lǐng)難糾正

焊接操作要求全程戴面罩，加上視角局限性，操作者很難觀察整個(gè)過(guò)程中技術(shù)參數(shù)變化，如弧長(zhǎng)、工作角、運(yùn)條速度等。這些技術(shù)參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量至關(guān)重要，由于無(wú)法直觀感受，糾正起來(lái)需要大量實(shí)踐，耗費(fèi)大量人力。

2)焊接材料消耗大，投入大量成本

焊接技術(shù)的掌握，需要大量操作，材料消耗巨大，需要投入大成本。以簡(jiǎn)單的平敷焊為例，該技術(shù)的掌握，至少需要幾十根甚至上百根焊條。

3)環(huán)境惡劣，容易產(chǎn)生人身傷害

焊接操作環(huán)境惡劣，會(huì)產(chǎn)生高溫飛濺物、弧光、煙塵等。即使在安全防護(hù)工具下操作，仍然不可避免的出現(xiàn)燒傷、燙傷、弧光打眼、熱輻射等危害。

2 仿真技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用

SOLDAMATIC是西班牙公司SEABERY旗下利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)進(jìn)行虛擬焊接培訓(xùn)的產(chǎn)品。目前，SOLDAMATIC是世界唯一一款增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)虛擬焊接設(shè)備。SOLDAMATIC通過(guò)與德國(guó)焊接協(xié)會(huì)(DVS)、德國(guó)焊接學(xué)會(huì)(GSI)、美國(guó)焊接協(xié)會(huì)(AWS)共同制定權(quán)威的培訓(xùn)標(biāo)準(zhǔn)，打造了基本可涵蓋所有焊接應(yīng)用的課程。以平板V型坡口平焊對(duì)接為例，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)中。

首先，教師通過(guò)教師端軟件設(shè)置課程內(nèi)容，包括母材成分、對(duì)接方式、焊條型號(hào)，運(yùn)條方法、焊接長(zhǎng)度等，如圖1。然后，教師可根據(jù)教學(xué)考查要求，設(shè)置過(guò)程技術(shù)考核參數(shù)如弧長(zhǎng)、工作角、運(yùn)條速度等。最后，學(xué)生練習(xí)。每次練習(xí)結(jié)束后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)教師設(shè)置的過(guò)程技術(shù)考核參數(shù)給予打分。每個(gè)考核參數(shù)均有分值說(shuō)明，學(xué)生可以直觀的觀察到該技術(shù)參數(shù)在操作中的變化，如圖2。系統(tǒng)也會(huì)視頻記錄整個(gè)操作過(guò)程，方便回看，查找不足。這樣，學(xué)生的下次操作時(shí)有明確的改正點(diǎn)，技術(shù)的掌握與提高更快。

3 結(jié)果與討論

以平板v型坡口平焊對(duì)接為例，比較傳統(tǒng)教學(xué)與當(dāng)前融入虛擬仿真技術(shù)后教學(xué)質(zhì)量變化情況。融入虛擬仿真技術(shù)教學(xué)是指學(xué)生通過(guò)虛擬練習(xí)，達(dá)到一定分值(也就是對(duì)技術(shù)參數(shù)掌握一定程度)后，在進(jìn)行真正的實(shí)踐。由于授課時(shí)間不能改變，僅能從學(xué)生成績(jī)、物料消耗、受傷害程度上進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表1為傳統(tǒng)教學(xué)(班級(jí)1-3)和融入仿真教學(xué)(班級(jí)5-7)學(xué)生成績(jī)數(shù)據(jù)。比較發(fā)現(xiàn)，在班級(jí)平均人數(shù)相當(dāng)條件下，融入仿真教學(xué)后，學(xué)生成績(jī)明顯好于傳統(tǒng)教學(xué)，優(yōu)秀率與良好率顯著提升。這說(shuō)明經(jīng)過(guò)仿真練習(xí)后，學(xué)生對(duì)技術(shù)要領(lǐng)有了一定的認(rèn)識(shí)。通過(guò)仿真訓(xùn)練，學(xué)生可以通過(guò)仿真系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)圖，發(fā)現(xiàn)操作參數(shù)與設(shè)定參數(shù)存在的差距與不足，進(jìn)而糾正，再經(jīng)過(guò)反復(fù)練習(xí)后，強(qiáng)化肌肉記憶，在實(shí)操中更容易上手，因此，成績(jī)明顯提升。

表1 學(xué)生成績(jī)數(shù)據(jù)

表2為傳統(tǒng)教學(xué)(班級(jí)1-3)和融入仿真教學(xué)(班級(jí)5-7)學(xué)生物料消耗數(shù)據(jù)。比較發(fā)現(xiàn)，在班級(jí)平均人數(shù)相當(dāng)條件下，融入仿真教學(xué)后，焊條消耗每班平均消耗8.7包，低于傳統(tǒng)教學(xué)的10.7包，鋼板消耗由10.7塊/班降低到7.7塊/班。一方面，在同樣學(xué)習(xí)時(shí)間條件下，仿真訓(xùn)練的融入占據(jù)了一定的實(shí)操時(shí)間；一方面，仿真訓(xùn)練中，焊條、鋼板都是虛擬的，并非真正的消耗。更重要的是，學(xué)生通過(guò)仿真練習(xí)，技術(shù)掌握更好，減少了焊條的損壞，使用率更高，焊縫成型效果更好，鋼板的空間利用率更大。結(jié)合前面學(xué)生成績(jī)，不難得出：在同樣學(xué)習(xí)時(shí)間條件下，融入仿真教學(xué)不僅提高了學(xué)生成績(jī)還節(jié)約了焊接耗材。

圖3統(tǒng)計(jì)了6個(gè)班級(jí)學(xué)生燒燙傷、打眼人次數(shù)。不難發(fā)現(xiàn)，仿真訓(xùn)練的融入極大的減少了學(xué)生受傷害程度。傳統(tǒng)教學(xué)由于操作時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，學(xué)生對(duì)技術(shù)要領(lǐng)掌握不足，出現(xiàn)燒燙傷、打眼的概率更大。虛擬仿真訓(xùn)練中，學(xué)生即使出現(xiàn)不正當(dāng)操作，出現(xiàn)的傷害也是“假象”。通過(guò)這種“假象”，學(xué)生更清楚自身出現(xiàn)的錯(cuò)誤，這樣就可以降低甚至避免實(shí)操中出現(xiàn)類似問(wèn)題，從而減少傷害事故的發(fā)生。

表2 焊條、鋼板消耗情況

4 結(jié)論

通過(guò)比較融入虛擬仿真教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)在學(xué)生成績(jī)、物料消耗、傷害程度的教學(xué)數(shù)據(jù)，不難得出結(jié)論：虛擬仿真教學(xué)的融入，解決了操作過(guò)程不易觀察，技術(shù)要領(lǐng)難糾正問(wèn)題，學(xué)生成績(jī)明顯提升；焊條消耗大大降低，節(jié)約了成本；學(xué)生的實(shí)習(xí)環(huán)境得到了改善，受到傷害的概率有所降低。虛擬仿真技術(shù)的融入不僅解決了焊接實(shí)訓(xùn)中的痛點(diǎn)，還豐富了教學(xué)內(nèi)容。學(xué)生通過(guò)虛實(shí)結(jié)合練習(xí)，對(duì)技術(shù)要領(lǐng)的掌握理解更加快捷高效。