張鵬林,趙志強

(1.蘭州理工大學 材料科學與工程學院，甘肅 蘭州730050; 2.甘肅建筑職業(yè)技術學院,甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

虛擬仿真實驗運用虛擬現實技術、數字交互技術、網絡通信與數據庫技術等信息技術構建逼真的虛擬實驗空間和實驗對象，還原和再現真實情境下實驗操作過程與實驗現象，解決了部分高危險、高成本、高消耗、大型綜合類實驗實訓項目中不易開展的難題，有效拓展了實驗教學內容的深度和廣度，延伸了實驗教學的時間和空間，成為實驗教學信息化改革的重要內容[1]。教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》中明確提出，虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設的重要內容，是學科專業(yè)與信息技術深度融合的產物，是實驗教學方式的重要補充[2]。

作為五大常規(guī)檢測之一的射線技術，自射線被德國科學家倫琴發(fā)現后就一直在工業(yè)生產中對保證產品質量起到了至關重要的作用。射線照相檢測的本質是根據被檢構件及其內部不同缺陷介質對射線的衰減程度不同，造成透過工件后的強度存在差異，使不同缺陷在射線底片上呈現不同的形態(tài)，其原理如圖1所示。射線照相檢測缺陷檢出率高、定性定量準確、檢測結果有直接記錄，在眾多行業(yè)領域廣泛使用[5]。無損檢測課程中射線照相檢測實驗是重要訓練項目，但由于射線可與生物組織發(fā)生生化效應，防護不力會對人體造成傷害[6]。所以，射線實驗必須要有完善的防護條件，實驗場地必須通過輻射環(huán)境影響評價，并取得輻射工作許可證才能開展輻射研究與實驗工作。射線照相檢測暗室處理需要顯影液、停影液和定影液等化學藥品，會產生一定的實驗廢液，后期處理不當可能造成環(huán)境污染。

圖1 射線照相檢測原理圖

鑒于以上原因，開發(fā)了射線檢測與質量評定虛擬仿真實驗系統(tǒng)(以下簡稱射線仿真系統(tǒng))。系統(tǒng)通過虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和仿真軟件等技術，對射線檢測及質量評定的全過程進行數字化重構，構建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境、實驗對象和實驗任務, 實現虛實結合，可全方位模擬射線照相檢測的工作環(huán)境、檢測步驟和工藝要點，讓學習者在無設備操作安全隱患、無射線輻射風險、無化學廢液產生的環(huán)境下系統(tǒng)、全面、精準地學習射線檢測知識。此系統(tǒng)適用于《焊接檢驗》及《無損檢測》等課程教學，符合工程教育認證標準中可持續(xù)發(fā)展的要求，對培養(yǎng)和提升學生專業(yè)素質、創(chuàng)新能力、研究能力等具有重要的實際意義。

1 系統(tǒng)基本構架

射線檢測仿真系統(tǒng)是基于DPSP平臺開發(fā)的計算機虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)，是集實驗資源瀏覽、仿真實驗操作以及在線學習等于一體的信息化計算機虛擬仿真實驗學習和操作管理平臺；打破傳統(tǒng)的以課堂以教師講授為中心的教學模式，學生可以隨時隨地通過計算機網絡進行學習。教師可通過仿真系統(tǒng)管理平臺組織學生進行虛擬操作測試及基礎理論測試考試來考核學生的學習效果；學生可以通過虛擬仿真平臺與老師進行互動，反饋學習過程中遇到的問題、分享學習和實驗操作經驗、完成課程學習筆記、最終參加虛擬課程考試；教師和學生通過計算機網絡可方便地進行資源共享和仿真實驗操作，實現學生與成績的統(tǒng)一管理，使實驗教學工作網絡化、數字化以及信息化。系統(tǒng)構架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)構架

2 射線檢測仿真教學平臺開發(fā)

射線檢測及質量評定虛擬仿真實驗平臺以射線仿真系統(tǒng)為基礎(以下簡稱射線仿真教學平臺)，是采用B/S架構進行設計開發(fā)，根據面向用戶角色的不同，分為以下三個子系統(tǒng)進行設計，即通過學院網站登錄平臺后，系統(tǒng)會自動進入學生用戶子系統(tǒng)、教師用戶子系統(tǒng)和實驗管理用戶子系統(tǒng)。實驗平臺應用虛擬仿真技術呈現了射線檢測及質量評定的全過程，核心功能包括射線檢測工藝參數制定、射線透照、暗室處理、缺陷識別及檢測報告等。

2.1 系統(tǒng)開發(fā)目的

通過引入射線檢測仿真教學平臺，在理論教學和技能實訓之間搭建一個關鍵性的“紐帶”，有效破解高校射線檢測理論教學與技能實訓難以有效融合的難題，提升射線檢測實驗相關知識學習、實踐技能訓練、教學組織管理的效果、效率和效益，優(yōu)化學生的學習體驗。射線檢測仿真教學平臺聚合了教授、學習、操作、考試、管理和評價等功能，可提供完備的教學功能，學生可通過仿真實驗平臺進行實驗預約、仿真實訓的練習及考核、最后提交仿真實驗報告等，實現虛擬仿真實驗過程的“閉環(huán)控制”和學生學習效果的“形成性評價”。

2.2 系統(tǒng)功能實現

(1) 教師可通過射線檢測與質量評定仿真實驗平臺進行相關理論教學，同時在仿真實驗平臺上傳相關數字化的教學資料如微課、視頻及相關文獻等，學生在課前通過仿真實驗平臺進行理論知識的預習。教師可對仿真實驗平臺進行相關設置，例如“通過式機制”，學生只有進行理論知識自測并通過后，系統(tǒng)才“認可”其已掌握相關實驗理論，方可進入后續(xù)環(huán)節(jié)的學習和實驗。

(2) 學生通過仿真實驗平臺在計算機上下載安裝射線檢測虛擬仿真實驗軟件，然后通過仿真實驗平臺啟動本地計算機的射線檢測虛擬仿真軟件，學生在仿真實驗平臺可選擇新手上路對實驗目的和軟件操作方式等進行預習。射線檢測虛擬仿真軟件可以模擬真實的實驗環(huán)境、實驗任務、實驗設備以及實驗流程等，讓學生直觀體驗射線檢測與質量評定全過程。

(3) 教師通過仿真實驗平臺可查看學生虛擬仿真實訓成績及各步驟得分情況，并對學生輸出的實驗報告進行審核，反饋實訓結構和指導意見。當評價為合格，學生將有機會進行實物實訓演練(特別是將虛擬仿真試驗作為實物實訓前置程序時)，也可用于無損檢測資格認證考試工作，從各方面都顯著提高了實物實訓的安全性、有效性和可靠性。

(4) 實物實驗組織管理。如果條件允許，學生可進行真實的射線檢測與質量評定實驗。首先通過實驗實訓平臺記錄實驗計劃、過程和結果的表單、視頻和照片等過程及結果信息。學生通過發(fā)展實驗平臺提交的實驗報告，教師可在仿真實驗平臺進行實驗報告的審閱和批改，很大程度上解決了純實物實驗容易發(fā)生的參數、過程和結果跟蹤記錄不確切、不及時及不完整等問題，對線下實驗實訓起到很好的計劃、監(jiān)督、管理以及存檔的控制作用，使實物實訓更便捷、安全和有效。

2.3 系統(tǒng)實施的效果

通過“理論、虛擬和現實”一體化教學方式，保證了學生操作的正確性和規(guī)范性，提高了實驗的可靠性與有效性，彌補了實驗教學在資源、設備以及流程等方面存在的不足。

學生通過動畫和VR的學習，能夠根據所選擇的焊接試板(材質、厚度及焊接缺陷等)，制定正確的射線檢測工藝參數并進行模擬曝光；能夠配制顯影液、停影液和定影液，并進行暗室處理過程獲得合格的射線檢測底片；通過觀察檢測底片，能夠發(fā)現焊縫中的缺陷并可對缺陷進行定位、定量及定性，根據擬給定的檢測標準(NB/T47013-2015)進行質量評定，并出具合格的檢測報告。

2.4 系統(tǒng)主要操作步驟

此射線虛擬仿真實驗系統(tǒng)操作步驟如下：①選定被檢工件，根據透照厚度選擇檢測參數(包括焦距、管電壓、管電流和曝光時間等)；②根據選擇的曝光參數，對射線機進行訓機；③選擇膠片系統(tǒng)(包括膠片類型、增感屏規(guī)格)，模擬暗室環(huán)境，將膠片系統(tǒng)裝入暗袋內；④在暗袋外布置相關標記(包括產品編號、焊縫編號、檢測人員代號、檢測日期、底片編號、中心標記和搭接標記等)；⑤將暗袋放置在底部鉛屏蔽板上，暗袋中心對準射線窗口中心，然后將待檢試件放置在暗袋上，并將像質計放置在待檢試件上方規(guī)定的位置；⑥將射線機高度調節(jié)為所選擇的焦距；⑦在射線機控制面板上設置曝光時間、管電壓和管電流等曝光參數；⑧按壓高壓按鈕啟動射線機進行曝光；⑨配制顯影液、停影液和定影液；暗室處理(在暗室中對已曝光的膠片進行顯影、停影和定影處理)，獲得射線檢測的底片；用光學密度計測定底片黑度，排除偽缺陷，根據像質計顯示情況判斷靈敏度；底片質量評定，在虛擬觀片燈下評定底片，判定有無缺陷、何種缺陷、缺陷位置及大小等；根據第12步的結果，對照檢測標準，出具檢測報告或返修報告。主要操作步驟如圖3所示。

圖3 虛擬仿真系統(tǒng)操作步驟

3 系統(tǒng)特色

按照“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則，在射線檢測實驗教學環(huán)節(jié)中引入虛擬仿真實驗系統(tǒng)并建立射線檢測虛擬實驗室，使其成為傳統(tǒng)射線檢測實驗的有益補充。實體實驗教學和虛擬實驗教學的結合，極大地豐富了理論和實驗教學的手段，可激發(fā)學生的學習興趣，取得較好的教學效果。此系統(tǒng)主要特色有：①實訓內容豐富，完整囊括了模擬射線檢測和質量評定的全流程；②安全系數更高，規(guī)避射線輻射風險，符合環(huán)評要求；③實訓成本更低，無需購買昂貴的射線檢測設備及實驗室建設防護設備；④互動氛圍更強，實驗互動程度高，教學效果好；⑤項目綠色環(huán)保，無化學廢液產生，綠色環(huán)保。

4 結 語

此次研究開發(fā)的“射線照相檢測及質量評定虛擬仿真”系統(tǒng)，可作為實物實驗預習、監(jiān)督和管理平臺，也可代替射線照相檢測及質量評定實物實驗，成為無損檢測理實一體化教學的一項能力拓展項目，使學生在無射線輻射風險的環(huán)境下學習無損檢測知識，學會射線照相檢測的基本原理、操作流程、評片技能，了解如何出具合格的檢測報告。通過虛擬實驗，使學生對射線檢測的原理理解更加深刻；學生掌握射線照相檢測實驗的全過程(包括曝光參數的制定，膠片系統(tǒng)的選擇，標記帶的使用，像質計的選擇與擺放，射線機的操作，顯影液、定影液的配制及暗室處理)；學生能夠進行射線照相檢測質量評定，并出具檢測報告。