虛擬仿真技術(shù)在真空吸取系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用

薛海建 董三強(qiáng) 沈瑞強(qiáng)

［摘 要］ 虛擬仿真技術(shù)是一種新的教育生產(chǎn)力，具有技術(shù)逼真、趣味高效、安全實(shí)惠和自由拓展等優(yōu)勢(shì)。針對(duì)傳統(tǒng)真空吸取系統(tǒng)教學(xué)中存在的不足，將虛擬仿真技術(shù)引入課程教學(xué)，對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式進(jìn)行擴(kuò)展，并從理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、考核評(píng)估等方面探討虛擬仿真技術(shù)在真空吸取系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用。實(shí)踐結(jié)果表明，虛擬仿真技術(shù)的引入有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)課堂的趣味性，提升學(xué)生的參與度，改善教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，為課程教學(xué)改革提供了新途徑。

［關(guān)鍵詞］ 虛擬仿真；真空吸取系統(tǒng)；教學(xué)

［基金項(xiàng)目］ 2021年度陜西省高等教育教學(xué)改革研究重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目（21BG055）；2021年度火箭軍工程大學(xué)教育改革研究項(xiàng)目（HJJKTB2021001）

［作者簡(jiǎn)介］ 薛海建（1986—），男，安徽阜陽(yáng)人，博士，火箭軍工程大學(xué)核工程學(xué)院講師（通信作者），主要從事虛擬仿真實(shí)驗(yàn)研究。

［中圖分類(lèi)號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2023）18-0153-04［收稿日期］ 2022-07-12

真空吸取系統(tǒng)在武器裝備中應(yīng)用得非常廣泛，經(jīng)常用來(lái)吸取和移動(dòng)一些非常重要的裝置或部件。近年來(lái)，隨著部隊(duì)使命任務(wù)的多元化發(fā)展以及實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練進(jìn)程不斷加強(qiáng)，對(duì)軍隊(duì)院校人才培養(yǎng)提出了更高的要求，軍隊(duì)院校要能主動(dòng)適應(yīng)新技術(shù)、新生態(tài)和未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)新格局，不斷推進(jìn)實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)改革，培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科軍事人才，走中國(guó)特色社會(huì)主義強(qiáng)軍之路。然而，隨著科技水平的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已經(jīng)難以滿足當(dāng)前部隊(duì)的要求，教學(xué)效果不佳。虛擬仿真技術(shù)作為一種新的教育生產(chǎn)力，為創(chuàng)新教學(xué)手段方法提供了有效手段［1］。在真空吸取系統(tǒng)教學(xué)中，通過(guò)引入虛擬仿真技術(shù)，探索虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方法手段，提升教學(xué)的趣味性、自主性、生動(dòng)性和創(chuàng)造性，在加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)理解的同時(shí)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增進(jìn)創(chuàng)新思維培養(yǎng)。

一、虛擬仿真技術(shù)簡(jiǎn)介

虛擬仿真技術(shù)是用一個(gè)系統(tǒng)模仿另一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)，是指在計(jì)算機(jī)、多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)迅猛發(fā)展的基礎(chǔ)上，以仿真的方式給用戶創(chuàng)造一個(gè)實(shí)時(shí)反映真實(shí)對(duì)象變化和相互作用的模擬系統(tǒng)或虛擬世界，使用戶可以借助視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多種感知與模擬系統(tǒng)進(jìn)行交互，身臨其境、沉浸其中，從而完成一系列高度逼真的模擬操作［2-3］。虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)過(guò)程中，具有以下突出優(yōu)勢(shì)。

（一）真實(shí)逼真

在虛擬仿真系統(tǒng)中，學(xué)生可以通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)等多種感知，身臨其境、沉浸其中，獲得真實(shí)系統(tǒng)的逼真感受，并且可以通過(guò)人為行為改變系統(tǒng)相關(guān)狀態(tài)，系統(tǒng)同樣會(huì)給出相應(yīng)反饋，更有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握和理解。

（二）趣味高效

在傳統(tǒng)教學(xué)模式下的理論學(xué)習(xí)過(guò)程中，復(fù)雜原理、復(fù)雜結(jié)構(gòu)和復(fù)雜系統(tǒng)的學(xué)習(xí)以教師講授為主，內(nèi)容枯燥無(wú)味，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高，效果不佳。在實(shí)踐操作過(guò)程中，受設(shè)備數(shù)量、時(shí)間、空間等因素的限制，多是以小組為單位，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)學(xué)生進(jìn)行全面的訓(xùn)練和培養(yǎng)。引入虛擬仿真技術(shù)，可以通過(guò)動(dòng)畫(huà)、透視圖等方式進(jìn)行原理展示，還可以交互操作，這種游戲式的學(xué)習(xí)方式，更有利于啟發(fā)思維，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，學(xué)生可以獨(dú)立開(kāi)展虛擬實(shí)驗(yàn)操作，做到人手一臺(tái)操作設(shè)備，有效彌補(bǔ)了設(shè)備數(shù)量少、時(shí)間少、空間小的短板，且可反復(fù)操作練習(xí)，教學(xué)效率有了顯著提高。

（三）安全實(shí)惠

在傳統(tǒng)教學(xué)中，為確保學(xué)生和設(shè)備的安全，對(duì)一些危險(xiǎn)系數(shù)較高的教學(xué)科目一般不開(kāi)展實(shí)驗(yàn)操作，且由于經(jīng)費(fèi)條件的限制，對(duì)于一些價(jià)格昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備教學(xué)利用率也偏低。相比較而言，利用虛擬仿真技術(shù)開(kāi)展教學(xué)，學(xué)生在虛擬平臺(tái)上開(kāi)展相關(guān)學(xué)習(xí)活動(dòng)，所用儀器設(shè)備和耗材均為虛擬的，可以大大提高安全系數(shù)，降低教學(xué)成本，安全性高且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠［4］。

（四）自由拓展

在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，一般以理論教學(xué)為主、實(shí)踐教學(xué)為輔，理論直接轉(zhuǎn)入實(shí)踐，學(xué)生接受度較低，且受限于具體實(shí)物，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。借助于虛擬仿真技術(shù)，可在理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)之間搭建橋梁，構(gòu)建“理論—虛擬—實(shí)踐”一體化的教學(xué)模式。通過(guò)虛擬仿真系統(tǒng)，一方面，可以鞏固所學(xué)理論知識(shí)，加深理解；另一方面，通過(guò)虛擬操作，使學(xué)生掌握關(guān)鍵環(huán)節(jié)和基本操作技能，為實(shí)裝操作、理論聯(lián)系實(shí)際打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，虛擬仿真技術(shù)還可以為學(xué)生提供廣闊的想象空間和無(wú)限可能，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［5-6］。

二、當(dāng)前真空吸取系統(tǒng)教學(xué)存在的問(wèn)題

（一）實(shí)踐教學(xué)比例偏低、手段單一

真空吸取系統(tǒng)涉及設(shè)備眾多，工作過(guò)程中需要多操作號(hào)手協(xié)同配合，在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)特別注重實(shí)踐的內(nèi)容，有利于培養(yǎng)學(xué)生掌握裝備性能、操作技能、創(chuàng)新能力和科技素養(yǎng)。然而，受總學(xué)時(shí)數(shù)的限制，真空吸取系統(tǒng)傳統(tǒng)教學(xué)模式以課堂講授為主、實(shí)踐教學(xué)為輔，實(shí)踐教學(xué)比例偏低，且以實(shí)裝參觀為主要形式，手段單一，學(xué)生只能了解裝備的基本操作流程和簡(jiǎn)單操作，不利于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣不強(qiáng)，創(chuàng)新動(dòng)力不足。

（二）教學(xué)設(shè)備嚴(yán)重滯后于部隊(duì)實(shí)戰(zhàn)化真空吸取系統(tǒng)的發(fā)展

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，部隊(duì)武器裝備的更新?lián)Q代不斷加速，新型裝備不斷列裝并投入使用。真空吸取系統(tǒng)在武器裝備操作、訓(xùn)練的過(guò)程中應(yīng)用得非常廣泛，信息化、智能化水平不斷提升，新型真空吸取系統(tǒng)不斷列裝部隊(duì)。相比較而言，學(xué)校教學(xué)設(shè)備無(wú)論在數(shù)量上還是型號(hào)上都嚴(yán)重滯后于部隊(duì)實(shí)戰(zhàn)化真空吸取系統(tǒng)的發(fā)展，更新?lián)Q代慢，很難開(kāi)展有針對(duì)性的教學(xué)實(shí)踐科目，教學(xué)效果和教學(xué)模式難以滿足部隊(duì)的實(shí)戰(zhàn)化需求。

（三）實(shí)踐教學(xué)受多種因素的制約，開(kāi)設(shè)困難、成本高昂

軍隊(duì)院校對(duì)實(shí)踐教學(xué)的要求呈日益增加的態(tài)勢(shì)，但常常因教學(xué)裝備數(shù)量、場(chǎng)地、時(shí)間、經(jīng)費(fèi)、安全性等因素的制約，很多實(shí)踐教學(xué)開(kāi)設(shè)困難，即使開(kāi)設(shè)了也無(wú)法保證良好的教學(xué)效果。以真空吸取系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)為例，被吸件一般極為特殊（易燃易爆）或非常重要，且所用設(shè)備電壓高、結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜、環(huán)境惡劣（噪聲大）等，存在極大的安全隱患，為了防止安全事故的發(fā)生，當(dāng)前真空吸取系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)多為教師提前準(zhǔn)備好并進(jìn)行安全檢查，學(xué)生根據(jù)教師的指令完成一些簡(jiǎn)單操作，而后觀察和記錄現(xiàn)象，無(wú)法使學(xué)生真實(shí)有效地參與到操作全流程，不利于學(xué)生實(shí)踐能力的提高。

三、虛擬仿真技術(shù)在真空吸取系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用

（一）虛擬仿真技術(shù)在真空吸取系統(tǒng)理論教學(xué)中的應(yīng)用

真空吸取系統(tǒng)涉及真空吸取器、真空泵、真空壓力表、真空管路連接閥以及橡膠管路等部件，知識(shí)涵蓋機(jī)械、真空技術(shù)、力學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、抽象，部件眾多，學(xué)生掌握較為不易。傳統(tǒng)教學(xué)方式以實(shí)裝參觀為主，走馬觀花，學(xué)員看不透、看不全，也學(xué)不深。因此，在理論課教學(xué)過(guò)程中輔以虛擬仿真技術(shù)，可以為學(xué)生提供圖文并茂、平面立體結(jié)合、聲形具備、豐富多彩的多維學(xué)習(xí)資源，將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)運(yùn)用三維空間的方式全方位展現(xiàn)給學(xué)生，真實(shí)模擬復(fù)雜部件內(nèi)部的構(gòu)造，學(xué)生可進(jìn)行360°查看，并可以與三維模型及場(chǎng)景進(jìn)行交互，包括放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等操作，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如，真空閥門(mén)是真空吸取器的核心部件，可實(shí)現(xiàn)吸、放、關(guān)三種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，傳統(tǒng)教學(xué)依靠平面圖紙進(jìn)行，學(xué)生僅靠空間想象難以理解真空閥門(mén)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及相互位置關(guān)系，教學(xué)效果不佳。運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)，可以直觀地展示真空閥門(mén)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各零部件間的位置關(guān)系，易于理解，從而使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣高、學(xué)習(xí)效果好。

氣鎮(zhèn)閥是真空吸取系統(tǒng)中旋片式真空泵的重要組成部分，其工作原理不易理解，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)可以在三維空間內(nèi)逼真地呈現(xiàn)氣鎮(zhèn)閥各零部件的動(dòng)作狀態(tài)以及內(nèi)部氣路的走向，將復(fù)雜的工作原理過(guò)程形象化、簡(jiǎn)單化，學(xué)生可以很直觀地認(rèn)識(shí)、理解氣鎮(zhèn)閥的工作原理。因此，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到真空吸取設(shè)備的理論教學(xué)中，可以加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解與掌握，有效解決理論教學(xué)過(guò)程中存在的理論理解不到位的問(wèn)題。

（二）虛擬仿真技術(shù)在真空吸取系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

1.虛擬仿真技術(shù)在真空吸取系統(tǒng)虛擬拆裝實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用。旋片式真空泵在真空吸取系統(tǒng)中占有舉足輕重的地位，真空吸取器真空腔真空度的獲得與保持都依靠真空泵的正常工作。在旋片式真空泵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理和維修保養(yǎng)學(xué)習(xí)的過(guò)程中，拆裝實(shí)踐教學(xué)是非常有效的途徑之一。然而，受學(xué)時(shí)、真空泵數(shù)量、空間場(chǎng)地、成本、安全等諸多因素的限制，拆裝實(shí)踐教學(xué)一般難以有效開(kāi)展，即使開(kāi)展也無(wú)法達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。鑒于此，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建旋片式真空泵的三維仿真模型（如圖1和圖2所示），可有效克服時(shí)間、空間場(chǎng)地、真空泵數(shù)量、成本、安全等因素的制約，實(shí)現(xiàn)每名學(xué)生人手一臺(tái)設(shè)備，極大地提高了教學(xué)效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

2.虛擬仿真技術(shù)在真空吸取系統(tǒng)操作訓(xùn)練教學(xué)中的應(yīng)用。真空吸取系統(tǒng)涉及的部件眾多，在實(shí)際操作訓(xùn)練過(guò)程中，需要多號(hào)手協(xié)同配合，牽一發(fā)而動(dòng)全身，毫無(wú)操作經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生直接進(jìn)行實(shí)裝操作存在一定的風(fēng)險(xiǎn)隱患，加之真空吸取系統(tǒng)所吸部件往往非常重要或極為特殊，稍有不慎，就會(huì)造成嚴(yán)重后果。相比而言，虛擬仿真技術(shù)在真空吸取系統(tǒng)訓(xùn)練教學(xué)中具有突出優(yōu)勢(shì)。通過(guò)虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建三維仿真訓(xùn)練場(chǎng)景，可實(shí)現(xiàn)單機(jī)和多號(hào)手協(xié)調(diào)兩種訓(xùn)練模式，在訓(xùn)練模式下，每一步操作均有語(yǔ)音和文字提示，每一步操作對(duì)象均會(huì)有高亮閃爍提示，指引用戶進(jìn)行操作。操作步驟與操作規(guī)范和實(shí)裝一致，可幫助用戶快速掌握相關(guān)崗位的操作技巧。虛擬訓(xùn)練操作熟練且考核合格后方可轉(zhuǎn)入實(shí)裝操作訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高訓(xùn)練效率，降低訓(xùn)練成本。

3.虛擬仿真技術(shù)在真空吸取系統(tǒng)故障分析排除教學(xué)中的應(yīng)用。真空吸取系統(tǒng)不同部件的故障模式、故障現(xiàn)象以及故障機(jī)理各不相同，傳統(tǒng)教學(xué)模式采用理論講解模式，無(wú)法讓學(xué)生看到具體的故障現(xiàn)象，也難以真正理解相應(yīng)的故障機(jī)理，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣低、學(xué)習(xí)效果差。虛擬仿真技術(shù)的可塑性可以模擬不同部件的多種故障模式，并對(duì)相應(yīng)的故障現(xiàn)象和故障機(jī)理進(jìn)行演示，直觀明了，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，易于學(xué)生理解掌握。例如，以一次吸取器真空腔真空度不合格的案例式教學(xué)為例，引導(dǎo)學(xué)生從流出真空腔氣體量驟減和流入氣體量驟增兩個(gè)方面查找故障原因，在此過(guò)程中，學(xué)生可以自由組合多種故障模式，親身經(jīng)歷、自主設(shè)計(jì)，并通過(guò)虛擬仿真技術(shù)分別演示不同組合模式下的故障過(guò)程和造成的故障現(xiàn)象，在提升學(xué)習(xí)效果的同時(shí)有利于學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

（三）虛擬仿真技術(shù)在真空吸取系統(tǒng)考核評(píng)估中的應(yīng)用

利用虛擬仿真技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的考核評(píng)估工作，以真空吸取系統(tǒng)考核評(píng)估為例，包括理論考核和操作考核兩個(gè)部分。理論考核時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)從題庫(kù)的多類(lèi)題型中隨機(jī)抽取試題組成一套試卷，學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成試卷并提交，系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)卷打分，并將成績(jī)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)中。操作考核三維場(chǎng)景與操作訓(xùn)練場(chǎng)景一致，考核時(shí)無(wú)語(yǔ)音、文字和高亮提示，學(xué)生需在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)按預(yù)定規(guī)程完成考核的所有操作步驟，如有錯(cuò)誤操作，系統(tǒng)會(huì)予以提示并記錄扣分細(xì)節(jié)，待考核結(jié)束后，在結(jié)算匯總頁(yè)面統(tǒng)一展示，并將最后的考核情況寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)中?？己私Y(jié)束后，教師可以通過(guò)后臺(tái)查看考核時(shí)間、成績(jī)等信息，并可通過(guò)餅狀圖對(duì)成績(jī)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，全面掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，進(jìn)而有針對(duì)性地調(diào)整、替換或者重新設(shè)計(jì)教學(xué)訓(xùn)練內(nèi)容，提高教學(xué)的針對(duì)性和有效性。

結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真技術(shù)以其趣味性、真實(shí)性、互動(dòng)性、沉浸性等優(yōu)勢(shì)成為現(xiàn)代化教學(xué)的重要手段之一，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。在真空吸取系統(tǒng)教學(xué)中引入虛擬仿真教學(xué)，可有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)存在的不足，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改善教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力。

參考文獻(xiàn)

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Application of Virtual Simulation Technology in Vacuum Absorption System Teaching

XUE Hai-jian， DONG San-qiang， SHEN Rui-qiang

（College of Nuclear Engineering， Rocket Force University of Engineering， Xian，

Shaanxi 710025， China）

Abstract： Virtual simulation technology is a new educational productivity， with the advantages of being realistic， interesting and efficient， safe and affordable， and free to expand. In view of the shortcomings in the teaching of traditional vacuum absorption system， the virtual simulation technology is introduced into the teaching， the traditional teaching mode is extended， and the application of virtual simulation technology in the teaching of vacuum absorption system is discussed from the aspects of theoretical teaching， practical teaching and assessment. The practical results show that the introduction of virtual simulation technology can help stimulate students interest in learning， enhance the interest of classrooms， enhance students participation， improve teaching effects， cultivate students innovation and creativity， and provide a new way for curriculum teaching reform.

Key words： virtual simulation; vacuum adsorption system; education