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研究成果

职业教育教学改革与三维互动数字化教学
教育部职业技术教育中心研究所网站发布时间:2011-08-03 12:36来源:
 
作者:
  

王平安  林庆平

 

为贯彻落实全国教育工作会议和《国家中长期教育改革和发展规划纲要(20102020年)》,切实增强中等职业教育大规模培养高素质劳动者和技能型人才的能力,大幅度提升其支撑经济发展方式转变、产业结构调整升级、企业生产技术革新、民生改善以及我国参与国际合作与竞争的能力,国家开始推动和实施中等职业院校教学改革创新计划,该计划的核心工作目标就是:重点支持建设1000所国家中等职业教育改革发展示范学校,2000所国家中等职业教育优质特色学校,一批中等职业学校达到现行省级重点学校建设标准;2/3的学生接受优质中等职业教育。

 

在大力推进职业学校教学改革的过程中,要实现提高教学质量、增强学生的实践和动手能力、及时满足企业对技术性人才的需求,职业学校面临许多困难,其中最大的一个瓶颈就是教学手段和教学方法。同时如何大规模培养双师型教师,也是摆在许多职业院校面前的巨大挑战。

当前职业院校在教学过程中,遇到几大难题:

第一:资金投入的瓶颈

从国家对职业院校培养学生的数量上考量,现有的职业院校的资金投入严重不足,难以和发达国家比较,而且在未来的5-10年内都无法达到发达国家的人均投入水平,最主要的差距就是对实训设备的投入,如何让每个学生亲自动手实践(而不是小组观摩演练的模式)?如何让每个学生从做中学、做中教中不断改进从而达到提高动手能力和实践经验的目的?如何为学生提供更多的机会了解和掌握各种设备操作、内部结构、故障分析和诊断等,这是每个职业院校面临的巨大困难,全国仅中职学校就有12000多所,要实现每个学生都能实际动手操作,在实训设备的资金投入上是难以满足的。

第二:教师队伍的瓶颈

职业院校要培养出优秀的、满足企业实际生产需求的技术人才,最核心的教学资源不是实训设备,而是双师型教师队伍的建设,只有大量的既懂企业实际生产需求、由掌握理论知识,将实践与理论进行有机地结合,才能培养出复合型的技术人才。作为学校的培养目标,不是某一个固定的技能岗位,而是要全面培养学生的综合素质,为学生一生的职业生涯规划打下良好的基础。在办学理念上,职业院校的教育应当为学生的一生负责,为学生未来的人生之路打下必要的理论和实践的基础,这也是学校教育和工厂短期培训的巨大差异。但现有的教师培养体系,难以满足国家对双师型教师培养的目标,教师队伍的建设是当前职业院校教学改革以及提高教学质量的巨大瓶颈。

第三:教学手段的瓶颈

现有的职业院校在教学过程中,依然大量使用书本教学结合实训的模式,而且大量的教学时间用于书本教学,在中职的职业技能教育过程中,通过书本教学,需要学生具有比较强的文字理解能力和三维空间想象能力,这样才能比较好地掌握各种结构原理与操作,而这恰恰是中职学生的软肋。在中国现有的教学体系下,进入中职的学生,恰恰是不适应书本学习的人群,文字理解能力、逻辑推理能力、三维空间想象能力都是他们的弱项。从现有的教学效果看,书本教学的模式普遍效果较差,比如在模具教学中,甚至产生了一个班90%以上的学生学不懂,不能理解老师讲解的内容,这对老师和学生都是巨大的伤害,许多的中职学校教学都遇到一个教学手段滞后的问题。

第四:学生素质的瓶颈

进入中职学校的学生,相当一部分是学习成绩较差、学习积极性较低、课堂纪律较差的学生,他们有很好的学习潜质,但普遍不适应现有的书本课堂教育模式,这对教师的课堂及实训教学带来了许多的困扰,短期内,我们无法解决中职学校的生源素质问题,但我们要考虑如何去改变教学方法和教学环境,去适应现有的中职学校学生,让他们更有兴趣参与到技能学习中去,让学习有更多的趣味性,更多的动手操作训练,更多的可视化的学习环境。

当然,中职学校的教学,遇到的困难不止以上分析的几点。综合来说,当前遇到的最主要的问题在于:资金投入不足、教师队伍不足、教学手段滞后、生源素质较差。下面我们就探讨一下,如何通过教学改革,在一定程度上解决以上问题。

纵观全球的职业教育发展,我们可以发现一个共同的轨迹:三维互动虚拟现实技术在职业教育中的应用越来越普及,并且在欧美日等国得到的高速的发展,许多国家从国民素质总体提高的高度,对三维互动虚拟现实技术进行了大规模的推广和普及,尤其是在职业教育领域,虚拟现实技术已经成为主流的教学手段和教学工具。

从国内职业院校的实际使用情况看,虚拟现实技术已经在一些专业得到了应用,如数控机床、汽修等,但远未达到普及的地步,另一方面,国内职业院校使用虚拟现实技术开展教学,还存在一些普通的困难和问题:

第一:缺乏互动性

各个院校都有部分的教学采用了虚拟现实技术,但普遍缺乏人机互动的效果,许多三维模拟都是事先做好的,让学生按照固定的模式进行训练,这虽然也解决了许多问题,相对过去落后的教学模式是一个巨大的进步,但缺乏交互性,尤其是具有容错能力的交互操作,是职业教育中的一大缺憾,职业教育不同于高等教育和普教,非常强调学生的实践能力,强调解决具体问题的能力,而这些能力都需要从错误中学习和掌握,如果学校采用的训练系统没有容错能力,都是让学生按照固定的模式、学习固定的设备故障,学生一旦进入到实际工作岗位,遇到实际的问题,还是不能学习如何发现和解决问题。

对于职业教育中的虚拟现实技术应用,互动性是一个关键性的技术指标,也是衡量一个学校专业教学改革的核心要求。

 

第二:缺乏统一技术平台

国内现在的各种虚拟现实的三维课件,技术应用是五花八门,各个课件都是一个独立的文件,无法进行相互交流,不同的学校使用不同的技术平台开发,文件的格式也不尽相同,运行环境千差万别,造成了教学资源的大量浪费,许多学校开发了一个又一个的三维教学课件,但由于文件格式差异,制作的企业使用的技术手段不一致,及使在同一个学校内都难以通用,更不要说学校之间的交流了。当前的职业教育虚拟现实技术应用,非常缺乏一个统一的技术平台作为支撑。

 

第三:缺乏开放的编辑平台

当前国内使用的大部分三维互动的课件系统,都没有一个开放的编辑平台,职业教育的特点是培养出企业实际需要的人才,而企业对职业教育的最基本的要求是:与时俱进,根据相关领域技术的不断发展,职业教育内容、手段和方法,都需要不断更新,这就需要学校使用的三维教学课件可以编辑,教师可以根据实际的发展,不断地调整和修改,让教学工具随着社会的发展而发展,更重要的是,可以根据每个地区的实际用工情况和要求,进行个性化地改造,更好地使用本地职业教育和企业用工需求。

 

第四:缺乏国内自主知识产权技术

教育是一国之本,教育是百年大计,因此教育工具和教育手段也应该从长远进行考虑,缺乏中国自主知识产权的三维互动虚拟现实技术,是制约国内职业教育领域大规模应用三维互动教学手段的重要因素,许多学校使用的三维教学课件,都是3DMAX等国外软件制作的,底层技术标准都是黑箱操作,无论是课件的开发和维护,还是课件未来的不断技术更新,都带来了许多的问题,尤其是对国家大规模推广和普及相关的三维互动教学课程,带来了巨大的风险,同时无法大规模降低我们的教学成本。

综上所述,中国的职业教育改革,非常需要一款互动性强、可编辑、开放性、统一性、拥有国内自主知识产权的三维互动教学平台,通过这样一个平台,可以大大加速职业教育的发展,为职业教育提供更好的教学手段,无论对于教师还是学生,都是莫大的福祉,我们也一直期待着这样的产品和技术的出现。

 

教育部职业技术教育中心研究所培训中心与厦门创壹软件有限公司,强强联手,联合开发了一套三维互动虚拟现实教学平台,专门为老师研发的轻松快速制作三维虚拟互动教学、实验内容与考核的教学培训系统。

三维互动虚拟现实教学平台在理论和实践中起桥梁作用,打破了传统的教学模式,以直观生动的3D虚拟现实技术展示抽象的教学内容,同时增加了学生动手的机会,提高了操作的熟练程度。不但可以进一步提高和完善实验教学,而且大大地降低了各类实验费用;虚拟现实三维互动教学平台明显优势体现在能够创造一个与实际近乎相同的仿真环境,使得环境和符合人们自然交互习惯的互动操作模式,学习者可以观查每个部件的工作原理、内部结构、工艺流程等等,并可虚拟操作。网络虚拟现实应用于教育是教育技术发展的一个飞跃。它营造了自主学习的环境,由传统的以教促学的学习方式代之为学生通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式。虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境,在广泛的科目领域提供无限的虚拟体验,从而加速和巩固学生学习知识的过程。亲身去经历、亲身去感受比空洞抽象的说教更具说服力,主动地去动手操作学习与被动的灌输,有本质的差别。利用虚拟现实技术,可以建立各种虚拟实验室,它拥有传统实验室难以比拟的优势,虚拟实验室可以彻底打破传统实验室时间与空间的限制。学生可通过互联网24小时操作。在保证教学效果的前提下,极大的节省了成本。

 

该三维互动虚拟现实教学平台基于“创壹Web3D虚拟现实平台” 运行的网络虚拟实验3D环境,采用虚拟现实技术制作各种实验设备及其部件,并具有逼真3D互动虚拟实验、3D动画、3D实验设备模型或其部件模型任意方向旋转及视点变换的功能。能够实现大量并行用户快速下载及构建渲染动态3D场景,确保用户与3D场景互动的即时性,所有部件都可360 度全方位观看,具有直观立体,真实互动的效果。

同时它充分利用三维技术与图片文字语音相结合,不仅对仪器设备整机进行解析,还可对具体部件进行拆卸与安装,并对各控制系统电路等进行仿真模拟,全方位的让学员了解并掌握教学与实验内容所需的结构及原理。同时用户不仅可以动手对实验设备进行虚拟仿真操作,了解熟悉其工作原理,而且还可以进入“虚拟故障模拟系统”进行多种情况下不同部件的机械及电路故障排除模拟操作,从而能够积累实践经验。

 

虚拟现实三维互动教学平台自带Web3D编辑工具供用户任意编辑系统中所有三维模型及其相关动画,或编辑制作新的仪器设备3D模型及动画等。教师可以根据教学以及实验的需要任意修改系统中的3D互动内容。同时系统软件还自带电路自绘工具,用户可以任意自绘具有3D互动功能的电路图并根据用户所绘电路图自动生成3D装配图让用户进行接线,而且系统提供电路接线自动验证输出接线的正确性判断结果。所有的3D动画、3D模型及系统数据均采用128位随机加密技术以保证系统的安全性。

虚拟教学与实验Web3D编辑工具3D模型编辑制作界面

虚拟教学与实验Web3D编辑工具动画编辑界面

 

 

三维互动虚拟现实教学平台的技术特点是:

1.身临其境的真实体验感

建立各种仪器设备模型,可以通过计算机模拟出各个角度看到的各种仪器设备视觉效果及动态的各种仪器设备操作方法与各部件组装过程(包括组装过程中需要的工具),每个需要的画面上用提示性的文字或语音向用户展示,让学员能够自己动手操作很好地了解各种仪器设备的构造、拆卸/安装与操作使用。利用VR技术设计的逼真的三维虚拟环境,使学生置身于虚拟的3D学习环境当中,体验真机实训不可能观察到的各部件结构及重要部件独立的工作原理。

2. 逼真的电路系统及故障排除系统

平台能真实模拟各种仪器设备的所有电路及故障排除,学生进入平台便可进行多种情况下不同部件的机械及电路故障排除模拟操作,同时平台还设置了与真实万用表、示波器一样的“虚拟万用表” 、“虚拟示波器”,在该电路系统中就可以实现测算,仿真和调试等功能,为用户掌握电路原理,排除电路故障打下了坚实的基础。

 

3.交互性

平台充分利用VR技术的可互动性,设计了符合人们自然交互习惯的互动操作模式。平台还包含用于共享信息的人机交互界面,激发学生的学习兴趣,提高学生的动手操作能力。

4.多人在线学习,突破区域界限

平台支持多人同时在线学习,学员可不受时间、地点限制的随时上机操作学习,与传统实体操作仪器设备相比,既节约了培训时间,提高了学习效率,又降低了对设备的耗损。

5.支持远程应用及管理

    虚拟现实三维互动教学平台采取服务器端与用户端的模式。用户端(学生/教师)通过账号密码进行登陆,通过访问服务器,进行模型数据的传输。而整个平台的管理,是通过唯一管理员进行管理的,该管理员在平台里既可管理学生又可以管理教师,同时整个系统的架构内容都受管理员支配,使得该系统更具有灵活性和方便性。

6.可扩展的教学模块

虚拟现实三维互动教学平台以多系统多模块相结合的模式,利用职教所与创壹联合开发的虚拟平台,结合先进的虚拟现实技术,同时以C/S应用模式为主、B/S应用模式为辅,使得整个平台具有可扩展性。可以随时增加仪器设备的虚拟拓展模块,使平台紧随市场各种技术最新发展需求。

7.节省培训费用,提高培训效率

很多实验仪器设备(如数控机床、波峰焊机等)属于昂贵的实训设备,身价从几十万到上千万元不等,给教学单位带来了很大的设备资金压力,为解决这一难题,在该平台学员便可全方位掌握仪器设备的工作原理、各部件拆装、线路测试、故障排除等完善的教学应用,从而提高对仪器设备的熟悉度和认知度,以虚拟环境取代真机实训学习并获得超过真机实训的学习效果。

 

该平台已经在多个专业展开了应用,建立了包括:数控机床、模具、汽修、机械制作、电子技术、机电一体化等三维互动的教学系统,从根本上解决了职业教育中遇到个诸多困难,下面我们就简单地介绍一下几个重点应用模块的功能和价值:

 

 

虚拟数控机床培训系统”

 

 

 

数控机床是我国重点扶持的高精尖行业之一,对我国整体工业制造的发展有着举足轻重的作用,我国现大量缺乏优秀的数控机床相关技术人员,尤其是在数控机床日益普及的今天,数控机床维修维护人员短缺,在杭州曾经发生过月薪7000元请不到一名数控机床维修维护人员。

如何培养数控机床相关专业人才,是职业教育中的一大难题,尤其是高端的数控机床人才,通过虚拟数控机床培训系统,可以大大解决这一难题。该套系统是目前国内唯一一套集虚拟数控加工仿真以及机械原理、结构与拆装、电气原理、电路接线以及故障设置、故障排除以及数控系统、PLC梯形图系统故障诊断排除于一身的完整的三维虚拟数控机床培训系统,机械部分包括加工中心、车床(包括铣床、平床),同时还包括激光干涉仪,用于数控机床安装精度纠正以及测量的操作原理演示。并且能够逼真仿真千分表的所有功能用于数控机械安装精度检测装调,用户能够用鼠标随意拖动千分表将其吸附定位到数控机床的任意部位并根据需要任意调整千分表测头的位置来检测所要测试部位的精度。电气原理以及数控系统,包括法兰克、西门子、华中、广数,虚拟数控机床培训系统采用实体机床进行逼真重建的方法,对数控机床的每一个零部件,每一个螺丝、,每一个电气元器件进行模拟仿真,每一个部件都可以进行虚拟拆卸、安装,而且每一个元器件都具有属性,可以随意组成电路,设置故障,让学生学习故障排除方法。同时为电路及故障排除提供了一个逼真的三维虚拟环境和符合人们自然交互习惯的人机交互界面。数控加工操作面板,与实际系统运转一模一样,完全仿真,同时系统能够实现真正的自由式人机互动,最重要的是它能够让学生进行拆卸安装以及故障诊断排除,学生自己做什么样的三维互动操作,系统就能做出相应的反应。虚拟数控培训系统能让学生自己决定每一个使用操作步骤,系统能够根据学生的操作做出实时的反应,判断。这样才能真正达到学生动手参与实验操作的目的。教师模块的功能除了教学、实训、考核功能与学生模块功能相同之外,还具有考核维护、课件管理等功能。可以上传各种课件、编辑考题等等,考题可以是问答题、选择题、填空题,也可以使实操题目,拆卸安装、电路接线、故障诊断、排除等等,选择题、填空题、实操都有自动评分功能。系统自带Web3D编辑工具供用户任意编辑系统中所有三维模型及其相关动画,或编辑制作新的数控机床3D模型及动画等。同时系统软件还自带梯型图编辑工具及电路自绘工具,用户可以任意自绘具有3D互动功能的电路图并根据用户所绘电路图自动生成3D装配图让用户进行接线,同时系统提供电路接线自动验证输出接线的正确性判断结果。

以上的种种功能,都是数控机床教学过程中的诸多难点,一是解决的教学方法和教学工具的问题,而是解决了学校的教学经费问题,从现在的学校实际应用来看,推广和普及虚拟数控机床教学和培训模式,是我国大规模培养数控机床高端人才的必选之路。

 

数控车的加工效果

 

逼真显示相应的3D加工过程动画,加工好的3D工件模型达到数控加工高精度的要求(如加工中心加工出的圆弧是光滑的3D圆弧)。

 

 

 

 

 

 

 

 

“虚拟模具培训系统”

 

模具教学一直是职业教育中的难点,一方面社会需求量大,随着我们轻工业的发展,对高精模具的需求越来越多,而模具人才则是日益缺乏,通过采访职业院校的老师,许多老师说:讲解模具课,有时候一堂课下来,一个学生都没有听懂,太抽象太复杂了,老师讲解很难,学生学习也很困难。如何解决模具教学中的种种困难,是摆在我们面前的一个重要课题。

 

现在向大家介绍一种创新模具教学工具——M1系统,该系统是全国首创的模具虚拟教学系统。该系统配合模具教学大纲,将注塑模、冲压模、挤压模、吹塑模等多种模具采用虚拟现实的三维仿真技术展现,不仅对整个模具机构进行解析,还可对具体部件进行安装与拆卸。系统帮助学生解决了从二维图中去想象三维模型的难题,让学生进行任意互动的虚拟仿真操作,老师上课也不再将沉重的模具搬来搬去,不再为用文字和图片讲解模具三维结构而苦恼,真正实现互动教学。系统中已包含注塑模具系列、冲压模具系列等共三十套模具,让学员全面了解各种模具的结构及工作原理。它包含了浇注系统、顶出系统、冷却系统三大系统,把实物操作中看不到的内部结构及工作原理生动的展现出来,让学员完整了解模具的具体形成过程。例如原本通过传统的总装图中抽象难理解的注塑模中的浇注系统、顶出系统、冷却系统以逼真三维动画的形式直观的展现浇注流道设计及浇注成型过程、顶出系统顶针位置顶针面积设计原理及顶出运动过程、以及冷却系统冷却水流动的3D路径,将其运行过程动态形象地显示出来,让学生不再需要抽象理解想象2D总装图与实际3D模具结构之间的复杂关系及工作原理。系统内还包含了成型零件、导向零件、模胚零件、标准件四大类型的模具零件,可让学员逐一查看各个零件的名称、结构及应用。系统包括:型腔及型芯工艺分析、型腔工艺卡、型芯工艺卡,可让学员分析型腔和型芯零件图,认识加工工艺路线以及加工工艺过程中所必须注意的相关细节,系统提供的工艺卡是由模具厂模具设老师傅提供的最专业的模具加工工艺要求。系统包含了型腔与固定板的装配、型芯与固定板的装配、过盈合零件的装配、推杆的装配与修整等组件的装配,系统地展示了装配工艺的知识,并且系统内提供了典型结构的装配,为学员展示了前模滑块机构的装配。系统还提供模具成型演示与模具冲压演示,逼真的三维模型,动态形式展示,让学员完整了解模具成型、模具冲压的过程。系统包含了模具的自动拆装、手动拆装,模具的安装与拆卸流程都是由模具厂老师傅提供的最专业的模具拆装流程,让学员在看完演示后自己动手探索安装和拆卸的过程,考核学员的真实技能,大大提高学员的实际动手能力,为学员到真实操作中打下坚实的基础。

在模具教学改革中,虚拟模具培训系统是一大亮点,它大大提高了模具教学的效率和质量,同时学生的学习兴趣也得到大规模提升,针对模具教学中的难点提供了全面的解决方案,我们认为在职业院校中值得推广和普及,对国家模具人才的培养有着重要的战略意义。

 

3D模具模型、动画及文字可任意编辑的3D编辑工具界面

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

“虚拟汽车教学培训系统”

 

中国已成为全球汽车的第一大市场,快速发展的汽车工具为我国经济注入了一支强心剂,拉动了各个产业的发展,随着我国汽车保有量的不断攀升,另一个问题已经浮出水面——汽车维修维护。

不仅是现有的4S店,社会上的各类大大小小的汽车维修店如雨后春笋般涌现,而汽车维修维护人才却极为缺乏,近年来汽车工业和汽车技术不断发展,新能源汽车也不断普及,对汽车的维修维护提出了更高的要求。作为汽修人才培养的主力:职业院校,如何解决社会汽修人才的问题,成为了最大的教学要求。

汽车作为一个高度机电一体化的产品,内部结构非常复杂,需要全面了解汽车的结构和运行原理,才可能对维修维护有深刻的认识和技能,利用先进的IT技术,使用虚拟汽车教学培训系统,对培养汽修人才有着巨大的促进作用。

 

虚拟汽车教学培训系统以3D互动方式直观展现汽车的基本结构和工作原理,以及虚拟拆卸与安装(每一步互动操作都有相应的语音解说或提示)。并提供3D互动故障诊断及考核功能。本系统包含汽车机械常识汽车文化汽车的美容与装饰汽车电子电工技术应用汽车结构与拆装汽车使用日常维护汽车的修理汽车性能检测汽车故障诊断九大模块:(1)汽车机械常识包含量缸表的使用曲轴的测量汽缸的测量;(2)汽车文化包含汽车驾驶的演示和汽车驾驶的实训;(3)汽车的美容与装饰章节包含的主要课程(汽车清洗、汽车护理、汽车漆膜修补、汽车车身装饰、汽车室内装饰、车身电器的装饰等);(4)汽车电子电工技术应用主要包含电源系统绘制与连接、启动系统绘制与连接、点火系统绘制与连接、照明系统绘制与连接;(5)汽车结构与拆装包含整车拆装,发动机拆装,发电机拆装,发电机拆装(含工具),自动变速器原理,变速器内部展示与拆装,汽车整车展示与拆装,汽车底盘展示与拆装等(所有拆装均包括:自动拆卸,自动安装,手动拆卸,手动安装。其中自动拆卸,自动安装是为了让学员学习整个拆装过程,手动拆卸,手动安装是为了学员练习对所学拆装步骤的熟悉度。);(6)汽车使用日常维护包含调整点火正时、交流发电机各部件的检修、启动机故障诊断与排除、前照明灯的检查与排除、电动门窗故障诊断与调整等。(7)汽车的修理包含汽油泵拆装、分电器拆装、曲柄连杆机构拆装、活塞环更换、喷油器拆装、汽油机竣工验收、柴油机竣工验收、气缸压力的测量、变速器的拆装、前桥拆装、转向器拆装桑塔纳主减速器拆装、东风制动阀拆装、交流发电机拆装、分电器拆装、四缸发动机拆装、以及制冷剂进行泻放、添加及抽真空等常见汽车修理内容;(8)汽车性能检测功能模块可让学员在三维互动的场景中学习动手进行制动性能检测、灯光性能检测、汽车尾气性能检测、侧滑性能检测、蓄电池性能检测、交流发电机性能检测、启动机性能检测、点火性能检测、点火能量检测等性能检测;(9汽车故障诊断包含机械故障,电控故障,电器故障机械故障主要检查器件磨损间隙,裂纹,变形,老化等故障(包括冷却系统,润滑系统,启动系统,点火系统等故障);电控故障检查发动机控制和各个系统控制反馈信号的检测,查看各个功能传感器的故障(防盗系统,燃油系统,排气系统,点火系统,空气供给系统等故障);电器故障检查各个系统的电器原件故障(如雨刮喷水系统,灯光照明系统,仪表系统,启动系统,充电系统,玻璃升降系统,电动后视镜系统等故障)。本系统还提供排除故障过程中需要用到相关仪器仪表,例如:汽车故障检测仪,示波表,千分尺,内径千分尺等三维互动模型。

 

 

 

在职业院校汽修专业中推广和普及虚拟汽车维修维护培训系统,是汽修教学改革的一大进步,不仅在教学方法是进行了改革,在教学内容和教学模式上都是巨大的进步和变革,对我国大力发展汽修人才有巨大的推动作用。

 

 

“电子技术专业虚拟教学资源系统”

 

电子产品及技术是我国工业产业的重点支柱性产业,随着人民币的升值和国际产业环境的变化,我国电子技术产业面临巨大的机遇与挑战,电子技术产业升级成为当前政府和企业最关心的问题。产业升级的核心就是人才问题,在电子技术人才培养方面如何进行产业升级,这是摆在职业院校电子技术教学领域的一大课题,未来的中国不仅仅需要简单的电子技术工位人才,更需要掌握复杂的电子技术相关设备的人才,如何培养这些人才呢?

 

“电子技术专业虚拟教学资源系统”采用Web3D虚拟互动技术实现对真实电子产品工厂生产过程的逼真模拟重现,让学生不需到实际工厂就可以在3D虚拟工厂体验到电子产品生产的所有工艺、技术及安全生产流程。学生有三种学习模式:企业参观学习(任意漫游到进入虚拟3D电子产品生产车间参观)、工艺与操作要点学习(自主根据岗位制作对应的动画等资源进行学习、虚拟仪器的操作,自主操作对应的虚拟设备,以及部分文字资料的展示)、考核模式(用户登陆,按电子产品生产与效验工艺一步一步地操作直到整个产品完成,并实现自动考核)。系统包含三极管、二极管、电容、电阻、波峰焊机、贴片机等各种电子技术的核心元器件的三维模拟建设,从三维模型到内部工作原理展示,生动直观地展示了电子技术中的各类抽象知识和原理,并可进行电子元器件预处理、印刷电路板电子元器件插装、波峰焊机操作等实训。帮助学生学习电子技术的各种知识原理及实操的掌握情况。

虚拟技术带来的好处就是可以大大节约资源、资金和空间,并且可以随着电子技术的发展而不断升级换代,非常适合技术高速变迁的电子技术行业,在电子技术教学领域大规模普及和推广虚拟现实技术,对全行业的人才培养起着至关重要的作用,也是当前职业院校电子技术教学改革的一大方向。

 

 

学生在线3D虚拟教学与实验终端软件图示3

 

“机械设计与制造虚拟教学培训系统”

 

机械设计与制作是重工业产业的重要领域,大量需要一线的技术人才,在职业院校教学改革中,这也是重点改革方向和课题,但机械设计与制作专业是个传统的难点,即使在大学机械专业中也是一个教学难点,如何培养和训练学生的二维空间能力与三维空间想象能力,如何讲普通的二维机械图纸转为为三维的空间形象,这一直是该专业的教学难点。

 

为解决机械设计与制造的教学内容复杂抽象难以理解的困难,一些院校开始尝试使用虚拟培训的教学系统,这样的虚拟系统完成了各种机械结构(如蜗杆、齿轮机构、轴承、轴轮系等)、机械加工方法(如车削、 铣削、 刨削、 磨削、 钻削与镗削)的工艺特点及应用、砂型铸造、金属的塑性变形、焊条电弧焊的原理及常用金属材料的铸造、锻造和焊接的基本工艺、各种材料力学计算及钢的普通热处理等三维互动多媒体教学与学习实训体验场景一方面可以考核学生对机械制造基础与机械设计原理的理解能力,另一方面可以考核学生对机械结构的制造工艺加工方法的掌握能力,并可以实现三维互动考核和教学。

 

 

 

 

 

通过三维场景的教学模式,可以大大提高学生的空间想象能力,帮助学生将抽象的机械制图转换为生动的三维场景,不仅仅对机械结构本身理解有帮助,同时对机械机构工序等方法的教学都有巨大的帮助。

通过应用虚拟场景的教学模式,是对机械结构设计与加工专业的一次大胆尝试,也是对该专业的教学内容、教学形式、教学模式的一次重大改革。


 

“机电一体化虚拟教学培训系统”

随着机械和电子技术的不断发展,机电一体化是未来最主要的发展方向,机械与电子技术的融合,需要更多的复合型人才,需要深入理解机械原理和电子技术原理,同时能够掌握二者的互动关系。而这恰恰是教学的难点,电子技术往往在背后,看不见摸不着,而看得见的机械结构正是由这些看不见的技术控制着。

如何让学生更好地理解和掌握机电一体化的相关知识和技能,这是摆在职业院校老师面前的一大课题,也是提升我国机电产业的重要课题,运用虚拟现实技术是一个很好地解决方案:

机电一体化虚拟教学培训系统是一套完整的含盖基础电子电工到PLC控制逻辑等机电控制系统的三维互动数字化教学实训软件,同时提供了各类元器件与对应各类控制对象的关联关系。元器件库由电路元器件、液压系统功能部件、气压系统功能部件以及各种应用构件组成。更为重要的是,系统提供了一套教师自绘电路原理图的编辑工具以及PLC编辑器并能以此自动生成三维元器件电路装配图用于实际电路接线训练,可以很好地帮助学生学习对电路原理、电气控制原理以及各种元器件相关性能知识以及培养实际动手能力,同时直观地展示机电一体化的原理和工作机制。

自绘电路原理图的编辑工具以及PLC编辑器界面

 

                                     系统自动生成三维元器件电路装配图         

 

 

教师自绘电路非常重要,因为在机电一体化教学中,随着科技的发展,教学内容要不断更新,只有提供了自绘电路功能,才能让职业院校的教学与社会相关技术的发展同步,才能真正培养出社会和企业都需要的人才。

应用虚拟教学环境和技术解决机电一体化教学难题,是职业院校教学改革的一大举措,也是对职业院校教学模式和教学内容创新的一次探索,对推进我国机电一体化教学有着积极的作用。

 

通过以上专业范例可以看出,三维互动的虚拟教学系统对我国职业院校教学改革有着巨大的推动作用,也是本次职业院校教学改革的重点核心技术和内容,借鉴国外的经验和技术,如德国职业院校教育,美国职业院校教育等等,都是大力推广和普及了三位互动虚拟教学系统,一方面可以大规模节省教学经费,另一方面可以大大提高学生的训练时间和训练效果,结合真实的设备和实训环境,可以帮助学校培养出企业真正需要的技术人才。

虚拟现实技术,引领推动职业教育教学改革进程!