金屬焊接實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室研究

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“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”(卓越計(jì)劃)是教育部提出的振興工程教育的重要舉措,旨在培養(yǎng)和造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量工程技術(shù)人才[1].中國(guó)石油大學(xué)(華東)是入圍卓越計(jì)劃的試點(diǎn)高校,學(xué)校材料成型及控制工程專業(yè)是首批落實(shí)卓越計(jì)劃的試點(diǎn)專業(yè).為了保證卓越計(jì)劃的順利實(shí)施,材料成型及控制工程專業(yè)對(duì)主干課程教學(xué)大綱及教學(xué)內(nèi)容作了調(diào)整,并深化教學(xué)改革,精心建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)室.本文以金屬焊接課程為例,介紹本校在卓越計(jì)劃背景下虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及課程改革的探索及實(shí)踐之路。

1金屬焊接實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)

金屬焊接是材料成型及控制工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,也是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程.該課程以金屬材料為研究對(duì)象,要求學(xué)生掌握冶金理論和石油石化生產(chǎn)領(lǐng)域金屬材料的焊接方法、焊接性能以及焊接工藝.按照卓越計(jì)劃中工程教育對(duì)課程的要求,傳統(tǒng)的課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件將面臨很大的挑戰(zhàn)[2]:(1)由于高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備的數(shù)量有限、設(shè)備類型單一,無法滿足大量學(xué)生同時(shí)做實(shí)驗(yàn)的需要;(2)一些大型金屬焊接實(shí)驗(yàn)設(shè)備投入和維修成本高;(3)實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新較慢,在用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備往往與新技術(shù)設(shè)備差距較大;(4)部分特殊實(shí)驗(yàn)無法實(shí)現(xiàn),如大型球罐焊接、在役管線焊接修復(fù)、事故模擬等.實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件的不足成為金屬焊接實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的一大阻力.

2虛擬實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)

1989年,美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)的WilliamWolf教授提出虛擬實(shí)驗(yàn)室概念后[3],引起世界各國(guó)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作者的重視.我國(guó)從2000年開始進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究及建設(shè).目前,依托卓越計(jì)劃,高校積極建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)室[4G5],虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相互補(bǔ)充,提高教學(xué)效果.虛擬實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)主要有以下4方面.(1)投資少.虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)資源是數(shù)字化資源,方便擴(kuò)充和共享.一方面,它節(jié)省了學(xué)校采購(gòu)大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備和更新實(shí)驗(yàn)設(shè)備的資金投入,有效地解決了教學(xué)資源短缺、設(shè)備陳舊及更新緩慢等問題[6];另一方面,虛擬實(shí)驗(yàn)室可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)資源共享,避免了實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的重復(fù)購(gòu)置.此外,虛擬實(shí)驗(yàn)室也節(jié)省了學(xué)生進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)時(shí)購(gòu)買材料的費(fèi)用.(2)安全性高.當(dāng)學(xué)生進(jìn)行實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)時(shí),由于操作不當(dāng)便可能造成人身傷害和財(cái)產(chǎn)的損失;而帶壓管道的在役焊接等一些危險(xiǎn)性較大的實(shí)驗(yàn),學(xué)生也無法親自操作.借助虛擬實(shí)驗(yàn)室,不但可以對(duì)高危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真,彌補(bǔ)教學(xué)條件的不足,同時(shí)可以避免真實(shí)的高危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)中的各種安全問題.(3)實(shí)現(xiàn)形象化教學(xué),提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣.采用虛擬技術(shù)構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室,運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形、聲音和圖像創(chuàng)造逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,不受時(shí)間和空間的限制.以石油石化行業(yè)典型的大型壓力容器焊接為例,采用虛擬實(shí)驗(yàn),不但能以三維圖形圖像和聲音將焊前準(zhǔn)備、預(yù)熱及焊接過程逼真地的表現(xiàn)出來,使學(xué)生有豐富的感性認(rèn)識(shí),還能通過模擬不同現(xiàn)場(chǎng)條件下的焊接實(shí)驗(yàn)(如球罐環(huán)焊縫焊接中的平焊、立焊和仰焊)加深學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解.(4)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力.“卓越計(jì)劃”的一個(gè)典型特點(diǎn)是強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力.其中創(chuàng)新能力的培養(yǎng)在于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維,提高學(xué)習(xí)主動(dòng)性,讓學(xué)生從知識(shí)的接受者轉(zhuǎn)變?yōu)橹R(shí)的探究者[7].虛擬實(shí)驗(yàn)室使實(shí)驗(yàn)教學(xué)變得極富創(chuàng)造性,學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)主體能夠發(fā)揮自主創(chuàng)新性.虛擬實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)和設(shè)計(jì),是通過預(yù)設(shè)的實(shí)驗(yàn)步驟、語音、按鍵等引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn).學(xué)生可以靈活選擇實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?短時(shí)間內(nèi)更換焊接材料、更改焊接方案、調(diào)整焊接工藝參數(shù).虛擬實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生正確地理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、總結(jié)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,而不需要消耗太多時(shí)間和實(shí)驗(yàn)資源;學(xué)生在嘗試和總結(jié)中進(jìn)行探索、發(fā)現(xiàn)事物的本質(zhì)和規(guī)律,有利于擴(kuò)展思維空間,有助于提高實(shí)踐創(chuàng)新能力.

3實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛實(shí)結(jié)合的應(yīng)用

3．1虛擬實(shí)驗(yàn)室的局限性

教學(xué)實(shí)踐證明,虛擬實(shí)驗(yàn)室雖能在很大程度上輔助教學(xué),但不能完全取代真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室.這是因?yàn)?(1)虛擬實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)模式過于強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主性,教師的主導(dǎo)作用難以體現(xiàn),容易偏離教學(xué)目標(biāo);(2)過多的虛擬實(shí)驗(yàn)將導(dǎo)致學(xué)生和教師之間的情感聯(lián)系減少,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)終端成為師生之間面對(duì)面交流的障礙,削弱了直接交流的情感教育[8];(3)虛擬實(shí)驗(yàn)室是人為設(shè)計(jì)的,仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、實(shí)驗(yàn)操作流程、文字說明及語音提示等皆受控于設(shè)計(jì)人員,導(dǎo)致實(shí)際焊接實(shí)驗(yàn)結(jié)果的細(xì)節(jié)化和多樣化被掩蓋,不利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中的問題和更細(xì)致地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象;(4)更重要的是,虛擬實(shí)驗(yàn)允許學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的出錯(cuò),對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真、謹(jǐn)慎、負(fù)責(zé)的實(shí)驗(yàn)態(tài)度是非常不利的.可見,對(duì)材料成型及控制工程專業(yè)而言,培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力離不開實(shí)際操作的訓(xùn)練,創(chuàng)新思想更需要實(shí)踐的驗(yàn)證[9G10],“虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)模式能夠做到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ).

3．2虛實(shí)結(jié)合的金屬焊接實(shí)驗(yàn)教學(xué)

按照卓越計(jì)劃對(duì)“卓越”的要求,金屬焊接課程應(yīng)以培養(yǎng)學(xué)生的能力為出發(fā)點(diǎn).我校自主研發(fā)的金屬焊接課程虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng),包含一個(gè)虛擬展廳和弧焊電源、焊接設(shè)備、焊接工藝和焊接檢驗(yàn)等4個(gè)實(shí)驗(yàn)室[11G12].在金屬焊接實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施過程中,采用虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式.以金屬焊接中“插銷焊接實(shí)驗(yàn)”為例,通過“虛擬實(shí)驗(yàn)—實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作—強(qiáng)化虛擬實(shí)驗(yàn)”的過程,循序漸進(jìn)地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐技能和創(chuàng)新能力.(1)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備.實(shí)驗(yàn)前先進(jìn)行知識(shí)準(zhǔn)備,通過虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)過程,了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?(2)虛擬實(shí)驗(yàn).學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)終端進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室,根據(jù)文字及語音提示逐步完成實(shí)驗(yàn),虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)可以對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的操作錯(cuò)誤給予提示和幫助.學(xué)生在完成插銷的焊接以及加載荷的實(shí)驗(yàn)過程中,可進(jìn)行多次操作練習(xí).實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,學(xué)生可以在線提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告,實(shí)驗(yàn)教師根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果給予指導(dǎo),為實(shí)際操作做好準(zhǔn)備.(3)實(shí)際操作實(shí)驗(yàn).學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)操作,減少了實(shí)驗(yàn)過程中時(shí)間和材料的浪費(fèi).通過直觀的觀察,學(xué)生能夠更加深刻地理解插銷焊接實(shí)驗(yàn)過程及評(píng)價(jià)氫致延遲裂紋敏感性的意義.(4)強(qiáng)化虛擬實(shí)驗(yàn).通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作,學(xué)生能夠進(jìn)一步完善焊接方案及焊接工藝,再依靠虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)討論、創(chuàng)新及改進(jìn).尤其是參加大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)生,通過“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ侥軌蚺e一反三,對(duì)金屬焊接課程的理解也再次提升.

4結(jié)束語

虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)平臺(tái)提供了一個(gè)不受時(shí)空限制的開放性實(shí)驗(yàn)環(huán)境,在節(jié)省資源、安全性、形象化教學(xué)以及提高學(xué)生自主性、創(chuàng)新性等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要形式.尤其是在焊接實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生可以在逼真的環(huán)境中虛擬完成大型設(shè)備的焊接、拆裝操作,豐富了金屬焊接課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容.隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展,虛擬實(shí)驗(yàn)室必將在金屬焊接課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮更加積極的作用.但是,虛擬實(shí)驗(yàn)室不可能完全取代真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室,而基于虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建技術(shù)和金屬焊接實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式代表著先進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方向,為石油類高校金屬焊接課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一種嶄新的模式.

作者：李美艷 雷毅 韓濤 韓彬 單位：中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院