關(guān)于虛擬實(shí)踐教學(xué)軟件的開(kāi)發(fā)實(shí)踐與人才培養論文
本文介紹了虛擬實(shí)踐教學(xué)軟件制作過(guò)程及挖掘本科學(xué)生潛力，提高學(xué)生技能的教學(xué)探索實(shí)踐，總結了軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中積累的校企合作的成功經(jīng)驗。
材料科學(xué)與工程學(xué)科是現代科學(xué)技術(shù)的基礎，是與實(shí)際生產(chǎn)和應用緊密結合的科學(xué)理論和工程技術(shù)學(xué)科，其中的材料成形類(lèi)專(zhuān)業(yè)更是來(lái)源于實(shí)踐，服務(wù)于實(shí)踐。這些特點(diǎn)決定了材料成形類(lèi)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)必須具有足夠多的實(shí)踐課程，才能培養出適應社會(huì )發(fā)展、能為社會(huì )做出更多貢獻的合格人才。
教育管理者和教育界人士很早就認識到實(shí)踐教學(xué)的重要性，也積極采取各種方法加強各學(xué)科的實(shí)踐教學(xué)，但總體看來(lái)，相比理論教學(xué)，實(shí)踐教學(xué)的覆蓋范圍、教學(xué)強度、教學(xué)水平等還很欠缺。由于實(shí)踐課程需要大量的資源配置，實(shí)踐課程往往簡(jiǎn)單地以參觀(guān)工廠(chǎng)和車(chē)間的形式完成。雖然對工廠(chǎng)和車(chē)間的參觀(guān)可以給學(xué)生以直觀(guān)的概念，但僅以此作為實(shí)踐教學(xué)則遠不夠。目前普遍實(shí)行的實(shí)踐教學(xué)有很多不足之處：
(1)對實(shí)踐教學(xué)的重視程度還不夠。長(cháng)期以來(lái)，高校實(shí)踐教學(xué)被認為是理論教學(xué)的輔助環(huán)節，是以加深和幫助理解課堂教學(xué)內容為目的。實(shí)踐教學(xué)內容以驗證性實(shí)驗為主，內容和進(jìn)度基本上依附于課堂教學(xué)，無(wú)法充分發(fā)揮實(shí)踐教學(xué)在培養學(xué)生中的重要作用。
(2)實(shí)踐內容缺乏創(chuàng )新。由于實(shí)踐教學(xué)本身得不到重視，實(shí)踐教師和工作人員很少有機會(huì )走出去學(xué)習、交流和深造，只能年復一年地重復過(guò)去的實(shí)驗，很難在設計性實(shí)驗和綜合性實(shí)驗方面下功夫，直接影響了實(shí)踐教學(xué)在整個(gè)教學(xué)中所發(fā)揮的作用，無(wú)法保障人才培養工作的質(zhì)量。
(3)實(shí)踐教學(xué)設備需求量大。隨著(zhù)我國高等教育的普及，各個(gè)高校都在擴招。在校學(xué)生數量的急劇膨脹，需要更多的實(shí)驗設備，且需要更多的空間安置實(shí)驗設備。對于材料成形類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)中使用的設備，很多是重型設備，這些設備價(jià)值高、占地空間大、用電等輔助配置要求高，學(xué)校不可能大批量購置，如何解決設備少、學(xué)生多的矛盾，是進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)不可回避的難題。
(4)實(shí)踐教學(xué)的創(chuàng )新性功能未得到開(kāi)發(fā)。實(shí)踐是產(chǎn)生科學(xué)知識的直接來(lái)源，如何合理利用實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，促進(jìn)學(xué)生在學(xué)習過(guò)程中主動(dòng)思考問(wèn)題并解決問(wèn)題，進(jìn)而設計新的實(shí)驗，達到在學(xué)習的過(guò)程中創(chuàng )新，在創(chuàng )新的過(guò)程中學(xué)習，還遠未得到重視。
(5)部分實(shí)驗具有一定危險性和復雜性，不適合學(xué)生在沒(méi)有經(jīng)驗的情況下操作。如熱軋過(guò)程、熱擠壓過(guò)程等，都屬于高溫作業(yè)，必須具有相關(guān)的操作經(jīng)驗和資質(zhì)，否則很容易造成人身和設備事故。這就導致現行的實(shí)驗過(guò)程中，學(xué)生只能遠遠地觀(guān)看而無(wú)法參與操作，無(wú)法達到實(shí)踐教學(xué)的最好效果。
以上不足和缺憾是長(cháng)期存在的，不可能在短缺內得到改善，要想提高實(shí)踐教學(xué)水平，只有另辟蹊徑，其中利用虛擬現實(shí)技術(shù)，建立網(wǎng)上虛擬實(shí)驗設備及虛擬實(shí)驗室，是解決這些問(wèn)題的有效方法。
虛擬實(shí)踐教學(xué)系統能夠克服傳統實(shí)踐教學(xué)中的種種不足，且較傳統實(shí)踐教學(xué)來(lái)說(shuō)，花費少，可持續發(fā)展性好，是傳統實(shí)踐教學(xué)的補充和提高。材料成形類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)系統的開(kāi)發(fā)項目，依托遼寧省教改項目“材料成形類(lèi)專(zhuān)業(yè)互動(dòng)式實(shí)踐教學(xué)系統的研發(fā)與應用”而進(jìn)行。而“互動(dòng)式軋機裝配軟件的開(kāi)發(fā)”是本項目的組成部分。
1 軋機拆裝軟件設想的提出
基于材料成型專(zhuān)業(yè)材料成形機械設備教學(xué)需求及實(shí)踐教學(xué)的需求，結合對虛擬技術(shù)的理解，提出了開(kāi)發(fā)一款交互式軋機拆裝軟件的構想。學(xué)生利用交互式軟件可以在電腦上通過(guò)鼠標的點(diǎn)擊模擬軋機的裝配過(guò)程，加深對軋機結構的理解。
2 開(kāi)發(fā)過(guò)程
開(kāi)發(fā)軟件的流程如下：可行性研究→軟件需求的調研→組建軟件制作團隊→制作軟件的3DMAX軟件的培訓→尋找軋機CAD圖紙→圖紙分析→建�！慵R庫的建立→安裝腳本制作→軟件界面(UI)設計→編程→軟件測試→功能完善。
(1)軟件制作的的技術(shù)可行性。通過(guò)向軟件開(kāi)發(fā)專(zhuān)業(yè)單位咨詢(xún)及探討，確認了軟件制作的技術(shù)可行性。
(2)軟件需求的市場(chǎng)調研。通過(guò)在學(xué)生群體中的調研，確認開(kāi)發(fā)軟件應用前景及使用覆蓋面。開(kāi)發(fā)出的軟件可以提供給材料成型專(zhuān)業(yè)老師教學(xué)演示使用;材料成型專(zhuān)業(yè)學(xué)生將其作為實(shí)踐環(huán)節學(xué)習設備結構原理的學(xué)習軟件;軋鋼企業(yè)將其作為培訓職工的工具;幫助不了解軋機的其他專(zhuān)業(yè)人士了解軋機結構及各個(gè)部件的作用。
(3)招募學(xué)生組建軟件制作團隊。委托軟件開(kāi)發(fā)企業(yè)完成整套軟件開(kāi)發(fā)費用較高，教改項目的經(jīng)費不足以支付全部開(kāi)發(fā)費用，而軟件開(kāi)發(fā)企業(yè)人員又不具備材料成形設備專(zhuān)業(yè)知識，單獨開(kāi)發(fā)存在困難。通過(guò)與企業(yè)研究，我們決定嘗試校企共同開(kāi)發(fā)的模式。招募本科生參與軟件開(kāi)發(fā)的部分工作。這樣可以將軟件開(kāi)發(fā)與學(xué)生技能培養相結合，學(xué)生在掌握本專(zhuān)業(yè)知識的基礎上，應用所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識參與制作模型等工作，既挖掘的學(xué)生的潛力，提高了學(xué)生的技能，又在有限資金的情況下，完成開(kāi)發(fā)工作，縮短開(kāi)發(fā)周期。團隊招募的具體做法是：以學(xué)過(guò)專(zhuān)業(yè)課的大四本科生為主體，以大三學(xué)生為輔，兼招少數機械專(zhuān)業(yè)學(xué)生，讓本專(zhuān)業(yè)學(xué)生與機械專(zhuān)業(yè)學(xué)生優(yōu)勢互補。大三學(xué)生的招募是為了形成梯隊，保證今后軟件制作團隊開(kāi)展工作的.連續性。
考慮學(xué)生考研、就業(yè)及出國深造的各種不同情況，在保證3～4人的相對穩定的核心團隊情況下確定團隊成員動(dòng)態(tài)加入，動(dòng)態(tài)退出機制。在這樣的指導思想下，通過(guò)在大三、大四本專(zhuān)業(yè)及相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生中的廣泛宣傳和發(fā)動(dòng)，迅速招募了十幾名制作成員，組建了虛擬軋機拆裝軟件制作團隊。
(4)團隊成員高效率培訓。制作團隊組建后，聘請軟件公司人員利用業(yè)余時(shí)間對學(xué)生進(jìn)行3DMAX等軟件的培訓，并提供給學(xué)生相應的軟件學(xué)習參考書(shū)及工具。學(xué)生在較短的時(shí)間內就掌握了軟件使用方法。
(5)CAD圖紙分析。專(zhuān)業(yè)教師為學(xué)生找來(lái)軋機的CAD圖紙，指導學(xué)生明確圖紙中圖與實(shí)物的對應關(guān)系，并帶學(xué)生去現場(chǎng)觀(guān)察軋機實(shí)物，以建立對零部件的空間形象想象。
(6)建模。由于拆裝零件的需要，經(jīng)過(guò)慎密的對比及思考，決定應用3DMAX建模。建模學(xué)生根據對圖紙理解及對空間圖的想象，利用3Dmax對每一個(gè)零件進(jìn)行建模。
圖1為輥系中兩個(gè)零件的圖紙及建立的相應的模型。整個(gè)軋機包括零件有1700多個(gè)，需要單獨建立模型的就多達200多個(gè)。利用一個(gè)假期學(xué)生完成了全部零件的建模。
(7)零件知識庫的建立。為了方便使用者使用軟件拆裝零件時(shí)對零件的了解，還嵌入了零件知識庫。使用者在拾取零件時(shí)，點(diǎn)擊時(shí)就可以鏈接到知識庫。屏幕上就出現此零部件的名稱(chēng)、作用及應該安裝的位置，這樣就方便了使用者的理解。知識庫的建立雖然增加了軟件制作成員的工作量，但是其在為使用者提供方便的同時(shí)，也讓開(kāi)發(fā)軟件的學(xué)生加深了對于設備中零件的了解。表1為部分零件知識庫。
(8)腳本的制作。在軋機的安裝過(guò)程中，需要知道安裝的順序，這就需要一個(gè)安裝的腳本。軟件制作成員對腳本進(jìn)行了制作。確定了以下腳本制作的原則：①在軋機裝配過(guò)程中遵照零件→組件→部件的原則，先單獨裝配機架、輥系、傳動(dòng)裝置、減速箱、齒輪箱和驅動(dòng)裝置，再組裝到一起。②在寫(xiě)腳本過(guò)程中，遵循“由內向外，由下往上”的順序自己裝配部件。圖2為軋輥安裝腳本順序圖。
按安裝腳本安裝軋輥最終效果，圖3。
圖3
為方便后期更加直觀(guān)地了解軋機的裝配順序，制作時(shí)還通過(guò)對部件進(jìn)行炸開(kāi)處理，并對各個(gè)零件賦予不同顏色的材質(zhì)，方便使用者清晰觀(guān)看，見(jiàn)圖4。
圖4
對工作機座主要的部件組裝完成后，再對傳動(dòng)裝置、主電機、減速箱等部件進(jìn)行組裝，最后組裝成軋機，見(jiàn)圖5。
圖5
(9)應用Unity實(shí)現軟件的功能。利用Unity軟件和制作的腳本處理軋機三維模型，讓軟件具有學(xué)習和拆裝模式，把知識庫存儲到軟件中。使用者可在使用過(guò)程中了解軋機的組裝過(guò)程，還可自己組裝軋機。將軋機置于某虛擬的場(chǎng)景中，還可以實(shí)現對軋機三維視角的觀(guān)察。
回顧軟件制作過(guò)程，我們總結出一些值得借鑒的經(jīng)驗：(1)給學(xué)生充分的自由度，包括制作中時(shí)間安排，UI的自主設計，場(chǎng)景的自主設計，功能的添加等，這樣做可以給學(xué)生更多的自主發(fā)揮空間，這樣充分調動(dòng)了學(xué)生的興趣和主觀(guān)能動(dòng)性;(2)鼓勵學(xué)生大膽想象，大膽創(chuàng )新，并給學(xué)生創(chuàng )造寬松的創(chuàng )新環(huán)境。貫徹不拘一格，風(fēng)格各異的理念，學(xué)生的創(chuàng )新意識得到最大程度的提高;(3)建立軟件公司、教師、學(xué)生定期會(huì )面制度。按照公司模式按時(shí)間節點(diǎn)檢查進(jìn)度，布置工作，指定專(zhuān)人進(jìn)行會(huì )議記錄。教師、學(xué)生與企業(yè)人員共同切磋，對軟件制作細節提出自己的看法和建議。學(xué)生受到企業(yè)文化的熏陶，形成了嚴謹工作作風(fēng)。
3 結語(yǔ)
互動(dòng)軋機拆裝軟件開(kāi)發(fā)實(shí)踐，開(kāi)創(chuàng )了校企合作開(kāi)發(fā)軟件兼培養學(xué)生的全新模式并從中總結了成功經(jīng)驗;鍛煉和培養了一支由各年級本科生組成的可持續工作有強力后勁的虛擬教學(xué)軟件制作團隊;在軟件開(kāi)發(fā)實(shí)踐中大大提升了本科生自主學(xué)習能力、創(chuàng )新能力、實(shí)踐能力;學(xué)生提前感受企業(yè)管理的理念，培養了團隊合作意識，踏實(shí)的工作作風(fēng)，鍛煉了自己克服困難的意志，為走出校門(mén)、邁向社會(huì )做好了心理上的準備。有4名同學(xué)以此為題目完成了高質(zhì)量的畢業(yè)設計，獲得教師的高度認可和好評;所做的軟件在演示過(guò)程中受到答辯老師們的肯定，軟件投入使用會(huì )收到預期的效果。
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