论文部分内容阅读
[摘 要]目前社会各型企业对高等技术应用型人才的需求日渐增加， PE管焊接教学急需改革。为此西南石油大学将PE焊接教学与虚拟仿真两项技术相结合，从虚拟仿真技术多感知性、交互性以及构想性等方面的主要特征出发，研发出PE焊接仿真教学实训系统。 现已将该系统应用于管道焊接教学中，文章重点介绍了工艺流程、主要设备、操作流程及技能培训4部分，教学内容呈现出多样化、生动化、形象化的特点。
[关键词]PE管焊接；教育；虚拟仿真技术；PE管焊接教学虚拟仿真；
中图分类号：TN0-4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）25-0234-02
PE是指聚乙烯塑料，是基础的一种塑料制品，塑料袋和保鲜膜等都是PE材料，PE管具有优良的耐大多数生活和工业用化学品的特性，所用范围非常广，一般可用于PE燃气管道、PE给水管道和PE排污管道等，对于焊接技术，国家有关部门专门为此设立焊接工技术考试，设置专门的技术证明，可见国家对这项技术的重视及认可，不少高校将焊接技术列入工科学生的认识实习当中，让学生接触焊接技术，从大学开始培养学生的焊接技术，培养能从事燃气和居民用水的输送、存运等同时具备多种高素质技能型人才。
一、虚拟仿真与PE管焊接教学结合的必要性
关于国家教育部发布的《教育部2016年工作要点》内容第10点“优化高校人才培养机制”提及加强国家建设虚拟仿真实验中心，《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》内容提及教育信息化改革的具体措施及发展规划，着重强调了关于增强开发虚拟仿真实训教学软件、虚拟仿真实训实验系统以及建立虚拟仿真实训基地的力度。
虛拟仿真技术是由计算机系统创建的一种令人感到身临其境及获得与环境交互体验的虚拟世界。营造一个三维的教学环境，提高学生掌握知识、技能的效率，真正使教学者更容易地去表达自己的教学思想和教学内容，具体表现为如下：（1）在教学模式方面，有利于情境创设和大量知识的获取与保持；（2）在教学手段方面，以一种直接的信息传递方式，提供直观形象的思维材料；（3）在教学内容方面，用文字、语音和三位实景虚拟现实过程协同描述。 因此，虚拟仿真技术作为一项前瞻的科学技术，是继多媒体、计算机网络之后，在教育领域最具有应用前景的“明星技术”。
目前的焊接教学内容，主要为多媒体视频播放及PPT的讲解，但并没有让学生有一种身临其境的体会，错误的操作，失误的操作时常发生，学生的焊接技术并没有质的提升，因此，为有效培养出高等技术应用型专业人才，提供学生的焊接技术，西南石油大学率先开发出PE管焊接实训系统，应用于焊接技术教学，并获得了很好的教学效果。
二、虚拟仿真技术的应用
1.虚拟仿真技术
虚拟仿真即虚拟现实技术或模拟技术，就是用一个虚拟的系统模仿另一个真实系统。其虚拟系统由计算机产生，而使用者可“进入”到该环境中，有身临其境之感，并可借助视觉、听觉及触觉等多种传感通道与虚拟世界进行自然的交互。虚拟现实（Virtual Reality）有其四个特性：（1）沉浸性（Immersion）：使用者能有视觉、听觉、嗅觉、触觉、运动感觉等多种感知，应该具有能够给人所有感知信息的功能。（2）交互性（Interaction）：即不仅环境能够作用于人，人也可以对环境进行控制，并且人是以近乎自然的行为（自身的语言、肢体的动作等）进行控制的，而虚拟环境还能够对人的操作回以实时的反应。 （3）虚幻性（Imagination）：系统中的环境是虚幻的，是模拟出来的。既可以模拟客观世界中以前存在过的或是现在真实存在的环境，也可模拟出当前并不存在的但将来可能出现的环境，或仅属于人们幻想的环境。（4）逼真性（reality）：虚拟仿真系统的逼真性表现在两个方面：一方面，给人的各种感觉与所模拟的客观世界非常相像，就如真实世界一样；另一方面，当人以自然的行为作用于虚拟环境时，环境做出的反应也符合客观世界的有关规律。
2.PE管焊接仿真实训系统的应用
（1）工艺流程
根据焊接方法的不同，设置了电熔焊接和热熔焊接不同的工艺流程。在应用之前，先让学生首先大致了解PE管及各种设备的大概信息，和不同的焊接有哪些步骤。例如电源电压的范围，机架管材的放置，铣刀夹具的开启取下等。其后就是针对各个小步骤的工艺，如各种信息的录入，压力的记录等进行更为详细的讲解。
仿真系统的操作中，通过点击鼠标实现设备的开启，夹取，信息的录入情况等。教师可设置不同的工艺流程参数，准确地模拟出现场不同的管材设备。如此，那么在老师授课轻松便捷的同时，学生不仅会轻松掌握一般PE管焊接的相关操作步骤，更会全面的让学生处理各种不同条件状况下的实际情况。
（2）仿真软件的互动性
1.用软件进行操作时，在相应的单元内通过鼠标、键盘等输入相应的型号及参数后，会在场景内自动生成管件模型，用鼠标点击可以进行拖动，继续下一步操作。例如在进行PE管的选用时，直接在相应菜单输入管径、材料和壁厚等参数就可以在场景内直接生成相应的管道。
2.同时在场景内，当鼠标悬停在设备上时，可显示设备参数、工作状态等信息。例如在进行加热管材的过程中，可以把鼠标悬停在PE管上，查看管道的参数，也可以悬停在泵站上查看压力等数据。
3.操作进行的过程中，使用者可以得到部件及机器的工作状态的视觉动画和音频信息的反馈。例如在打开铣刀之后，铣刀部件将会旋转，开启信息直接反馈给使用者，达到良好的培训效果。
4.当进行软件操作之时，如果出现错误、不当的操作时，那么便会在界面弹出错误信息提示框，会提示具体错误情况，并给予相应的规范提示，且在错误之处的相关部件或者信息参数以高亮等明显颜色显示，让操作者不仅能够明白自己哪些地方错误，还能知道规范以及如何改正。例如，半自动热熔焊接时，加热板在加热后，要进行需要等待一定的时间的吸热，软件会有相关的提示；如果忽视提示，直接取下加热板，那么便会进行相关预警，提示时间不足和会造成的后果，给出正确做法，加强操作者的意识。 5.本系统采用了一人一号登录的方法，当每个学员在实际使用中出现操作错误时，系统不仅能够给出提醒，以便学员能够发现自己的错误，还能自动记录下该学员发生错误的步骤，随着学员使用本系统的次数增加，会自动为该学员生成一个易错点数据库，在该学员碎片化时间的训练中，可以针对这些易错点进行单独的训练。使训练更加有针对性。该数据库还会自动匿名上传使用该培训机构的服务器，随着学员样本的增多，逐渐会形成有代表性的易错点数据库，使学员知道PE管焊接过程中的易错点，更有针对性的练习。
（3）主要设备
进入PE管仿真实训系统，点击主要设备菜单，学习人员可以看到各种焊接设备的简介、内部结构详解以及工作原理模拟。通过全方位无死角浏览各个单体设备结构以及详细学习设备工作原理，提高了学习人员对设备构造、工作原理的认知度，为学习人员将来实际操作工艺设备奠定了扎实的理论基础。
（4）操作流程
PE管焊接技术虽然现在有专门的人员培训机制，但是存在培训流程不完善，参与性、安全性较差，效率低，对管材损耗较大，培训成本较高等问题，学习人员实际操作效果不够理想。针对这些难题，培训方可以利用PE管仿真实训系统中的各工艺单元操作流程进行具体的讲解。
（5）技能培训
PE管焊接技能培训包括理論培训与实践培训，理论培训可用实际教学班的形式进行，并在PE管焊接虚拟仿真软件中添加题库和成绩评判模块，以便学员进行PE管焊接理论的自我检测。
实践操作能力的提高是PE管焊接人才技能培训的主题，应重点突出操作技能的培训，加大实践性教学环节的比重，坚持理论与虚拟操作实践的结合，促进PE管焊接技能人才在虚拟实践操作中不断增长知识，提升能力。虚拟仿真系统教学可以彻底打破时空限制，对学员学习中可能出现的各种问题进行虚拟仿真，可直接观察到这种焊接问题在以后的使用中产生的后果。在技能培训方面，它不仅更加形象生动，使学员更容易理解学习的内容，更能够直接获取技能操作方面的实践经验，提升技能操作的熟练程度。而且针对PE管焊接技能训练，由于训练的特殊性，在实践操作训练中，当学员的操作不当，会导致焊接的直接失败，没有挽回的余地。焊接失败的管段不能继续用于焊接，使技能培训成本大大增加。使用虚拟仿真系统对PE管焊接进行培训，能节省训练的开支和成本。
在虚拟焊接系统中，应该考虑训练产生的结果以及教学的效果，这套系统能提供真实的虚拟训练的情景，校正学员错误等功能，真正做到“干什么、学什么、缺什么、补什么；弱什么、强什么”，确保PE管焊接虚拟培训系统达到最好的效果。
三、结语与展望
为达到安全实训的目的，培养出符合焊接要求的技术性专业人才，提高学习就业竞争力，将虚拟仿真技术应用到实际课堂教学已成为高校教学改革必不可少的重要部分。对推动焊接教学来说，PE管焊接仿真实训系统的开发，有以下几点重要意义：
（1）改变了传统焊接技术教学培训的教学模式，提高了学生焊接技术学习的效率，大大提高了学生的学习兴趣。
（2）将“二维”的学习环境转变为
“三维”的学习环境，学生通过浏览三维虚拟场景、模拟操作公益流程以及考核学习成果，学生能较快的熟悉PE管焊接的现场环境、设备、安全规范及相关操作，降低了高校实训成本，避免了操作风险。
因此，在PE管焊接的教学中引入虚拟仿真技术，进一步完成完全互动型PE管焊接仿真教学系统的研发，对焊接教学的培训具有深远意义。进一步形成一套先进性、实用性、教学性、科学性于一体的全方位PE管焊接仿真教学系统，是一个长期的目标，具有及其深远的意义。
参考文献
[1] 吴晓南.虚拟仿真在城市燃气教学中的应用与实践[J].石油教育， 2013，（5）：44-48.
[2] 胡卫红.虚拟现实技术在教育教学中的应用和研究[J].山东省青年管理干部学院学报，2007，（6）：139-140.
[3] 李敏，韩丰.虚拟现实技术综述[J].软件导刊，2010，9 （6）：142-144.
[4] 李志文，韩晓玲.虚拟现实技术研究现状及未来发展[J].信息技术与信息化，2005，（3）：94-96.
[5] 徐艳.虚拟现实技术在教育教学中的应用研究[J].中园科技信息，2008，（7）：235-236.
[6] 刘刚，周芳，李磊等.虚拟现实在炼化设备操作培训中的应用研究[J].广东石油化工学院学报，2012，22（3）：53-56.
[7] 任荣亭，吴义维.油气集输仿真工艺流程教学设备设计[J].机电产品开发与创新，2012，25（4）：130-131.
[8] 周建军.虚拟现实技术在医学教育中的应用[J].医学教育探索，2010，9（12）：1634-1636.
[关键词]PE管焊接；教育；虚拟仿真技术；PE管焊接教学虚拟仿真；
中图分类号：TN0-4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）25-0234-02
PE是指聚乙烯塑料，是基础的一种塑料制品，塑料袋和保鲜膜等都是PE材料，PE管具有优良的耐大多数生活和工业用化学品的特性，所用范围非常广，一般可用于PE燃气管道、PE给水管道和PE排污管道等，对于焊接技术，国家有关部门专门为此设立焊接工技术考试，设置专门的技术证明，可见国家对这项技术的重视及认可，不少高校将焊接技术列入工科学生的认识实习当中，让学生接触焊接技术，从大学开始培养学生的焊接技术，培养能从事燃气和居民用水的输送、存运等同时具备多种高素质技能型人才。
一、虚拟仿真与PE管焊接教学结合的必要性
关于国家教育部发布的《教育部2016年工作要点》内容第10点“优化高校人才培养机制”提及加强国家建设虚拟仿真实验中心，《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》内容提及教育信息化改革的具体措施及发展规划，着重强调了关于增强开发虚拟仿真实训教学软件、虚拟仿真实训实验系统以及建立虚拟仿真实训基地的力度。
虛拟仿真技术是由计算机系统创建的一种令人感到身临其境及获得与环境交互体验的虚拟世界。营造一个三维的教学环境，提高学生掌握知识、技能的效率，真正使教学者更容易地去表达自己的教学思想和教学内容，具体表现为如下：（1）在教学模式方面，有利于情境创设和大量知识的获取与保持；（2）在教学手段方面，以一种直接的信息传递方式，提供直观形象的思维材料；（3）在教学内容方面，用文字、语音和三位实景虚拟现实过程协同描述。 因此，虚拟仿真技术作为一项前瞻的科学技术，是继多媒体、计算机网络之后，在教育领域最具有应用前景的“明星技术”。
目前的焊接教学内容，主要为多媒体视频播放及PPT的讲解，但并没有让学生有一种身临其境的体会，错误的操作，失误的操作时常发生，学生的焊接技术并没有质的提升，因此，为有效培养出高等技术应用型专业人才，提供学生的焊接技术，西南石油大学率先开发出PE管焊接实训系统，应用于焊接技术教学，并获得了很好的教学效果。
二、虚拟仿真技术的应用
1.虚拟仿真技术
虚拟仿真即虚拟现实技术或模拟技术，就是用一个虚拟的系统模仿另一个真实系统。其虚拟系统由计算机产生，而使用者可“进入”到该环境中，有身临其境之感，并可借助视觉、听觉及触觉等多种传感通道与虚拟世界进行自然的交互。虚拟现实（Virtual Reality）有其四个特性：（1）沉浸性（Immersion）：使用者能有视觉、听觉、嗅觉、触觉、运动感觉等多种感知，应该具有能够给人所有感知信息的功能。（2）交互性（Interaction）：即不仅环境能够作用于人，人也可以对环境进行控制，并且人是以近乎自然的行为（自身的语言、肢体的动作等）进行控制的，而虚拟环境还能够对人的操作回以实时的反应。 （3）虚幻性（Imagination）：系统中的环境是虚幻的，是模拟出来的。既可以模拟客观世界中以前存在过的或是现在真实存在的环境，也可模拟出当前并不存在的但将来可能出现的环境，或仅属于人们幻想的环境。（4）逼真性（reality）：虚拟仿真系统的逼真性表现在两个方面：一方面，给人的各种感觉与所模拟的客观世界非常相像，就如真实世界一样；另一方面，当人以自然的行为作用于虚拟环境时，环境做出的反应也符合客观世界的有关规律。
2.PE管焊接仿真实训系统的应用
（1）工艺流程
根据焊接方法的不同，设置了电熔焊接和热熔焊接不同的工艺流程。在应用之前，先让学生首先大致了解PE管及各种设备的大概信息，和不同的焊接有哪些步骤。例如电源电压的范围，机架管材的放置，铣刀夹具的开启取下等。其后就是针对各个小步骤的工艺，如各种信息的录入，压力的记录等进行更为详细的讲解。
仿真系统的操作中，通过点击鼠标实现设备的开启，夹取，信息的录入情况等。教师可设置不同的工艺流程参数，准确地模拟出现场不同的管材设备。如此，那么在老师授课轻松便捷的同时，学生不仅会轻松掌握一般PE管焊接的相关操作步骤，更会全面的让学生处理各种不同条件状况下的实际情况。
（2）仿真软件的互动性
1.用软件进行操作时，在相应的单元内通过鼠标、键盘等输入相应的型号及参数后，会在场景内自动生成管件模型，用鼠标点击可以进行拖动，继续下一步操作。例如在进行PE管的选用时，直接在相应菜单输入管径、材料和壁厚等参数就可以在场景内直接生成相应的管道。
2.同时在场景内，当鼠标悬停在设备上时，可显示设备参数、工作状态等信息。例如在进行加热管材的过程中，可以把鼠标悬停在PE管上，查看管道的参数，也可以悬停在泵站上查看压力等数据。
3.操作进行的过程中，使用者可以得到部件及机器的工作状态的视觉动画和音频信息的反馈。例如在打开铣刀之后，铣刀部件将会旋转，开启信息直接反馈给使用者，达到良好的培训效果。
4.当进行软件操作之时，如果出现错误、不当的操作时，那么便会在界面弹出错误信息提示框，会提示具体错误情况，并给予相应的规范提示，且在错误之处的相关部件或者信息参数以高亮等明显颜色显示，让操作者不仅能够明白自己哪些地方错误，还能知道规范以及如何改正。例如，半自动热熔焊接时，加热板在加热后，要进行需要等待一定的时间的吸热，软件会有相关的提示；如果忽视提示，直接取下加热板，那么便会进行相关预警，提示时间不足和会造成的后果，给出正确做法，加强操作者的意识。 5.本系统采用了一人一号登录的方法，当每个学员在实际使用中出现操作错误时，系统不仅能够给出提醒，以便学员能够发现自己的错误，还能自动记录下该学员发生错误的步骤，随着学员使用本系统的次数增加，会自动为该学员生成一个易错点数据库，在该学员碎片化时间的训练中，可以针对这些易错点进行单独的训练。使训练更加有针对性。该数据库还会自动匿名上传使用该培训机构的服务器，随着学员样本的增多，逐渐会形成有代表性的易错点数据库，使学员知道PE管焊接过程中的易错点，更有针对性的练习。
（3）主要设备
进入PE管仿真实训系统，点击主要设备菜单，学习人员可以看到各种焊接设备的简介、内部结构详解以及工作原理模拟。通过全方位无死角浏览各个单体设备结构以及详细学习设备工作原理，提高了学习人员对设备构造、工作原理的认知度，为学习人员将来实际操作工艺设备奠定了扎实的理论基础。
（4）操作流程
PE管焊接技术虽然现在有专门的人员培训机制，但是存在培训流程不完善，参与性、安全性较差，效率低，对管材损耗较大，培训成本较高等问题，学习人员实际操作效果不够理想。针对这些难题，培训方可以利用PE管仿真实训系统中的各工艺单元操作流程进行具体的讲解。
（5）技能培训
PE管焊接技能培训包括理論培训与实践培训，理论培训可用实际教学班的形式进行，并在PE管焊接虚拟仿真软件中添加题库和成绩评判模块，以便学员进行PE管焊接理论的自我检测。
实践操作能力的提高是PE管焊接人才技能培训的主题，应重点突出操作技能的培训，加大实践性教学环节的比重，坚持理论与虚拟操作实践的结合，促进PE管焊接技能人才在虚拟实践操作中不断增长知识，提升能力。虚拟仿真系统教学可以彻底打破时空限制，对学员学习中可能出现的各种问题进行虚拟仿真，可直接观察到这种焊接问题在以后的使用中产生的后果。在技能培训方面，它不仅更加形象生动，使学员更容易理解学习的内容，更能够直接获取技能操作方面的实践经验，提升技能操作的熟练程度。而且针对PE管焊接技能训练，由于训练的特殊性，在实践操作训练中，当学员的操作不当，会导致焊接的直接失败，没有挽回的余地。焊接失败的管段不能继续用于焊接，使技能培训成本大大增加。使用虚拟仿真系统对PE管焊接进行培训，能节省训练的开支和成本。
在虚拟焊接系统中，应该考虑训练产生的结果以及教学的效果，这套系统能提供真实的虚拟训练的情景，校正学员错误等功能，真正做到“干什么、学什么、缺什么、补什么；弱什么、强什么”，确保PE管焊接虚拟培训系统达到最好的效果。
三、结语与展望
为达到安全实训的目的，培养出符合焊接要求的技术性专业人才，提高学习就业竞争力，将虚拟仿真技术应用到实际课堂教学已成为高校教学改革必不可少的重要部分。对推动焊接教学来说，PE管焊接仿真实训系统的开发，有以下几点重要意义：
（1）改变了传统焊接技术教学培训的教学模式，提高了学生焊接技术学习的效率，大大提高了学生的学习兴趣。
（2）将“二维”的学习环境转变为
“三维”的学习环境，学生通过浏览三维虚拟场景、模拟操作公益流程以及考核学习成果，学生能较快的熟悉PE管焊接的现场环境、设备、安全规范及相关操作，降低了高校实训成本，避免了操作风险。
因此，在PE管焊接的教学中引入虚拟仿真技术，进一步完成完全互动型PE管焊接仿真教学系统的研发，对焊接教学的培训具有深远意义。进一步形成一套先进性、实用性、教学性、科学性于一体的全方位PE管焊接仿真教学系统，是一个长期的目标，具有及其深远的意义。
参考文献
[1] 吴晓南.虚拟仿真在城市燃气教学中的应用与实践[J].石油教育， 2013，（5）：44-48.
[2] 胡卫红.虚拟现实技术在教育教学中的应用和研究[J].山东省青年管理干部学院学报，2007，（6）：139-140.
[3] 李敏，韩丰.虚拟现实技术综述[J].软件导刊，2010，9 （6）：142-144.
[4] 李志文，韩晓玲.虚拟现实技术研究现状及未来发展[J].信息技术与信息化，2005，（3）：94-96.
[5] 徐艳.虚拟现实技术在教育教学中的应用研究[J].中园科技信息，2008，（7）：235-236.
[6] 刘刚，周芳，李磊等.虚拟现实在炼化设备操作培训中的应用研究[J].广东石油化工学院学报，2012，22（3）：53-56.
[7] 任荣亭，吴义维.油气集输仿真工艺流程教学设备设计[J].机电产品开发与创新，2012，25（4）：130-131.
[8] 周建军.虚拟现实技术在医学教育中的应用[J].医学教育探索，2010，9（12）：1634-1636.