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[摘 要]随着国家对具备实战经验的综合型人才的急切需要，又碍于实战教学危险性高，学生难以操作，不具有可控性的原因，PE管维修虚拟仿真的出现就变得尤为重要，該话题在国内外都引起了高度重视。为此，西南石油大学将PE管维修与虚拟仿真教学结合并研发出了PE管维修虚拟仿真实训系统。现已将该系统应用于管道维修教学中，文章重点介绍了工艺流程仿真、PE管维修的主要设备、虚拟操作流程3部分，教学呈现出多样化、生动化、形象化的特点，展现了新型教学模式的勃勃生机。
[关键词]PE管维修；教学；虚拟仿真技术；PE管维修的虚拟仿真
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）29-0231-01
PE管道在我国的运用十分广泛，正是由于其拥有优越的物理性能，具有柔性好、优异的抗冲击、抗地震、抗磨损性能，且耐冲击强度优于金属管道、使用寿命长等特点，得到了我国煤气、石油、天然气输配、城乡饮用水管道等各个领域的青睐。PE管道的大量使用，使得人们在使用过程中，可能因为使用不当和外界不可控因素的影响造成PE管道损坏，那么PE管道的维修就变得尤为重要。但是由于其操作在教学过程中不具有直观性，则急需引进一种更加方便直观的学习软件以供学生学习使用，这一点虚拟仿真软件能很好地完成。
一、虚拟仿真的研究现状
在国内，人们对虚拟仿真教学已经引起了高度重视。在教育部最新印发的《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》文章中，内容提及到教育信息化改革的具体战略措施及发展规划，文章强调：增强开发虚拟仿真教学软件、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。目前，西南石油大学将PE管维修与虚拟仿真教学相结合并研发出了PE管维修虚拟仿真实训系统。
二、虚拟仿真应用于教学中的特点及优点
虚拟仿真软件本身具有良好的教学示范功能，再加入一些更加适用于课程的选项结构，对于教师教学和学生学习都有很好的促进作用。在课堂上运用虚拟仿真技术，可以增加同学们的学习兴趣，提高教学质量，其具有以下几点优点：
2.1 多感知性（Multi-Sensory）
所谓多感知性是指除一般教学所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。多种感知相结合才能全方位调动学生学习的积极性。
2.2 浸没感（Immersion）
沉浸感是指学生全身心地沉浸于虚拟环境中，与环境中各种对象相互融合，成为环境的一部分。学生不再作为旁观者由外向内观察环境，而是全身心融入环境之中。这种沉浸感应用于教育中，可以使虚拟教学场景中的学生体会到一个与现实更加接近的教学情境，学生全身心地投入其中，能够更加深入地学习所学课程。
2.3 交互性（Interactivity）
交互性是指学生通过使用计算机，实现对虚拟环境的操作。通过借助外部连接设备，实现对环境中对象的操作；计算机则根据学生输入的命令等，来实时调整环境中相关对象的状态。把这种交互性应用于教育中，可以使院校在保证办学质量的前提下，大大降低办学成本。
2.4 逼真性（Reality）
虚拟仿真系统的逼真性表现在两个方面：一方面，虚拟环境给人的各种感觉与所模拟的客观世界非常相像，一切感觉都是那么逼真，如同在真实世界一样；另一方面，当计算机操作作用于虚拟环境时，环境做出的反应也符合客观世界的有关规律。这样就使学生在学习过程中能够对施工现场有一个真实的印象，大大提高了教学效率[1-3]。
三、虚拟仿真教学软件在PE管维修作业教学中的应用
3.1 软件介绍
虚拟维修仿真培训软件主要采用 3DSMax软件进行图形建模，Microsoft Visual Studio 2010 开发平台下的 C++开发语言进行脚本编辑，Unity3D 平台进行开发。系统采用 3DSMax 进行三维建模，与同类软件相比，其建模功能强大，在三维角色动画以及丰富的插件方面也具备较强优势[4]。
3.2 工艺流程仿真
根据PE管的实际维修过程，仿真教学加入了探究PE损坏原因、寻找合适的维修方法、维修工具准备三个工作流程阶段。在用虚拟仿真软件教学过程中，老师可以自由地操作软件界面，向同学们介绍PE管维修的实际操作步骤，首先放大损坏位置进行破坏探究，其次根据现有的维修方法对已知破坏进行分析，找出最正确的维修方法，最后调用该种维修方法所需的工具箱做好虚拟维修的工具准备。每一个流程栏下都有相应的界面供其选择（见图1）。
3.3 PE管维修的主要设备
进入PE管虚拟维修的实训系统，点击主要设备菜单，学生可以看到主要设备的简介、内部结构详解以及工作原理模拟。各种各样的PE维修设备及其内部结构详解给同学们提供了既丰富又生动的直观界面感受，不仅对当场教学有效，而且有利于同学们知识面的提升。工作原理的模拟操作更是在外观介绍的基础升华了一次，真正做到了不去现场但如身历其境的感觉。
3.4 虚拟操作流程
传统PE管维修的教学因为学校不具备专门的场地和教学设备不足，工地危险性高，导致教学形式简略，通常课堂教学都是一笔带过，但是通过应用虚拟操作软件教学，这种缺点是可以弥补的。例如：PE管维修操作可以分为以下步骤：损坏段切除阶段，上套筒部件阶段，焊接阶段。老师可以通过点击以上阶段的具体界面进行操作讲解，学生也可以在课后自行进入虚拟仿真软件，跟据课堂上老师所讲的步骤以及软件操作的自行提示（设备编号、操作类型）进行课后反复练习熟悉，这样既节省了人力，也可以根据不同学生学习进度不同的情况进行预习、复习、跟补学习，这就很好地解决了学生消化程度差距大的问题。
四、总结与展望
虛拟仿真教学系统帮助学生实现了从知识学习到动手仿真学习的跨越，真正建立了“理论授课-虚拟仿真-实验室教学”的教学体系，极大地提高了参与者的积极性与交互性[5-6]。系统具有良好的交互能力，并能及时准确反馈出与真实实验相同的表现。除此之外该系统界面简单明了，易于操作，可扩展性强，将虚拟仿真系统应用于教学当中势必是未来教学的趋势所在，对虚拟教学的研究也会生生不息。
参考文献
[1] 吴晓南.虚拟仿真在城市教学中的应用于实践[J].石油教育，2013，（5）：44-48.
[2] 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.
[3] 姜学智.国内外虚拟现实技术的研究现状[N].辽宁工程技术大学学报，2004，23（2）：238-240.
[4] 吴晓南.CNG三维仿真培训系统的研究与应用[J].投产与运行，2014，1（33）：65-68.
[5] 严慧萍.虚拟仿真在中职实训教学中的应用研究[D].福建师范大学，2014：1-59.
[6] 栾飞.基于Unity3D的动力滑台液压系统虚拟实验的开发[J].山东建筑大学学报，2014，12（29）：162-163.
[关键词]PE管维修；教学；虚拟仿真技术；PE管维修的虚拟仿真
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）29-0231-01
PE管道在我国的运用十分广泛，正是由于其拥有优越的物理性能，具有柔性好、优异的抗冲击、抗地震、抗磨损性能，且耐冲击强度优于金属管道、使用寿命长等特点，得到了我国煤气、石油、天然气输配、城乡饮用水管道等各个领域的青睐。PE管道的大量使用，使得人们在使用过程中，可能因为使用不当和外界不可控因素的影响造成PE管道损坏，那么PE管道的维修就变得尤为重要。但是由于其操作在教学过程中不具有直观性，则急需引进一种更加方便直观的学习软件以供学生学习使用，这一点虚拟仿真软件能很好地完成。
一、虚拟仿真的研究现状
在国内，人们对虚拟仿真教学已经引起了高度重视。在教育部最新印发的《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》文章中，内容提及到教育信息化改革的具体战略措施及发展规划，文章强调：增强开发虚拟仿真教学软件、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。目前，西南石油大学将PE管维修与虚拟仿真教学相结合并研发出了PE管维修虚拟仿真实训系统。
二、虚拟仿真应用于教学中的特点及优点
虚拟仿真软件本身具有良好的教学示范功能，再加入一些更加适用于课程的选项结构，对于教师教学和学生学习都有很好的促进作用。在课堂上运用虚拟仿真技术，可以增加同学们的学习兴趣，提高教学质量，其具有以下几点优点：
2.1 多感知性（Multi-Sensory）
所谓多感知性是指除一般教学所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。多种感知相结合才能全方位调动学生学习的积极性。
2.2 浸没感（Immersion）
沉浸感是指学生全身心地沉浸于虚拟环境中，与环境中各种对象相互融合，成为环境的一部分。学生不再作为旁观者由外向内观察环境，而是全身心融入环境之中。这种沉浸感应用于教育中，可以使虚拟教学场景中的学生体会到一个与现实更加接近的教学情境，学生全身心地投入其中，能够更加深入地学习所学课程。
2.3 交互性（Interactivity）
交互性是指学生通过使用计算机，实现对虚拟环境的操作。通过借助外部连接设备，实现对环境中对象的操作；计算机则根据学生输入的命令等，来实时调整环境中相关对象的状态。把这种交互性应用于教育中，可以使院校在保证办学质量的前提下，大大降低办学成本。
2.4 逼真性（Reality）
虚拟仿真系统的逼真性表现在两个方面：一方面，虚拟环境给人的各种感觉与所模拟的客观世界非常相像，一切感觉都是那么逼真，如同在真实世界一样；另一方面，当计算机操作作用于虚拟环境时，环境做出的反应也符合客观世界的有关规律。这样就使学生在学习过程中能够对施工现场有一个真实的印象，大大提高了教学效率[1-3]。
三、虚拟仿真教学软件在PE管维修作业教学中的应用
3.1 软件介绍
虚拟维修仿真培训软件主要采用 3DSMax软件进行图形建模，Microsoft Visual Studio 2010 开发平台下的 C++开发语言进行脚本编辑，Unity3D 平台进行开发。系统采用 3DSMax 进行三维建模，与同类软件相比，其建模功能强大，在三维角色动画以及丰富的插件方面也具备较强优势[4]。
3.2 工艺流程仿真
根据PE管的实际维修过程，仿真教学加入了探究PE损坏原因、寻找合适的维修方法、维修工具准备三个工作流程阶段。在用虚拟仿真软件教学过程中，老师可以自由地操作软件界面，向同学们介绍PE管维修的实际操作步骤，首先放大损坏位置进行破坏探究，其次根据现有的维修方法对已知破坏进行分析，找出最正确的维修方法，最后调用该种维修方法所需的工具箱做好虚拟维修的工具准备。每一个流程栏下都有相应的界面供其选择（见图1）。
3.3 PE管维修的主要设备
进入PE管虚拟维修的实训系统，点击主要设备菜单，学生可以看到主要设备的简介、内部结构详解以及工作原理模拟。各种各样的PE维修设备及其内部结构详解给同学们提供了既丰富又生动的直观界面感受，不仅对当场教学有效，而且有利于同学们知识面的提升。工作原理的模拟操作更是在外观介绍的基础升华了一次，真正做到了不去现场但如身历其境的感觉。
3.4 虚拟操作流程
传统PE管维修的教学因为学校不具备专门的场地和教学设备不足，工地危险性高，导致教学形式简略，通常课堂教学都是一笔带过，但是通过应用虚拟操作软件教学，这种缺点是可以弥补的。例如：PE管维修操作可以分为以下步骤：损坏段切除阶段，上套筒部件阶段，焊接阶段。老师可以通过点击以上阶段的具体界面进行操作讲解，学生也可以在课后自行进入虚拟仿真软件，跟据课堂上老师所讲的步骤以及软件操作的自行提示（设备编号、操作类型）进行课后反复练习熟悉，这样既节省了人力，也可以根据不同学生学习进度不同的情况进行预习、复习、跟补学习，这就很好地解决了学生消化程度差距大的问题。
四、总结与展望
虛拟仿真教学系统帮助学生实现了从知识学习到动手仿真学习的跨越，真正建立了“理论授课-虚拟仿真-实验室教学”的教学体系，极大地提高了参与者的积极性与交互性[5-6]。系统具有良好的交互能力，并能及时准确反馈出与真实实验相同的表现。除此之外该系统界面简单明了，易于操作，可扩展性强，将虚拟仿真系统应用于教学当中势必是未来教学的趋势所在，对虚拟教学的研究也会生生不息。
参考文献
[1] 吴晓南.虚拟仿真在城市教学中的应用于实践[J].石油教育，2013，（5）：44-48.
[2] 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.
[3] 姜学智.国内外虚拟现实技术的研究现状[N].辽宁工程技术大学学报，2004，23（2）：238-240.
[4] 吴晓南.CNG三维仿真培训系统的研究与应用[J].投产与运行，2014，1（33）：65-68.
[5] 严慧萍.虚拟仿真在中职实训教学中的应用研究[D].福建师范大学，2014：1-59.
[6] 栾飞.基于Unity3D的动力滑台液压系统虚拟实验的开发[J].山东建筑大学学报，2014，12（29）：162-163.