虛擬實踐教學(xué)軟件的開發(fā)實踐與人才培養(yǎng)論文
材料科學(xué)與工程學(xué)科是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)，是與實際生產(chǎn)和應(yīng)用緊密結(jié)合的科學(xué)理論和工程技術(shù)學(xué)科，其中的材料成形類專業(yè)更是來源于實踐，服務(wù)于實踐。這些特點決定了材料成形類專業(yè)的教學(xué)必須具有足夠多的實踐課程，才能培養(yǎng)出適應(yīng)社會發(fā)展、能為社會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)科的實踐教學(xué)，但總體看來，相比理論教學(xué)，實踐教學(xué)的覆蓋范圍、教學(xué)強度、教學(xué)水平等還很欠缺。由于實踐課程需要大量的資源配置，實踐課程往往簡單地以參觀工廠和車間的形式完成。雖然對工廠和車間的參觀可以給學(xué)生以直觀的概念，但僅以此作為實踐教學(xué)則遠不夠。目前普遍實行的實踐教學(xué)有很多不足之處：
(1)對實踐教學(xué)的重視程度還不夠。長期以來，高校實踐教學(xué)被認為是理論教學(xué)的輔助環(huán)節(jié)，是以加深和幫助理解課堂教學(xué)內(nèi)容為目的。實踐教學(xué)內(nèi)容以驗證性實驗為主，內(nèi)容和進度基本上依附于課堂教學(xué)，無法充分發(fā)揮實踐教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生中的重要作用。
(2)實踐內(nèi)容缺乏創(chuàng)新。由于實踐教學(xué)本身得不到重視，實踐教師和工作人員很少有機會走出去學(xué)習(xí)、交流和深造，只能年復(fù)一年地重復(fù)過去的實驗，很難在設(shè)計性實驗和綜合性實驗方面下功夫，直接影響了實踐教學(xué)在整個教學(xué)中所發(fā)揮的作用，無法保障人才培養(yǎng)工作的質(zhì)量。
(3)實踐教學(xué)設(shè)備需求量大。隨著我國高等教育的普及，各個高校都在擴招。在校學(xué)生數(shù)量的急劇膨脹，需要更多的實驗設(shè)備，且需要更多的空間安置實驗設(shè)備。對于材料成形類專業(yè)實踐教學(xué)中使用的設(shè)備，很多是重型設(shè)備，這些設(shè)備價值高、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(shè)備少、學(xué)生多的矛盾，是進行實踐教學(xué)不可回避的難題。
(4)實踐教學(xué)的創(chuàng)新性功能未得到開發(fā)。實踐是產(chǎn)生科學(xué)知識的'直接來源，如何合理利用實踐教學(xué)環(huán)境，促進學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中主動思考問題并解決問題，進而設(shè)計新的實驗，達到在學(xué)習(xí)的過程中創(chuàng)新，在創(chuàng)新的過程中學(xué)習(xí)，還遠未得到重視。
(5)部分實驗具有一定危險性和復(fù)雜性，不適合學(xué)生在沒有經(jīng)驗的情況下操作。如熱軋過程、熱擠壓過程等，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(shè)備事故。這就導(dǎo)致現(xiàn)行的實驗過程中，學(xué)生只能遠遠地觀看而無法參與操作，無法達到實踐教學(xué)的最好效果。
以上不足和缺憾是長期存在的，不可能在短缺內(nèi)得到改善，要想提高實踐教學(xué)水平，只有另辟蹊徑，其中利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，建立網(wǎng)上虛擬實驗設(shè)備及虛擬實驗室，是解決這些問題的有效方法。
虛擬實踐教學(xué)系統(tǒng)能夠克服傳統(tǒng)實踐教學(xué)中的種種不足，且較傳統(tǒng)實踐教學(xué)來說，花費少，可持續(xù)發(fā)展性好，是傳統(tǒng)實踐教學(xué)的補充和提高。材料成形類專業(yè)實踐教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)項目，依托遼寧省教改項目“材料成形類專業(yè)互動式實踐教學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用”而進行。而“互動式軋機裝配軟件的開發(fā)”是本項目的組成部分。
1 軋機拆裝軟件設(shè)想的提出
基于材料成型專業(yè)材料成形機械設(shè)備教學(xué)需求及實踐教學(xué)的需求，結(jié)合對虛擬技術(shù)的理解，提出了開發(fā)一款交互式軋機拆裝軟件的構(gòu)想。學(xué)生利用交互式軟件可以在電腦上通過鼠標(biāo)的點擊模擬軋機的裝配過程，加深對軋機結(jié)構(gòu)的理解。
2 開發(fā)過程
開發(fā)軟件的流程如下：可行性研究→軟件需求的調(diào)研→組建軟件制作團隊→制作軟件的3DMAX軟件的培訓(xùn)→尋找軋機CAD圖紙→圖紙分析→建模→零件知識庫的建立→安裝腳本制作→軟件界面(UI)設(shè)計→編程→軟件測試→功能完善。
(1)軟件制作的的技術(shù)可行性。通過向軟件開發(fā)專業(yè)單位咨詢及探討，確認了軟件制作的技術(shù)可行性。
(2)軟件需求的市場調(diào)研。通過在學(xué)生群體中的調(diào)研，確認開發(fā)軟件應(yīng)用前景及使用覆蓋面。開發(fā)出的軟件可以提供給材料成型專業(yè)老師教學(xué)演示使用;材料成型專業(yè)學(xué)生將其作為實踐環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)設(shè)備結(jié)構(gòu)原理的學(xué)習(xí)軟件;軋鋼企業(yè)將其作為培訓(xùn)職工的工具;幫助不了解軋機的其他專業(yè)人士了解軋機結(jié)構(gòu)及各個部件的作用。
(3)招募學(xué)生組建軟件制作團隊。委托軟件開發(fā)企業(yè)完成整套軟件開發(fā)費用較高，教改項目的經(jīng)費不足以支付全部開發(fā)費用，而軟件開發(fā)企業(yè)人員又不具備材料成形設(shè)備專業(yè)知識，單獨開發(fā)存在困難。通過與企業(yè)研究，我們決定嘗試校企共同開發(fā)的模式。招募本科生參與軟件開發(fā)的部分工作。這樣可以將軟件開發(fā)與學(xué)生技能培養(yǎng)相結(jié)合，學(xué)生在掌握本專業(yè)知識的基礎(chǔ)上，應(yīng)用所學(xué)專業(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，完成開發(fā)工作，縮短開發(fā)周期。團隊招募的具體做法是：以學(xué)過專業(yè)課的大四本科生為主體，以大三學(xué)生為輔，兼招少數(shù)機械專業(yè)學(xué)生，讓本專業(yè)學(xué)生與機械專業(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展工作的連續(xù)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(wěn)定的核心團隊情況下確定團隊成員動態(tài)加入，動態(tài)退出機制。在這樣的指導(dǎo)思想下，通過在大三、大四本專業(yè)及相關(guān)專業(yè)學(xué)生中的廣泛宣傳和發(fā)動，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(xùn)。制作團隊組建后，聘請軟件公司人員利用業(yè)余時間對學(xué)生進行3DMAX等軟件的培訓(xùn)，并提供給學(xué)生相應(yīng)的軟件學(xué)習(xí)參考書及工具。學(xué)生在較短的時間內(nèi)就掌握了軟件使用方法。
(5)CAD圖紙分析。專業(yè)教師為學(xué)生找來軋機的CAD圖紙，指導(dǎo)學(xué)生明確圖紙中圖與實物的對應(yīng)關(guān)系，并帶學(xué)生去現(xiàn)場觀察軋機實物，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)過慎密的對比及思考，決定應(yīng)用3DMAX建模。建模學(xué)生根據(jù)對圖紙理解及對空間圖的想象，利用3Dmax對每一個零件進行建模。
圖1為輥系中兩個零件的圖紙及建立的相應(yīng)的模型。整個軋機包括零件有1700多個，需要單獨建立模型的就多達200多個。利用一個假期學(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對零件的了解，還嵌入了零件知識庫。使用者在拾取零件時，點擊時就可以鏈接到知識庫。屏幕上就出現(xiàn)此零部件的名稱、作用及應(yīng)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，也讓開發(fā)軟件的學(xué)生加深了對于設(shè)備中零件的了解。表1為部分零件知識庫。
(8)腳本的制作。在軋機的安裝過程中，需要知道安裝的順序，這就需要一個安裝的腳本。軟件制作成員對腳本進行了制作。確定了以下腳本制作的原則：①在軋機裝配過程中遵照零件→組件→部件的原則，先單獨裝配機架、輥系、傳動裝置、減速箱、齒輪箱和驅(qū)動裝置，再組裝到一起。②在寫腳本過程中，遵循“由內(nèi)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。
(9)應(yīng)用Unity實現(xiàn)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(xí)和拆裝模式，把知識庫存儲到軟件中。使用者可在使用過程中了解軋機的組裝過程，還可自己組裝軋機。將軋機置于某虛擬的場景中，還可以實現(xiàn)對軋機三維視角的觀察。
回顧軟件制作過程，我們總結(jié)出一些值得借鑒的經(jīng)驗：(1)給學(xué)生充分的自由度，包括制作中時間安排，UI的自主設(shè)計，場景的自主設(shè)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(diào)動了學(xué)生的興趣和主觀能動性;(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)生定期會面制度。按照公司模式按時間節(jié)點檢查進度，布置工作，指定專人進行會議記錄。教師、學(xué)生與企業(yè)人員共同切磋，對軟件制作細節(jié)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(jié)語
互動軋機拆裝軟件開發(fā)實踐，開創(chuàng)了校企合作開發(fā)軟件兼培養(yǎng)學(xué)生的全新模式并從中總結(jié)了成功經(jīng)驗;鍛煉和培養(yǎng)了一支由各年級本科生組成的可持續(xù)工作有強力后勁的虛擬教學(xué)軟件制作團隊;在軟件開發(fā)實踐中大大提升了本科生自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、實踐能力;學(xué)生提前感受企業(yè)管理的理念，培養(yǎng)了團隊合作意識，踏實的工作作風(fēng)，鍛煉了自己克服困難的意志，為走出校門、邁向社會做好了心理上的準(zhǔn)備。有4名同學(xué)以此為題目完成了高質(zhì)量的畢業(yè)設(shè)計，獲得教師的高度認可和好評;所做的軟件在演示過程中受到答辯老師們的肯定，軟件投入使用會收到預(yù)期的效果。
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