虚拟仿真技术在真空吸取系统教学中的应用

薛海建 董三强 沈瑞强

［摘 要］ 虚拟仿真技术是一种新的教育生产力，具有技术逼真、趣味高效、安全实惠和自由拓展等优势。针对传统真空吸取系统教学中存在的不足，将虚拟仿真技术引入课程教学，对传统教学模式进行扩展，并从理论教学、实践教学、考核评估等方面探讨虚拟仿真技术在真空吸取系统教学中的应用。实践结果表明，虚拟仿真技术的引入有助于激发学生的学习兴趣，增强课堂的趣味性，提升学生的参与度，改善教学效果，培养学生的创新创造能力，为课程教学改革提供了新途径。

［关键词］ 虚拟仿真；真空吸取系统；教学

［基金项目］ 2021年度陕西省高等教育教学改革研究重点攻关项目（21BG055）；2021年度火箭军工程大学教育改革研究项目（HJJKTB2021001）

［作者简介］ 薛海建（1986—），男，安徽阜阳人，博士，火箭军工程大学核工程学院讲师（通信作者），主要从事虚拟仿真实验研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）18-0153-04［收稿日期］ 2022-07-12

真空吸取系统在武器装备中应用得非常广泛，经常用来吸取和移动一些非常重要的装置或部件。近年来，随着部队使命任务的多元化发展以及实战化训练进程不断加强，对军队院校人才培养提出了更高的要求，军队院校要能主动适应新技术、新生态和未来战争新格局，不断推进实战化教学改革，培养实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科军事人才，走中国特色社会主义强军之路。然而，随着科技水平的飞速发展，传统的教学模式已经难以满足当前部队的要求，教学效果不佳。虚拟仿真技术作为一种新的教育生产力，为创新教学手段方法提供了有效手段［1］。在真空吸取系统教学中，通过引入虚拟仿真技术，探索虚实结合的教学方法手段，提升教学的趣味性、自主性、生动性和创造性，在加深学生对理论知识理解的同时，进一步激发学生的学习兴趣，增进创新思维培养。

一、虚拟仿真技术简介

虚拟仿真技术是用一个系统模仿另一个真实系统的技术，是指在计算机、多媒体、虚拟现实及网络通信等技术迅猛发展的基础上，以仿真的方式给用户创造一个实时反映真实对象变化和相互作用的模拟系统或虚拟世界，使用户可以借助视觉、听觉、触觉等多种感知与模拟系统进行交互，身临其境、沉浸其中，从而完成一系列高度逼真的模拟操作［2-3］。虚拟仿真技术应用到教学过程中，具有以下突出优势。

（一）真实逼真

在虚拟仿真系统中，学生可以通过视觉、听觉、嗅觉、触觉等多种感知，身临其境、沉浸其中，获得真实系统的逼真感受，并且可以通过人为行为改变系统相关状态，系统同样会给出相应反馈，更有利于学生对知识的掌握和理解。

（二）趣味高效

在传统教学模式下的理论学习过程中，复杂原理、复杂结构和复杂系统的学习以教师讲授为主，内容枯燥无味，学生的学习积极性不高，效果不佳。在实践操作过程中，受设备数量、时间、空间等因素的限制，多是以小组为单位，无法实现对每个学生进行全面的训练和培养。引入虚拟仿真技术，可以通过动画、透视图等方式进行原理展示，还可以交互操作，这种游戏式的学习方式，更有利于启发思维，激发学生的学习兴趣。同时，学生可以独立开展虚拟实验操作，做到人手一台操作设备，有效弥补了设备数量少、时间少、空间小的短板，且可反复操作练习，教学效率有了显著提高。

（三）安全实惠

在传统教学中，为确保学生和设备的安全，对一些危险系数较高的教学科目一般不开展实验操作，且由于经费条件的限制，对于一些价格昂贵的实验设备教学利用率也偏低。相比较而言，利用虚拟仿真技术开展教学，学生在虚拟平台上开展相关学习活动，所用仪器设备和耗材均为虚拟的，可以大大提高安全系數，降低教学成本，安全性高且经济实惠［4］。

（四）自由拓展

在传统教学模式下，一般以理论教学为主、实践教学为辅，理论直接转入实践，学生接受度较低，且受限于具体实物，不利于学生创新能力的培养。借助于虚拟仿真技术，可在理论教学和实践教学之间搭建桥梁，构建“理论—虚拟—实践”一体化的教学模式。通过虚拟仿真系统，一方面，可以巩固所学理论知识，加深理解；另一方面，通过虚拟操作，使学生掌握关键环节和基本操作技能，为实装操作、理论联系实际打下坚实的基础。同时，虚拟仿真技术还可以为学生提供广阔的想象空间和无限可能，有利于学生创新能力的培养［5-6］。

二、当前真空吸取系统教学存在的问题

（一）实践教学比例偏低、手段单一

真空吸取系统涉及设备众多，工作过程中需要多操作号手协同配合，在教学过程中应特别注重实践的内容，有利于培养学生掌握装备性能、操作技能、创新能力和科技素养。然而，受总学时数的限制，真空吸取系统传统教学模式以课堂讲授为主、实践教学为辅，实践教学比例偏低，且以实装参观为主要形式，手段单一，学生只能了解装备的基本操作流程和简单操作，不利于培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，学生主动学习的兴趣不强，创新动力不足。

（二）教学设备严重滞后于部队实战化真空吸取系统的发展

近年来，随着科学技术的不断发展，部队武器装备的更新换代不断加速，新型装备不断列装并投入使用。真空吸取系统在武器装备操作、训练的过程中应用得非常广泛，信息化、智能化水平不断提升，新型真空吸取系统不断列装部队。相比较而言，学校教学设备无论在数量上还是型号上都严重滞后于部队实战化真空吸取系统的发展，更新换代慢，很难开展有针对性的教学实践科目，教学效果和教学模式难以满足部队的实战化需求。

（三）实践教学受多种因素的制约，开设困难、成本高昂

军队院校对实践教学的要求呈日益增加的态势，但常常因教学装备数量、场地、时间、经费、安全性等因素的制约，很多实践教学开设困难，即使开设了也无法保证良好的教学效果。以真空吸取系统实践教学为例，被吸件一般极为特殊（易燃易爆）或非常重要，且所用设备电压高、结构和控制复杂、环境恶劣（噪声大）等，存在极大的安全隐患，为了防止安全事故的发生，当前真空吸取系统实践教学多为教师提前准备好并进行安全检查，学生根据教师的指令完成一些简单操作，而后观察和记录现象，无法使学生真实有效地参与到操作全流程，不利于学生实践能力的提高。

三、虚拟仿真技术在真空吸取系统教学中的应用

（一）虚拟仿真技术在真空吸取系统理论教学中的应用

真空吸取系统涉及真空吸取器、真空泵、真空压力表、真空管路连接阀以及橡胶管路等部件，知识涵盖机械、真空技術、力学等多学科知识，内部结构复杂、抽象，部件众多，学生掌握较为不易。传统教学方式以实装参观为主，走马观花，学员看不透、看不全，也学不深。因此，在理论课教学过程中辅以虚拟仿真技术，可以为学生提供图文并茂、平面立体结合、声形具备、丰富多彩的多维学习资源，将复杂的结构运用三维空间的方式全方位展现给学生，真实模拟复杂部件内部的构造，学生可进行360°查看，并可以与三维模型及场景进行交互，包括放大、缩小、旋转等操作，激发学生的学习兴趣。例如，真空阀门是真空吸取器的核心部件，可实现吸、放、关三种状态的转换，传统教学依靠平面图纸进行，学生仅靠空间想象难以理解真空阀门的内部结构及相互位置关系，教学效果不佳。运用虚拟仿真技术，可以直观地展示真空阀门内部结构及各零部件间的位置关系，易于理解，从而使学生的学习兴趣高、学习效果好。

气镇阀是真空吸取系统中旋片式真空泵的重要组成部分，其工作原理不易理解，运用虚拟仿真技术可以在三维空间内逼真地呈现气镇阀各零部件的动作状态以及内部气路的走向，将复杂的工作原理过程形象化、简单化，学生可以很直观地认识、理解气镇阀的工作原理。因此，将虚拟仿真技术应用到真空吸取设备的理论教学中，可以加深学生对理论知识的理解与掌握，有效解决理论教学过程中存在的理论理解不到位的问题。

（二）虚拟仿真技术在真空吸取系统实践教学中的应用

1.虚拟仿真技术在真空吸取系统虚拟拆装实践教学中的应用。旋片式真空泵在真空吸取系统中占有举足轻重的地位，真空吸取器真空腔真空度的获得与保持都依靠真空泵的正常工作。在旋片式真空泵结构特点、工作原理和维修保养学习的过程中，拆装实践教学是非常有效的途径之一。然而，受学时、真空泵数量、空间场地、成本、安全等诸多因素的限制，拆装实践教学一般难以有效开展，即使开展也无法达到预期的教学效果。鉴于此，运用虚拟仿真技术，构建旋片式真空泵的三维仿真模型（如图1和图2所示），可有效克服时间、空间场地、真空泵数量、成本、安全等因素的制约，实现每名学生人手一台设备，极大地提高了教学效率和学生的学习积极性。

2.虚拟仿真技术在真空吸取系统操作训练教学中的应用。真空吸取系统涉及的部件众多，在实际操作训练过程中，需要多号手协同配合，牵一发而动全身，毫无操作经验的学生直接进行实装操作存在一定的风险隐患，加之真空吸取系统所吸部件往往非常重要或极为特殊，稍有不慎，就会造成严重后果。相比而言，虚拟仿真技术在真空吸取系统训练教学中具有突出优势。通过虚拟仿真技术构建三维仿真训练场景，可实现单机和多号手协调两种训练模式，在训练模式下，每一步操作均有语音和文字提示，每一步操作对象均会有高亮闪烁提示，指引用户进行操作。操作步骤与操作规范和实装一致，可帮助用户快速掌握相关岗位的操作技巧。虚拟训练操作熟练且考核合格后方可转入实装操作训练，实现虚拟与现实的优势互补，提高训练效率，降低训练成本。

3.虚拟仿真技术在真空吸取系统故障分析排除教学中的应用。真空吸取系统不同部件的故障模式、故障现象以及故障机理各不相同，传统教学模式采用理论讲解模式，无法让学生看到具体的故障现象，也难以真正理解相应的故障机理，学生的学习兴趣低、学习效果差。虚拟仿真技术的可塑性可以模拟不同部件的多种故障模式，并对相应的故障现象和故障机理进行演示，直观明了，能激发学生的学习兴趣和积极性，易于学生理解掌握。例如，以一次吸取器真空腔真空度不合格的案例式教学为例，引导学生从流出真空腔气体量骤减和流入气体量骤增两个方面查找故障原因，在此过程中，学生可以自由组合多种故障模式，亲身经历、自主设计，并通过虚拟仿真技术分别演示不同组合模式下的故障过程和造成的故障现象，在提升学习效果的同时有利于学生实践能力、创新能力的培养。

（三）虚拟仿真技术在真空吸取系统考核评估中的应用

利用虚拟仿真技术可以实现对学生的考核评估工作，以真空吸取系统考核评估为例，包括理论考核和操作考核两个部分。理论考核时系统会自动从题库的多类题型中随机抽取试题组成一套试卷，学生在规定的时间内完成试卷并提交，系统自动评卷打分，并将成绩写入数据库中。操作考核三维场景与操作训练场景一致，考核时无语音、文字和高亮提示，学生需在规定的时间内按预定规程完成考核的所有操作步骤，如有错误操作，系统会予以提示并记录扣分细节，待考核结束后，在结算汇总页面统一展示，并将最后的考核情况写入数据库中。考核结束后，教师可以通过后台查看考核时间、成绩等信息，并可通过饼状图对成绩进行分析统计，全面掌握学生的学习效果，进而有针对性地调整、替换或者重新设计教学训练内容，提高教学的针对性和有效性。

结语

虚拟仿真技术以其趣味性、真实性、互动性、沉浸性等优势成为现代化教学的重要手段之一，具有非常广阔的应用前景。在真空吸取系统教学中引入虚拟仿真教学，可有效弥补传统教学存在的不足，激发学生的学习兴趣，改善教学效果，培养学生的创新创造能力。

参考文献

［1］葛利玲，汤玉斐，邹军涛，等.基于虚拟仿真技术的“金属塑性变形与再结晶”综合实验教学改革与实践［J］.中国教育信息化，2021（18）：34-37+72.

［2］邓江洪，陈新元，曾良才.虚拟仿真技术在“液压传动”课程中的应用研究［J］.教育教学论坛，2021（3）：157-160.

［3］王浩.高校土木工程专业虚拟仿真实验教学模式研究［J］.牡丹江大学学报，2018，27（1）：139-142.

［4］王蓉，韦庆敏，覃利琴，等.基于虚拟仿真技术的线上线下混合式教学模式在无机化学实验中的应用［J］.化工设计通讯，2021，47（11）：112-113.

［5］吕凯，李海岗，于洪兵，等.基于虛拟仿真技术的“电控发动机”教学案例研究［J］.实验室科学，2021，24（4）：97-99.

［6］周振起，赵星海，肖斌，等.基于电厂运行虚拟实践教学系统的教学改革与实践［J］.教育教学论坛，2017（49）：151-152．

Application of Virtual Simulation Technology in Vacuum Absorption System Teaching

XUE Hai-jian， DONG San-qiang， SHEN Rui-qiang

（College of Nuclear Engineering， Rocket Force University of Engineering， Xian，

Shaanxi 710025， China）

Abstract： Virtual simulation technology is a new educational productivity， with the advantages of being realistic， interesting and efficient， safe and affordable， and free to expand. In view of the shortcomings in the teaching of traditional vacuum absorption system， the virtual simulation technology is introduced into the teaching， the traditional teaching mode is extended， and the application of virtual simulation technology in the teaching of vacuum absorption system is discussed from the aspects of theoretical teaching， practical teaching and assessment. The practical results show that the introduction of virtual simulation technology can help stimulate students interest in learning， enhance the interest of classrooms， enhance students participation， improve teaching effects， cultivate students innovation and creativity， and provide a new way for curriculum teaching reform.

Key words： virtual simulation; vacuum adsorption system; education