虚拟仿真技术在机电实训教学中的实践探析

虚拟仿真技术自应用以来，深受各大院校，尤其是职业院校的欢迎，其不仅将一些抽象的知识具象化，还活跃了课堂教学气氛，提高了教学效果。然后受一些因素的影响，其在应用中依然面临着很多挑战，如真实性和沉浸感不足、技术与教学深度融合不足、成本压力大等，因此，本文旨在对虚拟仿真技术在机电实训教学中的实践进行深入的分析与探讨。

一、虚拟仿真技术的基本概述

虚拟仿真技术主要是指通过数学建模、3D 建模、物理仿真等技术，在计算机中生成一个可感知、可操作的虚拟世界，用户借助交互设备，如 VR 头显、数据手套与虚拟对象进行信息交互，从而获得接近真实的感官体验。其本质就是“数字化镜像”与“交互式体验”的结合，用虚拟替代真实，将其应用在机电实训教学中，如设备操作技能训练、故障诊断、极端工况模拟等，通过预演的方式降低操作风险。其中设备操作技能训练中，通过 3D 建模还原设备外观与内部结构，如数控机床的刀库、主轴、控制系统），构建“虚拟孪生”操作界面。学生可在虚拟环境中完成开机调试、程序编写、工件装夹、加工运行等全流程训练，系统实时反馈操作错误，如超程报警、刀具碰撞预警，避免真实设备损坏。复杂工艺与故障诊断，模拟复杂故障，设置分级故障库，如初级为单一的故障、中级为多故障叠加、高级为随机突发的故障，以培养学生系统性故障排查能力。高危/极端工况模拟，如模拟10kV高压配电柜检修、高速数控车床断刀应急处理、触电后触发安全警示动画、极寒环境下液压油黏度变化对系统的影响等，在保障学生安全的基础上，拓展了机电实训的知识边界。

二、为虚拟仿真技术做好软件与硬件的储备

适用到教学上的虚拟仿真软件有很多，如通用型的 MATLAB/Simulink、LabVIEW 软件，适合应用在机电实训教学中的电气控制、自动化系统建模。Siemens NX、SolidWorks Simulation 这些都是专业的机械仿真软件，可以应用在机电实训教学中的机械结构强度分析、运动学 / 动力学仿真等，因此，可以结合具体的实训内容选择适宜的软件。在硬件方面，学校需要为机电实训教学配备高性能计算机、VR 头显、动作捕捉设备、传感器等，以提升虚拟仿真场景的真实感，确保确保交互流畅性。

三、开发虚拟机电实训内容

首先，了解传统机电实训的不足，如不可行（高价设备操作）、不安全（高危故障排查）、以及低效（多学科协同整合多）等，在此基础上对虚拟机电实训课程进行设计。其次，以岗位能力为导向，将虚拟机电实训内容进行拆解，拆解为若干教学单元，每一个单元都需要包含基础操作、综合人物、以及拓展挑战。如以工业机器人编程为例，基础操作就是机器人的零点校准，综合任务就是搬运工序编程，拓展挑战就是多机器人协同搬运。此外，基于企业真实设备构建 1:1 虚拟模型，让学生在虚拟环境下进行机电实训训练。机电实训需要应用到的设备很多都比较贵，如一台六轴的工业机器人成本就要 80 万，校企合作时，企业也会考虑到安全成本问题，禁止学生操作，或者减少学生操作的机会，导致学生实操的非常有限。虚拟 3D 建模构建的 1:1 虚拟模型，集成真实设备的控制逻辑，可以给学生提供无限的时间和机会在虚拟环境中进行全部的实操训练，如工件装夹、编写程序、加工运行、质量检测。如虚拟的数控车床，学生在虚拟环境中就可以练习G 代码编程、对刀操作等，而且嵌入AI 智能诊断，实时分析学生操作，通过弹窗提示、语音指导、3D 动画演示错误后果，提供学生修正建议，不仅降低了设备损耗率，还提高了机电实训效果。

四、创新机电实训的教学模式

在机电实训教学中可以应用虚拟仿真技术对教学模式进行创新。创新的模式主要就是虚实预习、课堂深化、课后拓展，其中虚实预习指的是课前，学生通过虚拟仿真平台完成机电实训基础知识学习和基础操作练习，提交预习报告。课堂深化深化就是指课中，由教师聚焦机电实训的难点，通过虚拟场景演示典型问题，组织学生进行分组，以小组的方式进行协作解决。如机电系统故障是实训的难点，因为故障的原因有很多，液压泄漏、电机过载、PLC 逻辑错误都会导致系统故障，且这些故障具备隐蔽性，真实教学中也难以构造典型故障场景，因此，就可以应用虚拟仿真技术对实训课程进行创新，通过虚拟模拟液压系统中密封件老化导致压力下降、PLC 程序逻辑错误导致设备停机等故障，给学生提供实训操作的虚拟环境，学生结合传感器数据、电路图、机械原理图对故障进行分析、排查以及解决。课后拓展就是课后开放虚拟平台，为学生提供自主练习的机会，如学生可以在夜间练习高危故障排查。虚拟平台还会记录学生的学习数据，如操作时长、错误类型等，并生成个性化学习报告供学生和老师进行学习和教学上的评价。最后，结合虚拟环节与真实环节的数据进行多元化评价，评价内容包括虚拟实训的结果、真实实操的结果、两者实训的过程，以保证评价效果。

结束语

综上所述，传统的机电实训教学以经验教学为主，虚拟仿真技术的应用以科学数据为主，不仅促进了教学的改革，还破解了传统机电实训的痛点。在应用过程中，需要为其准备配套的硬件和软件，需要对实训的内容进行拓展创新，还需要对传统实训模式进行创新，以发挥虚拟仿真技术的优势，提高实训效果。未来，随着数字孪生技术、AI 技术等融合与发展，虚拟仿真技术将进一步向虚实共生、能力导向等方面进行升级和优化，为培养综合素质的机电技术性人才

提供更加高效的教学路径。

参考文献

[1] 卞小丰 . 虚拟仿真技术在机电一体化专业实践教学中的应用 [J]. 农业工程与装备 ,2023,50(05):74-75.

[2] 鲍立平 , 刘继焜 . 虚拟仿真技术在建筑施工技术实训教学中的实践 [J].广西教育 ,2022,(15):165-168.

[3] 赵立斐 , 于东晓 , 郭秀梅 , 等 . 虚拟仿真技术在高职院校实训教学中的应用实践 [J]. 山东畜牧兽医 ,2022,43(03):60-62.

[4] 黄登红. 虚拟仿真技术在高职机电一体化专业实训教学中的应用研究[J].吉林省教育学院学报 ( 上旬 ),2013,29(10):54-55.