關於虛擬實踐教學軟體的開發實踐與人才培養論文
本文介紹了虛擬實踐教學軟體製作過程及挖掘本科學生潛力，提高學生技能的教學探索實踐，總結了軟體開發過程中積累的校企合作的成功經驗。
材料科學與工程學科是現代科學技術的基礎，是與實際生產和應用緊密結合的科學理論和工程技術學科，其中的材料成形類專業更是來源於實踐，服務於實踐。這些特點決定了材料成形類專業的教學必須具有足夠多的實踐課程，才能培養出適應社會發展、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的重要性，也積極採取各種方法加強各學科的實踐教學，但總體看來，相比理論教學，實踐教學的覆蓋範圍、教學強度、教學水平等還很欠缺。由於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生以直觀的概念，但僅以此作為實踐教學則遠不夠。目前普遍實行的實踐教學有很多不足之處：
(1)對實踐教學的重視程度還不夠。長期以來，高校實踐教學被認為是理論教學的輔助環節，是以加深和幫助理解課堂教學內容為目的。實踐教學內容以驗證性實驗為主，內容和進度基本上依附於課堂教學，無法充分發揮實踐教學在培養學生中的重要作用。
(2)實踐內容缺乏創新。由於實踐教學本身得不到重視，實踐教師和工作人員很少有機會走出去學習、交流和深造，只能年復一年地重複過去的實驗，很難在設計性實驗和綜合性實驗方面下功夫，直接影響了實踐教學在整個教學中所發揮的作用，無法保障人才培養工作的質量。
(3)實踐教學裝置需求量大。隨著我國高等教育的普及，各個高校都在擴招。在校學生數量的急劇膨脹，需要更多的實驗裝置，且需要更多的空間安置實驗裝置。對於材料成形類專業實踐教學中使用的裝置，很多是重型裝置，這些裝置價值高、佔地空間大、用電等輔助配置要求高，學校不可能大批次購置，如何解決裝置少、學生多的矛盾，是進行實踐教學不可迴避的難題。
(4)實踐教學的創新性功能未得到開發。實踐是產生科學知識的直接來源，如何合理利用實踐教學環境，促進學生在學習過程中主動思考問題並解決問題，進而設計新的實驗，達到在學習的過程中創新，在創新的過程中學習，還遠未得到重視。
(5)部分實驗具有一定危險性和複雜性，不適合學生在沒有經驗的情況下操作。如熱軋過程、熱擠壓過程等，都屬於高溫作業，必須具有相關的操作經驗和資質，否則很容易造成人身和裝置事故。這就導致現行的實驗過程中，學生只能遠遠地觀看而無法參與操作，無法達到實踐教學的最好效果。
以上不足和缺憾是長期存在的，不可能在短缺內得到改善，要想提高實踐教學水平，只有另闢蹊徑，其中利用虛擬現實技術，建立網上虛擬實驗裝置及虛擬實驗室，是解決這些問題的有效方法。
虛擬實踐教學系統能夠克服傳統實踐教學中的種種不足，且較傳統實踐教學來說，花費少，可持續發展性好，是傳統實踐教學的補充和提高。材料成形類專業實踐教學系統的開發專案，依託遼寧省教改專案“材料成形類專業互動式實踐教學系統的研發與應用”而進行。而“互動式軋機裝配軟體的開發”是本專案的組成部分。
1 軋機拆裝軟體設想的提出
基於材料成型專業材料成形機械裝置教學需求及實踐教學的需求，結合對虛擬技術的理解，提出了開發一款互動式軋機拆裝軟體的構想。學生利用互動式軟體可以在電腦上透過滑鼠的點選模擬軋機的裝配過程，加深對軋機結構的理解。
2 開發過程
開發軟體的流程如下：可行性研究→軟體需求的調研→組建軟體製作團隊→製作軟體的3DMAX軟體的培訓→尋找軋機CAD圖紙→圖紙分析→建模→零件知識庫的建立→安裝指令碼製作→軟體介面(UI)設計→程式設計→軟體測試→功能完善。
(1)軟體製作的的技術可行性。透過向軟體開發專業單位諮詢及探討，確認了軟體製作的技術可行性。
(2)軟體需求的市場調研。透過在學生群體中的調研，確認開發軟體應用前景及使用覆蓋面。開發出的軟體可以提供給材料成型專業老師教學演示使用;材料成型專業學生將其作為實踐環節學習裝置結構原理的學習軟體;軋鋼企業將其作為培訓職工的工具;幫助不瞭解軋機的其他專業人士瞭解軋機結構及各個部件的作用。
(3)招募學生組建軟體製作團隊。委託軟體開發企業完成整套軟體開發費用較高，教改專案的經費不足以支付全部開發費用，而軟體開發企業人員又不具備材料成形裝置專業知識，單獨開發存在困難。透過與企業研究，我們決定嘗試校企共同開發的模式。招募本科生參與軟體開發的部分工作。這樣可以將軟體開發與學生技能培養相結合，學生在掌握本專業知識的基礎上，應用所學專業知識參與制作模型等工作，既挖掘的學生的潛力，提高了學生的技能，又在有限資金的情況下，完成開發工作，縮短開發週期。團隊招募的具體做法是：以學過專業課的大四本科生為主體，以大三學生為輔，兼招少數機械專業學生，讓本專業學生與機械專業學生優勢互補。大三學生的招募是為了形成梯隊，保證今後軟體製作團隊開展工作的.連續性。
考慮學生考研、就業及出國深造的各種不同情況，在保證3～4人的相對穩定的核心團隊情況下確定團隊成員動態加入，動態退出機制。在這樣的指導思想下，透過在大三、大四本專業及相關專業學生中的廣泛宣傳和發動，迅速招募了十幾名製作成員，組建了虛擬軋機拆裝軟體製作團隊。
(4)團隊成員高效率培訓。製作團隊組建後，聘請軟體公司人員利用業餘時間對學生進行3DMAX等軟體的培訓，並提供給學生相應的軟體學習參考書及工具。學生在較短的時間內就掌握了軟體使用方法。
(5)CAD圖紙分析。專業教師為學生找來軋機的CAD圖紙，指導學生明確圖紙中圖與實物的對應關係，並帶學生去現場觀察軋機實物，以建立對零部件的空間形象想象。
(6)建模。由於拆裝零件的需要，經過慎密的對比及思考，決定應用3DMAX建模。建模學生根據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體拆裝零件時對零件的瞭解，還嵌入了零件知識庫。使用者在拾取零件時，點選時就可以連結到知識庫。螢幕上就出現此零部件的名稱、作用及應該安裝的位置，這樣就方便了使用者的理解。知識庫的建立雖然增加了軟體製作成員的工作量，但是其在為使用者提供方便的同時，也讓開發軟體的學生加深了對於裝置中零件的瞭解。表1為部分零件知識庫。
(8)指令碼的製作。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指令碼。軟體製作成員對指令碼進行了製作。確定了以下指令碼製作的原則：①在軋機裝配過程中遵照零件→元件→部件的原則，先單獨裝配機架、輥系、傳動裝置、減速箱、齒輪箱和驅動裝置，再組裝到一起。②在寫指令碼過程中，遵循“由內向外，由下往上”的順序自己裝配部件。圖2為軋輥安裝指令碼順序圖。
按安裝指令碼安裝軋輥最終效果，圖3。
圖3
為方便後期更加直觀地瞭解軋機的裝配順序，製作時還透過對部件進行炸開處理，並對各個零件賦予不同顏色的材質，方便使用者清晰觀看，見圖4。
圖4
對工作機座主要的部件組裝完成後，再對傳動裝置、主電機、減速箱等部件進行組裝，最後組裝成軋機，見圖5。
圖5
(9)應用Unity實現軟體的功能。利用Unity軟體和製作的指令碼處理軋機三維模型，讓軟體具有學習和拆裝模式，把知識庫儲存到軟體中。使用者可在使用過程中瞭解軋機的組裝過程，還可自己組裝軋機。將軋機置於某虛擬的場景中，還可以實現對軋機三維視角的觀察。
回顧軟體製作過程，我們總結出一些值得借鑑的經驗：(1)給學生充分的自由度，包括製作中時間安排，UI的自主設計，場景的自主設計，功能的新增等，這樣做可以給學生更多的自主發揮空間，這樣充分調動了學生的興趣和主觀能動性;(2)鼓勵學生大膽想象，大膽創新，並給學生創造寬鬆的創新環境。貫徹不拘一格，風格各異的理念，學生的創新意識得到最大程度的提高;(3)建立軟體公司、教師、學生定期會面制度。按照公司模式按時間節點檢查進度，佈置工作，指定專人進行會議記錄。教師、學生與企業人員共同切磋，對軟體製作細節提出自己的看法和建議。學生受到企業文化的薰陶，形成了嚴謹工作作風。
3 結語
互動軋機拆裝軟體開發實踐，開創了校企合作開發軟體兼培養學生的全新模式並從中總結了成功經驗;鍛鍊和培養了一支由各年級本科生組成的可持續工作有強力後勁的虛擬教學軟體製作團隊;在軟體開發實踐中大大提升了本科生自主學習能力、創新能力、實踐能力;學生提前感受企業管理的理念，培養了團隊合作意識，踏實的工作作風，鍛鍊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備。有4名同學以此為題目完成了高質量的畢業設計，獲得教師的高度認可和好評;所做的軟體在演示過程中受到答辯老師們的肯定，軟體投入使用會收到預期的效果。