陈 宇，肖逸锋，钱锦文

（湘潭大学机械工程学院焊接机器人及应用技术湖南省重点实验室，湖南湘潭411105）

0 前言

新工科是在新科技革命、新产业革命、新经济背景下工程教育改革的重大战略选择。紧紧围绕工程教育改革的新理念、新途径、新要求、新模式、新方法全面开展。其内涵是以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养多元化、创新型卓越工程人才[1-2]。实验教学是理论连接实际应用的桥梁，是提高学生创新思维与能力的关键，在新工科背景下进一步推进实验教学改革，是对工程教育新要求、人才培养新目标的探索，有助于提高学生在工程严谨性、跨学科与系统思维、主动性等方面的综合素质[1-3]。

然而，新工科背景下的实验教学的改革不是坐等之事。例如焊接专业是实践性非常强的专业，但实验室普遍存在以下问题[4-6]：（1）实验教学设备的数量有限、设备类型单一，无法满足大量学生同时进行实验的需求；（2）先进焊接实验设备前期投入和后期维修成本高；（3）实验设备更新缓慢，实验设备通常落后于当前行业新技术；（4）一些特殊焊接实验不能进行。实验教学则存在高风险、高成本、高能耗、高价值的“四高”实验项目[7]，而虚拟实验与真实实验室相互补充，能够做到优势互补。虚拟实验技术是基于原型专业知识体系，利用虚拟现实技术（Virtua1 Reality，VR）在计算机系统实现虚拟实验环境[8]。实验者通过计算机界面进行操作控制，可以像置身在真实场景中进行各种预定的实验项目，体验实验全过程。低端的虚拟实验主要实现树状知识的结构，高层如AR技术则可实现浸入式交互作用，沉浸感更强。目前，虚拟实验技术已经应用于很多学科的教学实践中，可以作为实验教学改革的重要方向[9-11]。

1 新工科背景下虚拟焊接实验教学整体规划

1.1 搭建虚拟实验平台，完善实验教学体系

根据新工科新的人才培养目标,基于“以学生为中心，成果导向教育”的理念，虚拟仿真实验场景，开发出兼具“虚拟体验式、多向互动式和主动参与式”为特点的新型实验教学体系，并将丰富实用的焊接专业理论知识和操作技能融合到生动有趣的实验教学活动中，以充分调动学生的学习激情，提高学生的实际操作水平，巩固专业教学成果，提高教学质量，最终克服传统实验的诸多局限性（如效果差、环境恶劣、安全隐患大、成本高、难理解）。

1.2 探索虚拟焊接实验教学模式

设计“虚实结合、以虚补实、能实不虚”实验教学模式。通过重点建设虚拟焊接实验的教学内容、教学方式方法和教学评价体系，构建切合湘潭大学焊接专业学生的虚拟实验教学体系。

2 新工科背景下虚拟焊接实验教学实施方案

2.1 实验教学内容的设计与制定

首先，进行虚拟焊接实验教学内容设计。依据新的人才培养方案、专业课程内容及现有虚拟实验平台资源，制定适宜的虚拟实验教学内容；其次，开展焊接虚拟仿真实验教学过程设计，根据已制定的虚拟焊接实验项目，设计实验目的、实验步骤、教学方式方法、实验结果评分标准等核心要点，提炼合理的虚拟焊接实验教学过程体系，确保的设计科学性；最后，进行虚拟焊接实验教学改革实践，根据制定的虚拟实验教学方案，在湘潭大学焊接专业学生中开展虚拟实验教学实践，并综合性分析实践效果，将分析结果响应到之后的虚拟实验环节，循序渐进，获得完善的教学模式。虚拟焊接实验过程如图1所示。

图1 虚拟焊接实验操作流程

2.2 虚拟焊接实验教学方式方法

采用“线上学习操作”和“线下演练评估”相结合的教学方式。一方面使得学生提前熟悉实验场景、工艺流程和设备操作步骤等，储备实验所需理论知识，有效减少实验时间，提高实验设备利用率与实验效果；另一方面，可保证所有小组达到教学大纲要求，并熟练掌握相关操作技能与专业知识，锻炼动手能力和创新能力。此外，还采用了回放观摩、自定义教学管理和实时评估分析等新型教学手段来保证教学效果。

2.3 虚拟焊接实验教学评价体系

虚拟焊接实验教学管理平台具有精确量化的考核评价系统。针对不同年级、不同水平的学生制定了一系列虚拟实验教学计划，并设置具有针对性的实验考核标准；利用传感设备对学生的虚拟焊接实验进行精确细致的量化，交互屏上实时显示焊接全过程，精准评测焊缝的焊接效果和质量，出具总体评价是否达标报告，对学生的操作错误及过程稳定性等提出有效的改进措施，以加强学生的操作水平与经验积累，同时有利于教师评价，提高虚拟实验的教学质量。

3 新工科背景下虚拟焊接实验教学改革成效

本教学改革以“学生自身需求和体验”为基本出发点，利用虚拟现实增强技术等一系列技术，开发出一套生动有趣的教学课程，根据不同焊接方法确定了3项焊接虚拟实验项目：a.CO2气体保护焊虚拟焊接实验项目；b.焊条电弧焊虚拟焊接实验项目；c.TIG焊虚拟焊接实验项目。细分每项实验，共设计出10项固定实验任务以及自主设计项目：CO2气体保护焊碳钢焊接虚拟实验、CO2气体保护焊铝板焊接虚拟实验、CO2气体保护焊不锈钢焊接虚拟实验、CO2气体保护焊自主设计虚拟实验、焊条电弧焊碳钢V型坡口平焊焊接虚拟实验、焊条电弧焊碳钢I型坡口平焊焊接虚拟实验、焊条电弧焊自主设计虚拟实验、TIG焊铝板焊接虚拟实验、TIG氩弧焊不锈钢焊接虚拟实验、TIG焊自主设计虚拟实验。实现了以“虚实结合、寓教于乐、积极自主”为特色的实验过程，激发了学生学习热情。此外，还节约了实验耗材成本，确保了学生的安全与健康。

同时本教学改革项目获批了教育部2018年度国家级虚拟仿真实验教学项目《典型焊接工艺方法实践与分析虚拟仿真实验》。学生利用平台参加在甘肃兰州理工大学举办的第四届全国大学生焊接创新大赛获得了一项一等奖，三项二等奖的佳绩。

4 结论

湘潭大学机械学院在新工科背景下，坚持以学生兴趣体验为中心的实验教学理念，针对传统焊接实验教学环节成本高昂、难以复现认知、环境恶劣等诸多局限性，引进虚拟仿真技术，对实验教学内容、教学方式方法和教学评价体系等方面进行探索。实践表明，通过有层次地建立“体系完整、严谨科学、形象逼真、寓教于乐、虚实结合、开放共享”的虚拟焊接实验教学平台，并开发出相应的虚拟焊接实验教学课程体系，最终形成了可行的虚拟焊接实验教学方法，有助于提高教学效果。