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浅析虚拟仿真技术在印刷教学中的应用
2012年3月24日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:刘悦 唐万有
    单位:天津科技大学

    印刷是一个专业性、技能性很强的领域,它要求印刷机操作者熟练地掌握印刷机的操作规程,并且了解机器的内部结构及传动原理。但目前相关的教育机构由于受到资金、场地等条件的限制,提供实训及演示的机器存在着数量少、型号陈旧等问题,在一定程度上影响了印刷专业的教学质量。笔者提出将虚拟仿真技术带入印刷专业教学中的必要性,并对如何采用虚拟仿真技术提出了应用方案。

  随着国家高度重视职业教育事业发展,职业教育规模不断扩大,对完善我国职业教育结构,服务经济社会等方面发挥了积极作用。但同时,目前我国技工学校办学条件和教学设备供给情况并不是那么尽如人意,“双师型”专业教师数量不足,质量保障体系不够完善,办学机制和教学方法改革有待突破等等问题,严重制约了职业教育的发展。

  加强实训中心装备建设、保证实践教学时间,是满足学生培养目标的前提条件和重要保证。因此,各学校在实训仪器设备和实训教学管理上都加大了资金和人员投入,纷纷建立起实训室和实训基地,为实训教学的开展提供基本保障。即便如此,由于经费投入、设备更新换代、场地限制和扩招的原因,很多学校仍存在实训资源紧张,学生操作技能练习不足等问题,这将大大降低学生的动手能力和就业的竞争力。因此各学校除了传统设备的投入,需要充分利用现代信息技术,开发虚拟工厂、虚拟车间,考虑利用虚拟技术来解决当前实训中存在的一些问题。

  印刷实训课教学存在的主要问题

  1.实习设备种类少、陈旧、型号落后。目前在印刷专业学校存在的一个突出问题就是硬件条件差,一般学校教育经费严重不足,而一台国产四色印刷机也需几十万甚至几百万,对于大多数学校根本无力购买,学生人均占有的仪器设备数额少,档次低。结果导致相关课程的实训基本无法开出,有些勉强开出的实训也由于设备数量严重不足满足不了学生动手的需求,而且都是购买了一批设备要使用到设备的报废年限为止,而实际生产企业的设备更新换代很快,这样从学校培养出去的学生并不能够在很短的时间内适应岗位工作的需要。这很难达到教育部提出的“基地设备保持同期企业生产使用设备水平,并具有一定的超前性”要求。

  2.实习成本偏高,使实训流于形式。虽然目前国家对职业教育的投入加大,一些教育机构配备了进口的多色胶印机,但由于实训中油墨、纸张耗材成本开销较大,往往使实训流于形式。

  3.校内实训环境与企业生产环境不一致。由于印刷设备的规格型号很多,一般学校也只能选择配备某一种型号的,一般是同类设备中档次较低的,设备更新换代的速度更是远远不及实际工作现场设备的更新换代速度,所以设备老化及型号单一情况在学校实训教学中普遍存在,这一现象导致学生虽然做了实训,但是校内实训环境与企业生产环境不一致,校内实训与职业岗位工作不一致,实训效果差,学生适应企业工作岗位慢。

    认识虚拟现实技术

  虚拟现实技术是运用计算机对现实世界进行全面仿真的技术,由于它能够创建与现实社会类似的环境,从而能够解决学习媒体的情景化及自然交互性的要求,从而在教育领域内有着极其巨大的应用前景,可以预言,虚拟现实将是继多媒体、计算机网络之后,在教育领域内最具有应用前景的“明星”技术。

  虚拟现实技术是利用三维建模技术,构建一个与现实世界的物体和环境相同或相似的虚拟三维场景,并能响应用户的输入,根据用户的不同动作做出相应的反应。虚拟现实的关键技术主要有动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术等。虚拟现实技术主要侧重于对真实物体物理特征的仿真,也称为视景仿真

  利用虚拟现实技术建立起来的虚拟实训基地,其“设备”与“部件”多是虚拟的,可以根据需要随时生成新的设备。教学内容可以不断更新,使实践训练及时跟上技术的发展。同时,虚拟现实的沉浸性和交互性,使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色,全身心地投入到学习环境中去,这非常有利于学生的技能训练。由于虚拟的训练系统无任何危险,学生可以不厌其烦地反复练习,直至掌握操作技能为止。例如:在虚拟的飞机驾驶训练系统中,学员可以反复操作控制设备,学习在各种天气情况下驾驶飞机起飞、降落,通过反复训练,达到熟练掌握驾驶技术的目的。

  普通意义上的虚拟现实需要大型计算机、头盔式显示器、数据手套、洞穴式投影、密封仓等昂贵设备,一般的教育单位是不可能承受的,资金不足严重制约着教育领域对虚拟现实的研究和应用。但随着科学技术的飞速发展,虚拟现实技术出现了多样化的发展趋势,根据“沉浸”程度的高低,可以划分出四种类型的虚拟,其中桌面型的虚拟现实技术非常简单,需要投入的成本也不高,而且在教育领域内可应用的范围很广。桌面虚拟现实利用个人计算机和低级工作站进行仿真,将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口。通过各种输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互,这些外部设备包括鼠标、追踪球、力矩球等。它要求参与者使用输入设备,通过计算机屏幕观察360度范围内的虚拟境界,并操纵其中的物体,但这时参与者缺少完全的沉浸,因为它仍然会受到周围现实环境的干扰。桌面虚拟现实最大特点是缺乏真实的现实体验,但是成本也相对较低,因而,在教育领域内可应用的范围很广。在软件方面,目前有很多成熟的软件平台可以进行桌面型虚拟现实系统的开发,如MultigenVegaPrime、EONStudio、Virtools、VRML等。

  采用虚拟技术对印刷教学工作的作用

  在印刷机械教学中,需大量用到对机械的外观、组成、结构的展示,传统教学大都采用实物(生产样机)展示的方法。采用虚拟现实技术的展示方法则以其廉价、无场地限制和效果良好的优势得以广泛应用。

  能在一定程度上缓解学校设备短缺和落后问题产生的压力。虚拟印刷实训车间能提供型号齐全、不会损坏的实训设备,并且可以不断地扩充和发展,虚拟实训室的功能可以随着软件维护的进行而不断进步。利用虚拟现实系统,学生足不出户便可以做各种各样的实训,获得与真实实训一样的体会,从而丰富感性认识,加深对教学内容的理解。

    可以为学校节约资金投入。利用虚拟实训车间的训练作为实际训练的重要补充,可以使学生获得不计成本、不计次数、不限时间的理论学习和操作训练,可以大量地减少纸张、油墨、机器磨损等消耗,降低了实训的成本。

  可避免真实实训或操作所带来的各种危险。由于印刷机具有较高的复杂性和精密性,学生在实际训练和操作时,会不可避免地由于误操作产生一定的人身伤害和机器损坏。而学生在虚拟实训环境中,可以放心地去做各种实训,操作的安全性高,可将人身伤害和机器损坏降到最低。

  虚拟现实技术在印刷教学中的应用方案

  1.建立仿真模型。首先对印刷车间、印刷机械(外部结构)等进行建模。使用3dsmax、Maya、MultigenCreator等三维制作软件,其中3dsmax、Maya建模功能强大,对对象的细节描述非常生动,适合于对象的精细建模,但是其建模数据量非常大;MultigenCreator是专门为复杂的虚拟场景实时漫游设计的建模工具,与Vega为一个公司开发的三维建模软件,能直接导入Vega进行编辑,它有良好的用户交互界面,建模速度快,而且它建立的模型较小,不会影响虚拟环境的实时性,但是在精细建模方面却不能和上面提到的软件相提并论。

  其次,对印刷机械内部主要传动机构进行建模。使用Pro/E、Solidworks等机械三维制作软件制作齿轮、凸轮、杠杆等机械零件,并对它们进行装配。

  2.创建虚拟印刷车间场景。使用VegaPrime、EONStudio等视景仿真软件导入模型,建立虚拟印刷车间。

  3.建立与虚拟印刷车间的互动。内容包括印刷车间的漫游、印刷机内部零件的展示及拆解、印刷机部分机构传动过程的动态演示及相关视频和动画的链接、通过虚拟操作面板实现印刷机的虚拟基础操作。

  设备外观、结构的展示,可使用EON进行动作的编辑和驱动;用VegaPrime驱动可以实现更复杂的交互操作机器的虚拟操作仿真;应使用VC等编程软件进行虚拟操作面板的逻辑控制。

  4.系统集成。系统集成就是将上述做好的模型、场景按照教学软件所需的形式将其有机地整合在一起,使之成为一个完整的、规范的教学软件。系统集成可以使用目前常用的软件开发平台如VB、VC++等。由于上述虚拟现实驱动软件如EON、VegaPrime等均以ActiveX控件方式提供了可用于常用软件开发平台的运行插件,因此,系统集成变得十分方便。编写程序时,只需考虑软件功能的安排,注意程序间的兼容性即可。

  当今印刷专业的教学不应再只是单纯地依靠书本、教师授课的形式。我们应该借助虚拟现实技术这一先进的平台开发出适合教学实际的印刷机械的虚拟仿真教学系统来弥补传统教学方式的不足,以此希望能够改善目前一些印刷专业学校教学面临的尴尬困境,使其教学水平得到质的飞跃,为印刷业人才的培养作出贡献

标签:印刷教学
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