工程训练安全虚拟仿真实训教学探讨

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工程训练作为高校开展工程实践教学的必修课程，对学生学习基础工艺知识、形成创新思维、培养工程实践能力与创新能力发挥着重要作用。在“中国制造2025”及工业4.0的战略背景下，随着“互联网+”、物联网、人工智能等新技术的发展，对新兴工程技术人才在工程实践能力、创新能力、国际视野、发现并解决复杂工程问题能力等方面提出较高的要求。为了更好地培养学生的创新能力、解决复杂工程问题的能力，多数高校的工程训练中心在硬件建设与实践教学过程中，尽可能贴近工厂生产实际环境。但由于学生自身的安全防范意识和防范能力比较弱，如不了解实训着装要求，对安全行走路线不熟悉；不熟悉设备的工作原理和性能，不按照安全操作规程操作设备或无法及时发现设备运行中存在的问题。因此，在实践教学过程中极易出现安全隐患，引发安全事故，危及师生的人身安全[1]。新形势下，高校的工程训练课程体系也在不断改革与创新。为了培养学生的“大工程”意识，工程训练已从原有的实践教学模块如普通车削加工、钳工、铣削加工、磨削加工、铸造、焊接等逐渐拓展为数控车削加工、加工中心、3D打印、激光加工、工业测量、工业机器人、智能制造、人工智能等现代先进的实践教学模块，增加了新材料、新工艺、新技术的实践教学内容，注重多学科的交叉融合，在空间和时间上实现了实训教学资源的全开放，满足了学生的自主创作与加工要求。但与此同时，工程训练中心发生安全事故的概率也在提高，对学生、教学人员及单位将会造成严重的不良影响[2]。因此，工程训练过程中的安全实践教学改革势在必行。

1构建工程训练安全虚拟仿真实训教学平台

针对工程训练安全实践教学环节，提出采用以虚补实的实践教学方法[3]，开发工程训练安全虚拟仿真实训教学平台。将原有教学手段难以展现的安全事故呈现在平台中，以动画、图片、视频的形式讲解典型的安全事故实例[4]，为学生和实训指导教师提供“自主式”“交互式”“开放式”的工程训练安全实训教学环境，使学生对实践操作有一个较为生动直观的认识，并主动遵守安全操作规程，有意识地避免甚至消除一些潜在的安全隐患[5]。

1.1工程训练安全虚拟仿真实训教学平台的总体构建

工程训练安全虚拟仿真实训教学平台包括教师端和学生端。教师端主要包括资源管理系统、数据分析系统、信息维护系统、考试系统等；学生端主要包括过程行为监督系统和学习系统。

1.1.1资源管理系统

教师可以通过资源管理系统在线上传、下载及编辑实训安全的各类教学资源，如电子课件、动画库、视频库等，并可以通过视图选择实训内容。教师可以根据本节课内容进行筛选，屏蔽掉多余的模块。

1.1.2数据分析系统

数据分析系统支持和显示多种数据分析，包含考核成绩数据分析、学习时长数据分析、学习完成度数据分析等，并以可视化的形式展示。教师通过数据分析系统可直观清晰地查看学生的学习情况。

1.1.3信息维护系统

教师可以通过信息维护系统进行创建账号、刷新账号、修改账号信息等操作。信息维护系统支持账号信息批量导入、批量导出、账号状态可视化功能，教师可以便捷地查看账号信息。

1.1.4考试系统

考试系统包括登录模块、实时考试、自动计算考试时间、密码校验、试题维护、考试科目维护、组卷选择等。其中，登录模块采用一学生一账号模式，确保每名学生通过唯一的登录账号进入系统答题；实时考试可以根据教师组卷方式进行组卷，确保个性化组卷；自动计算考试时间，可以自动保存批阅考生作答情况；密码校验是在考试过程中后台实时校验考生密码，在线考试时避免他人恶意登录，查询成绩时也可避免考试成绩泄露；试题维护、考试科目维护、组卷选择模块，教师可以批量导入、导出实训安全考试题目，也可以在线手动对试题进行编辑，可以选择手动组卷或者随机组卷。考试系统界面以树形结构管理所有科目，考试内容为分类别、工种测试，最后进行统计分析。

1.1.5过程行为监督系统

工程实训安全虚拟仿真系统采用一学生一账号模式，学生登录时会在网络中签署使用协议以确保账号是本人使用，并对使用过程的行为进行全程记录。例如学习时长、视频观看是否完整、操作是否完成等，如有违规操作或未操作等情况，系统会保存相应记录，并不允许其进入考试系统。

1.1.6学习系统

学习系统分为在线学习系统和局域网下单机学习系统。在线学习系统中，学生可以通过互联网进行学习，在学习过程中可实现过程行为监督、在线考试、在线学习等功能。在单机学习系统中，学生可以进行工程实训安全虚拟仿真系统的单机学习，通过游戏的方式学习，并可以在学习过程中进行测试。

1.2工程训练安全数字化教学资源的建设

工程训练安全数字化教学资源主要包括实训安全总则、各实训教学模块中的设备安全操作规程、易发生教学事故的安全案例等。实训安全教学资源库包括电子课件库、二维/三维动画库、视频库。

2工程训练安全虚拟仿真实训教学平台在工程训练中的应用

2.1安全教育的实训方式

工程训练安全教育依托工程训练安全虚拟仿真实训教学平台进行[6]。在平台中，学生可以通过观看视频、模拟实操、还原事故的方式了解实训着装要求、安全行走路线、各模块安全操作规程及实训过程中存在的安全隐患等，对实践操作有一个较为直观生动的认识，并主动遵守安全操作规程[7]，有意识地避免甚至消除一些潜在的安全隐患。

2.2实训内容

借助工程训练安全虚拟仿真实训教学平台学习实训安全总则、安全标识及各个实训模块的安全操作规程，包括机械测量、车工、铣工、刨工、磨工、数控电火花线切割、数控车床、钳工、工装夹具、机械拆装、注塑及冲压、电工电子、工业机器人、智能制造、气动液压、激光加工、3D打印、铸造、机电一体化、焊工、竞技机器人等22个实训教学模块、200多条实训安全操作规程。

2.3考核方式

安全教育实训考试借助工程训练安全虚拟仿真实训教学平台中的考试系统完成，要求学生在进入工程训练学习前，必须通过在线或单机学习系统了解实训着装要求、安全行走路线、各种设备的工作原理和性能等，对安全事故的危害有所认识，从而对工程训练涉及的相关设备使用等安全操作规程有所掌握。学生通过考试系统完成工程训练安全的相关考试，达到继续工程训练实践教学的目的。对于未能通过工程训练安全考试的学生，不能继续工程训练学习[8]。

2.4应用效果

2.4.1丰富工程训练实践教学内容

实践教学是高校工程训练中心的基本任务，保证学生的实训安全是实践教学的重中之重。工程训练中的安全事故很难用原有教育手段进行展示，如女生长发卷入车床，头皮被揭掉；学生戴手套操作车床，手卷入旋转刀具内损伤(见图1)。采用虚拟仿真与实际实训教学相结合的教学模式，将实训着装要求(见图2)、安全行走路线、安全教学事故等内容整合到工程训练安全虚拟仿真实训教学平台，打破原有工程训练安全实践的局限，为教师、学生提供一个更直观的教学方式，让学生学习到原有实训安全教育中无法了解的内容[9]。

2.4.2调动学生主动学习实训安全的积极性

在虚拟仿真实训条件下，工程训练安全实践教学不再局限于实验室，同样也不再局限于单纯的安全隐患图片或者是视频，实践教学活动的空间得到了扩展。同时，学生对安全知识的掌握也不再仅仅局限于课堂，可以利用课余时间学习，学习时间也有了扩展，有助于加深安全知识的理解和掌握。另外，通过软件的设置，教师可以统计学生学习的时间、操作是否完成、是否有违规操作或未操作等情况，可以更直观地了解学生学习每个安全知识点的时间，提高实践教学质量[10]。

2.4.3提高工程训练实践教学的安全性

工程训练的实训内容很多，包括加工中心、智能制造、数控车床、数控线切割、车床、铣床、焊接、锻造、热处理、钳工等22个实训教学模块。在实训教学过程中，通过观看视频、模拟实操、还原事故等方式，让学生了解工程训练实践教学过程中的安全隐患，违规操作会造成怎样的伤害。学生通过虚拟仿真的方式掌握各个模块的安全操作规程，提高实训的安全性。

3结语

通过工程训练安全虚拟仿真实训教学平台的建设，使工程训练安全教育系统化、标准化，并形成教师与学生通过在线考试方可进入实训的安全管理模式[11]。该平台的建设有助于增强学生的安全意识，规范安全行为，提高工程训练实践教学的安全性。该平台面向吉林大学工程训练A、工程训练B、工程训练C，每年有全校机械类、近机械类的4个学部、11个学院37个专业3700名学生受益。随着医工结合、艺工结合、文工结合等课程的开设，今后将进一步扩大受益面，同时也对其他院校工程训练安全教育具有重要的借鉴意义。

参考文献

[1]邹卫放.工程训练中心教学中的安全教育[J].实验室研究与探索,2010,29(2):181-183．

[2]叶树铃,毛锡锋.工程实践教学安全保障体系的构建与探索[J].实验技术与管理,2009,26(12):139-140．

[3]孙建之,董岩.地方高校化学实验室安全管理中存在的问题及对策[J].实验室研究与探索,2017,36(5):286-289．

[4]毕海霞,成玉飞,王铁成.新形势下工程训练安全文化体系研究与实践[J].实验室科学,2018,21(2):209-212.

[5]付铁,丁洪生,马树奇.关于工程训练安全保障问题的探索与思考[J].实验技术与管理,2013,30(4):208-210.

[6]张戈.智能制造背景下强化工程训练安全教育的思考与实践[J].实验科学与技术,2018,16(6):132-135.

[7]吴若霞,刘慧萍,李玲,等.虚拟仿真实验平台的意义与内容初探[J].中国中医药现代远程教育,2017,15(5):48-49.

[8]陈建,朱鲁闯,王杰,等.工程训练中非技术能力培养课程体系研究[J].实验科学与技术,2020,18(4):74-78.

[9]高琪祖,英利.工程训练过程的安全教育体系建设与实践[J].上海第二工业大学学报,2017,34(4):313-316.

[10]光翠娥,王世强,王萍.理工类高校实验室安全的潜在风险和问题分析及对策研究[J].中国现代教育装备,2012(3):42-44.

[11]王赢利,何优选,朱芹.构建高校安全文化管理体系的实践与探索[J].实验室研究与探索,2009,28(6):307-309,316.

作者：杨洋 李金良 曲晓海 黄海龙 周亮 单位：吉林大学工程训练中心 吉林大学材料科学与工程学院