0、引言

中国作为世界第二大经济体，其中制造业贡献最大，因此国内对高技能人才具有较大的需求。焊接，作为制造业中最基础，同时也是应用最广泛的工艺技术，广泛应用于汽车、航空航天、船舶、电子设备制造等领域，是现代工程制造不可或缺的一部分。目前，国内焊接技能人才需求处于短缺状态，焊接技能人才的短缺与其培训模式存在着重要关系。传统的焊接培训体系往往要投入大量的人力、 物力，而且焊接实操培训过程中会产生有害气体和辐射光源严重影响学员的身心健康 以及安全隐患。除此之外，学员的焊接作业完成情况评判标准比较局限，老师无法全程监督学员的操作是否规范，只能通过学员作业后的焊缝来进行指导，培训效率不够理想等^[1]。

虚拟焊接技术的发展为焊接培训提供了一种新的思路。虚拟焊接技术通过虚拟现实（VR,VirtualReality）、增强现实（AR,AugmentedReality) 以及计算机仿真技术等模拟现实焊接作业情景，它是集传感技术、仿真技术和计算机硬件技术于一体的 一个真实的、虚拟的焊接教学平台^[2]，使培训人员可以真实地感受焊接作业过程。该教学平台包含了在线视频教学资源系统仿真课题、模拟训练等，教学内容由浅入深，培训人员可以根据自身学习情况自主选择教学模块。该焊接教学平台根据培训人员的焊接姿势、焊枪距离和角度等操作信息，自动采集和计算生成焊接实训报告，培训人员根据实训报告可以发现自己焊接作业时的缺陷和不足，从而自主地优化焊接操作，降低了对老师教学的依赖度，提升了整体的教学效率^[3]。

虚拟焊接技术构建的焊接教学平台相对传统的焊接教学具有众多的优点^[4-5]，例如：j培训成本少，高效化教学；k安全性高，功能完善；l技能规范标准，练习过程智能引导；m 焊接录像分享，方便学员回顾；n培训结果可评估。正因为虚拟焊接教学平台有以上优点，目前一些职业院校结合学校的教学环境已经通过虚拟焊接教学平台提升教学质量，但虚拟焊接技术还处于发展阶段，因此还需通过实践进行不断地完善。故本文以虚拟焊接教学平台为依托，基于“校、企、生”三方建设的虚拟焊接教学模式，对职校学生进行“理、实、虚”一体化的课堂实施，提升焊接培训教学质量和完善虚拟焊接教学平台。

1、虚拟焊接教学实训平台的建设

目前，焊接实训在职业院校理实一体化教学中占有比重较大，依托虚拟焊接平台可以大幅提升学校焊接教学水平，为国内培养大量的优秀高技能焊接人才。本文基于AR技术和西班牙Seabery公司的Soldamatic系统构建虚拟焊接教学平台，将传统的焊接培训转换为“三个结合”，即理论与实践结合、实操与虚拟结合和线下与线上结合。整个培训流程分为理论学习、模拟训练和实操训练三个部分，首先在理论学习阶段引入可视化、数字化教课程学内容，使学生能直观地学习和了解焊接相关的原理知识，为后续的模拟训练奠定夯实的基础；然后学生通过虚拟焊接平台进行大量的虚拟焊接练习，快速提高虚拟焊接水平；最后通过实操训练对模拟训练掌握的知识和能力加以巩固。下图1为总体焊接培训室，包括虚拟焊接教室和焊接实训室两部分，图中左侧为虚拟教室，可用于理论学习和焊接模拟训练，右侧为焊接实训室，模拟训练合格后方可进入实训室进行焊接实操训练。

图1总体焊接培训室

1.1 理论学习

理论学习包括传统式教室授课和虚拟焊接教室自主学习云平台内容两部分。虚拟焊接教室通过引入数字化和可视化教学内容，将抽象、难以理解的焊接知识通过动画或图片的形式展示出来，让学生可以直观地理解，增强了学生的学习积极性。老师在课前云平台提前发布课程内容，以学生为主体、老师为主导来打破空间和时间的限制，方便学生在任何时候都能获取知识，增强了学生的自主学习能力。

1.2 模拟训练

通过采用Soldamatic系统，基于AR技术，学生可以从听觉、触觉和视觉上感受最真实的焊接体验。Soldamatic系统可以为学生提供机器人焊接和手工焊接两种焊接情景的模拟，系统主要包含电子教学平台、AR焊接模拟器、AR机器人模拟焊接、分析模块、课程设计等模块，满足于学生从理论学习到不同场景的模拟焊接训练的需求，全方位地提升学生焊接技能水平。

电子教学平台采用E-Learning系统，此教学系统被广泛地应用于欧美高校中，具备课程同步、学生管理和训练模块的功能。教师可以根据焊接通用性需求和企业或者行业要求自定义编辑相关课程同步至云平台，并且学生根据学习进度和技能水平合理分配不同的课程进行学习，每个课程包含有一个或多个练习单元，每个练习单元包含理论、测试、模拟训练等内容，学生需根据教师安排完成相对应的课程任务，并且教师通过虚拟教室可以了解学生的学习状况，做到及时指导和调整，提高教学效率。

AR焊接模拟器是虚拟手工焊接的实现工具，如图2所示。在外形方面，AR模拟器的头盔及主机设计都与真实焊机面罩及主机相似，为学生提供最真实的焊接场景，在视觉和听觉上可以清晰地感受火光飞溅等真实焊接场景的画面和声音；在模拟内容方面，AR焊接模拟器支持多种焊接方法，如FCAW、GTAW、GMAW和SMAW，常用的焊接参数和内容均包括在内，支持焊接样件、工件位置、焊接位置、保护气、材料厚度、填充材料、电流大小等参数的选择，其中焊接接头形式包含T型角接、V型坡口对接板/管、板板搭接、平对接、管管对接等形式，且尺寸规格符合AWS、IIW以及DVS等国际设计规范。除此之外，模拟器还提供学员帮助功能和分析模块，有利于学生发现、改进自己的不足和缺点，快速提高焊接技能。

图2   AR模拟焊接器示意图

在以上AR焊接模拟器基础上，结合机器人焊接模块即可组成AR机器人模拟焊接模块，该模块包括机器人模拟焊接专用硬件组成、机器人模拟焊接专用软件系统和机器人模拟焊接专用学习内容三部分，提供学生机器人模拟焊接训练，支持焊接位置、厚度、焊材、焊接速度、电流强度、电压强度、焊缝长度、运枪手法、缺陷分析等焊接参数的选择。与手工模拟焊接相同，机器人模拟焊接过程提供实时焊接反馈，智能引导和纠错，方便学生自主学习，大大提升教学效率。

分析模块是模拟焊接训练结束之后的总结分析环节，对每位学生的模拟焊接训练结果给予数字评分，能清晰的了解训练效果，并且评分结果包含了各训练项的评分，方便学生知晓自己的优势与不足之处。除此之外，模拟焊接过程实时储存在系统中，学生可全景回放自己的焊接过程，方便学生自主学习，减少教师资源投入。

图3 模拟焊接分析模块

1.3 实操训练

模拟焊接训练合格后，学生即可进入焊接实训，经过前期大量的焊接理论学习和模拟训练，学生已具备扎实的焊接基础，根据焊接行业和企业内部培训需求，学生只需通过较短时间的焊接实训就能成为一名真正的焊接操作工。通过虚拟焊接培训平台，可以大大缩短了对学生的培训时间，降低培训成本，提升教学效率。除此之外，通过分析学生的模拟焊接训练结果和实训结果，并反馈至企业，从而不断优化虚拟焊接教学平台。

2、实践教学成效性分析

目前，虚拟焊接技术已应用于职业院校焊接培训当中，相对于传统的焊接培训，基于虚拟焊接技术的培训方法给焊接教学带来了极大的效果。为了验证基于虚拟焊接技术的教学方法在实际焊接培训当中的应用效果，本文以江西某职业院校的4个机电一体化班级196名学生的期末实训成绩作对比，其中1班和2班为对照组，教学方法沿用传统的焊接培训模式，3班和4班级为实验组，教学方法采用第1章所介绍的虚拟焊接教学平台，对照组和实验组所培训的内容和指导教师等资源条件相同，最终通过对照组和实验组的期末实训成绩来验证基于虚拟与现实焊接训练教学体系的教学效果。实训对比结果如表1所示。

表1   对照组和实验组期末实训成绩对比

从表中可知，采用传统焊接培训方法教学的对照组1班和2班平均成绩分别为71.42和72.77，采用虚拟焊接教学平台培训的实验组3班和4班平均成绩分别为81.88和82.89，实验组成绩整体比对照组成绩高10分左右，且80~100的高分占比提高了许多。从教学现场来讲，采用传统焊接培训方法教学的对照组1班和2班学习积极性不高，培训过程对学生的身体健康影响大，焊接材料消耗大，培训效果一般；而使用虚拟焊接教学平台培训的实验组3班和4班教学效果好，学生们学习积极性高，通过模拟焊接掌握运条方法、焊接手法等。有效提高了实操培训效率和质量，极大地减少了实训成本。

3、夯实“校、企、生”三方虚拟与现实焊接训练教学体系

通过虚拟与现实焊接训练教学体系中实训教学的实施情况与实习效果分析。针对学生对该虚拟焊接技术的反馈来优化实习教学方案，合理调整实习步骤。生产企业根据焊接录像回放，收集信息，不断改进虚拟焊接教学平台；用人企业也可以根据焊接录像回放，考察学生在不同的焊接方法、焊接材料、焊接位置时的训练情况，重点考察学生在焊接过程中运条手法是否熟练，运条手稳不稳，接头处理好不好等，全面了解学生，便于选拔优秀人才进入重点岗位，缩短实操培训时间，减少资金投入。

4、结论

本文针对传统焊接培训存在的效率低、危险性高等问题，采用了一种基于虚拟焊接技术的焊接教学平台，并与传统的焊接培训方法作对比，实验结果显示，基于虚拟焊接技术的教学方法能极大提高教学质量和效率，减少教学成本，全方位培养了学生的焊接实操能力和安全意识。基于虚拟焊接技术的教学方法可以为职校或企业培养更多的高技能人才，也对其他专业领域的教学培训具有借鉴意义。但本文的研究对象只是某职业院校的4个机电一体化专业班级，选取的样本量较少，而且焊接培训仅持续了一个学期，后续研究可以扩展研究范围和样本量，增加培训时间，进一步优化虚拟焊接技术在实践教学中的应用。

4、参考文献：

[1] 宋金虎.基于虚拟现实的仿真焊接培训系统研究[J].电焊机,2018,48(11):117-120.

[2] 谢本凯,张笑笑,蔡水涌,周强.虚拟焊接训练技术研究进展[J].焊接,2022(5):43-51.

[3] 林裕兴.虚拟焊接技术在车身修理焊接教学中的应用[J].大众汽车,2023(8):170-172.

[4] 张怡青,杨莉,谢胜利,任艳艳.虚拟仿真技术在焊接实训中的应用[J].科技与创新,2022(10):166-169.

[5] 杜春峰.浅谈虚拟现实技术在焊接实训教学中的应用[J].中国设备工程,2023(8):261-263.