时间：2022-01-31 06:04:21
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Software and Personnel Training
GAO Cairu[1]， DING Hua[2]， ZHANG Fubo[1]， CUI Chenshuo[1]， CHEN Yuxuan[1]
（[1] The State Key Laboratory of Rolling and Automation， Northeastern University， Shenyang， Liaoning 110819；
[2] School of Metallurgy， Northeastern University， Shenyang， Liaoning 110819）
Abstract This paper introduces the production process of virtual practice teaching software and the potential of undergraduate students， and the teaching exploration practice of improving the students' skills， and summarizes the successful experience of the accumulation of enterprise cooperation in the process of software development.
Key words virtual practice； teaching software； development； personnel training
材料科学与工程学科是现代科学技术的基础，是与实际生产和应用紧密结合的科学理论和工程技术学科，其中的材料成形类专业更是来源于实践，服务于实践。这些特点决定了材料成形类专业的教学必须具有足够多的实践课程，才能培养出适应社会发展、能为社会做出更多贡献的合格人才。
教育管理者和教育界人士很早就认识到实践教学的重要性，也积极采取各种方法加强各学科的实践教学，但总体看来，相比理论教学，实践教学的覆盖范围、教学强度、教学水平等还很欠缺。由于实践课程需要大量的资源配置，实践课程往往简单地以参观工厂和车间的形式完成。虽然对工厂和车间的参观可以给学生以直观的概念，但仅以此作为实践教学则远不够。目前普遍实行的实践教学有很多不足之处：
（1）对实践教学的重视程度还不够。长期以来，高校实践教学被认为是理论教学的辅助环节，是以加深和帮助理解课堂教学内容为目的。实践教学内容以验证性实验为主，内容和进度基本上依附于课堂教学，无法充分发挥实践教学在培养学生中的重要作用。
（2）实践内容缺乏创新。由于实践教学本身得不到重视，实践教师和工作人员很少有机会走出去学习、交流和深造，只能年复一年地重复过去的实验，很难在设计性实验和综合性实验方面下功夫，直接影响了实践教学在整个教学中所发挥的作用，无法保障人才培养工作的质量。
（3）实践教学设备需求量大。随着我国高等教育的普及，各个高校都在扩招。在校学生数量的急剧膨胀，需要更多的实验设备，且需要更多的空间安置实验设备。对于材料成形类专业实践教学中使用的设备，很多是重型设备，这些设备价值高、占地空间大、用电等辅助配置要求高，学校不可能大批量购置，如何解决设备少、学生多的矛盾，是进行实践教学不可回避的难题。
（4）实践教学的创新性功能未得到开发。实践是产生科学知识的直接来源，如何合理利用实践教学环境，促进学生在学习过程中主动思考问题并解决问题，进而设计新的实验，达到在学习的过程中创新，在创新的过程中学习，还远未得到重视。
（5）部分实验具有一定危险性和复杂性，不适合学生在没有经验的情况下操作。如热轧过程、热挤压过程等，都属于高温作业，必须具有相关的操作经验和资质，否则很容易造成人身和设备事故。这就导致现行的实验过程中，学生只能远远地观看而无法参与操作，无法达到实践教学的最好效果。
以上不足和缺憾是长期存在的，不可能在短缺内得到改善，要想提高实践教学水平，只有另辟蹊径，其中利用虚拟现实技术，建立网上虚拟实验设备及虚拟实验室，是解决这些问题的有效方法。
虚拟实践教学系统能够克服传统实践教学中的种种不足，且较传统实践教学来说，花费少，可持续发展性好，是传统实践教学的补充和提高。材料成形类专业实践教学系统的开发项目，依托辽宁省教改项目“材料成形类专业互动式实践教学系统的研发与应用”而进行。而“互动式轧机装配软件的开发”是本项目的组成部分。
1 轧机拆装软件设想的提出
基于材料成型专业材料成形机械设备教学需求及实践教学的需求，结合对虚拟技术的理解，提出了开发一款交互式轧机拆装软件的构想。学生利用交互式软件可以在电脑上通过鼠标的点击模拟轧机的装配过程，加深对轧机结构的理解。
2 开发过程
开发软件的流程如下：可行性研究软件需求的调研组建软件制作团队制作软件的3DMAX软件的培训寻找轧机CAD图纸图纸分析建模零件知识库的建立安装脚本制作软件界面（UI）设计编程软件测试功能完善。
（1）软件制作的的技术可行性。通过向软件开发专业单位咨询及探讨，确认了软件制作的技术可行性。
（2）软件需求的市场调研。通过在学生群体中的调研，确认开发软件应用前景及使用覆盖面。开发出的软件可以提供给材料成型专业老师教学演示使用；材料成型专业学生将其作为实践环节学习设备结构原理的学习软件；轧钢企业将其作为培训职工的工具；帮助不了解轧机的其他专业人士了解轧机结构及各个部件的作用。
（3）招募学生组建软件制作团队。委托软件开发企业完成整套软件开发费用较高，教改项目的经费不足以支付全部开发费用，而软件开发企业人员又不具备材料成形设备专业知识，单独开发存在困难。通过与企业研究，我们决定尝试校企共同开发的模式。招募本科生参与软件开发的部分工作。这样可以将软件开发与学生技能培养相结合，学生在掌握本专业知识的基础上，应用所学专业知识参与制作模型等工作，既挖掘的学生的潜力，提高了学生的技能，又在有限资金的情况下，完成开发工作，缩短开发周期。团队招募的具体做法是：以学过专业课的大四本科生为主体，以大三学生为辅，兼招少数机械专业学生，让本专业学生与机械专业学生优势互补。大三学生的招募是为了形成梯队，保证今后软件制作团队开展工作的连续性。
考虑学生考研、就业及出国深造的各种不同情况，在保证3～4人的相对稳定的核心团队情况下确定团队成员动态加入，动态退出机制。在这样的指导思想下，通过在大三、大四本专业及相关专业学生中的广泛宣传和发动，迅速招募了十几名制作成员，组建了虚拟轧机拆装软件制作团队。
（4）团队成员高效率培训。制作团队组建后，聘请软件公司人员利用业余时间对学生进行3DMAX等软件的培训，并提供给学生相应的软件学习参考书及工具。学生在较短的时间内就掌握了软件使用方法。
（5）CAD图纸分析。专业教师为学生找来轧机的CAD图纸，指导学生明确图纸中图与实物的对应关系，并带学生去现场观察轧机实物，以建立对零部件的空间形象想象。
（6）建模。由于拆装零件的需要，经过慎密的对比及思考，决定应用3DMAX建模。建模学生根据对图纸理解及对空间图的想象，利用3Dmax对每一个零件进行建模。
图1为辊系中两个零件的图纸及建立的相应的模型。整个轧机包括零件有1700多个，需要单独建立模型的就多达200多个。利用一个假期学生完成了全部零件的建模。
（7）零件知识库的建立。为了方便使用者使用软件拆装零件时对零件的了解，还嵌入了零件知识库。使用者在拾取零件时，点击时就可以链接到知识库。屏幕上就出现此零部件的名称、作用及应该安装的位置，这样就方便了使用者的理解。知识库的建立虽然增加了软件制作成员的工作量，但是其在为使用者提供方便的同时，也让开发软件的学生加深了对于设备中零件的了解。表1为部分零件知识库。
（8）脚本的制作。在轧机的安装过程中，需要知道安装的顺序，这就需要一个安装的脚本。软件制作成员对脚本进行了制作。确定了以下脚本制作的原则：①在轧机装配过程中遵照零件组件部件的原则，先单独装配机架、辊系、传动装置、减速箱、齿轮箱和驱动装置，再组装到一起。②在写脚本过程中，遵循“由内向外，由下往上”的顺序自己装配部件。图2为轧辊安装脚本顺序图。
按安装脚本安装轧辊最终效果，图3。
图3
为方便后期更加直观地了解轧机的装配顺序，制作时还通过对部件进行炸开处理，并对各个零件赋予不同颜色的材质，方便使用者清晰观看，见图4。
图4
对工作机座主要的部件组装完成后，再对传动装置、主电机、减速箱等部件进行组装，最后组装成轧机，见图5。
图5
（9）应用Unity实现软件的功能。利用Unity软件和制作的脚本处理轧机三维模型，让软件具有学习和拆装模式，把知识库存储到软件中。使用者可在使用过程中了解轧机的组装过程，还可自己组装轧机。将轧机置于某虚拟的场景中，还可以实现对轧机三维视角的观察。
回顾软件制作过程，我们总结出一些值得借鉴的经验：（1）给学生充分的自由度，包括制作中时间安排，UI的自主设计，场景的自主设计，功能的添加等，这样做可以给学生更多的自主发挥空间，这样充分调动了学生的兴趣和主观能动性；（2）鼓励学生大胆想象，大胆创新，并给学生创造宽松的创新环境。贯彻不拘一格，风格各异的理念，学生的创新意识得到最大程度的提高；（3）建立软件公司、教师、学生定期会面制度。按照公司模式按时间节点检查进度，布置工作，指定专人进行会议记录。教师、学生与企业人员共同切磋，对软件制作细节提出自己的看法和建议。学生受到企业文化的熏陶，形成了严谨工作作风。
二、中职学校“双师型”教师队伍目前存在的问题
1、中职学校“双师型”教师的内涵狭窄
由于“双师型”教师的标准还未统一，使有些教师甚至学校领导错误地认为“学历证书+职业资格证书”就是“双师型”教师，拥有双证就是“双师型”教师了，教师个人不再注重技能的提高了，学校也不再注再“双师型”教师的培养了，这样以来，学校的“双师型”教师的整体素质就大打折扣。
2、中职学校“双师型”教师素质参差不齐
基于不同目的的驱动．部分职业学校在“双师型”教师队伍质量建设问题上产生了价值观念的偏差普遍存在重数量、轻质量，重形式、轻实质的倾向。表现为片面追求教师取得职业资格证书的数量，忽视对教师职业能力的培养、应用与考核。这种价值观念的偏差一方面来自于外界的压力，如短期内需要弥补巨大的“双师型”教师队伍缺口而“病急乱投医”，希望通过某种评估而热衷于教师获得职业资格证书的统计数量。另一方面还来自于某些职业学校对“双师型”教师队伍质量水平的忽视，或者是满足于“双师型”教师队伍建设的表面成就。这使得中职学校“双师型”教师素质参差不齐。
3、中职学校“双师型”教师技能水平过低
一些专业课教师的现代职业教育意识相对淡薄，加之我们有的学校对专业课教师的奖励机制和措施不够到位，使部分教师产生消极思想，从而不重视本身专业技能的提高，导致技能水平过低。
4、中职学校“双师型”教师终身学习的意识不强
教师的现代职业教育意识淡薄，对从事的职业教育缺乏事业心，消极应付，缺乏进取精神，终身学习的意识不强。
三、中职学校“双师型”教师专业发展的重要性和必要性
1、重要性
中等职业教育是国民教育的重要组成部分，其定位是培养数以亿计的高素质劳动者和技能型人才，但由于历史欠账太多，目前它仍是我国教育中的薄弱环节。我国现有1.4亿产业工人。其中技师100余万人，高级技师7万人，高级工245万人，与发达国家相比，人数虽多，素质不高。每年因产品质量问题造成的经济损失达2000亿元左右。我国生产一线的劳动者素质偏低和技能型专门人才紧缺，影响了社会经济的发展。“教育的关键问题是教师”。因此，中职教育加强师资队伍建设，特别是“双师型”教师队伍建设，是非常重要的。
2、必要性
纵观中等职业学校教师队伍素质现状，我们发现：教师学历层次尚不达标，已达标者面临提升学历的问题：缺乏骨干教师和专业带头人；中职连年扩招。学生数量急增，但中职学校的基础能力建设发展缓慢，生师比严重错位，中职生师比约是21：1。根据2001年中央编办、教育部、财政部《关于制定中小学教职工编制标准的意见》规定，高中阶段教育生师比上限，城市为15：1，县镇为15．5：1，农村为16：1。不难看出，中等职业学校教师缺口较大．并且在这样的师资队伍中。文化课教师比例偏大，专业课和实习指导教师数量严重不足；再加上新进校的青年教师来源渠道多是普通高校．他们虽然专业理论知识丰富，但专业技能、实践能力和实际动手能力较差。截至2006年，中等专业学校“双师型”教师39621人，占专业课和实习指导教师的比例不足1／3，“双师型”教师严重匮乏。因此“双师型”教师队伍建设势在必行。
四、中职学校“双师型”教师专业发展的途径
1、以技能大赛引领专业发展
根据实际情况，按国家职业技能鉴定标准制定考核专业课教师技能的计划，每一、二年组织本校专业课教师参加一轮次的技能考核，考核结果作为学校评聘教师的重要依据；同时，制订奖励措施，鼓励教师积极参加各级教育与劳动和社会保障部门组织的各级各类技能大赛，这样，真正能使双证型教师成为双能型教师，有利于提高我校“双师型”教师队伍的整体素质。
2、以到企业锻炼促进专业发展
加强生产实践调研，丰富实践知识，提高实践能力，是“双师型”教师成长的关键。作为职校教师，尤其是专业教师，要加强向生产实践学习，重视到企业学习调研环节，充分利用好实习基地，加强实践知识积累，这是非常关键的，也是十分必要的。
(1)首先，教师要根据自己的专业方向、教学优势确定个人的发展目标
专业教师应根据教学任务制定生产实践调研计划。计划可分为长期计划(近2—4年之内)和短期计划(本学年内)。有了具体的目标、计划，才会有实施的可能性，才能有效地丰富实践知识。生产实践调研形式可以是“定点方式”和“定人方式”。教师可以利用指导学生到企业实习的机会，或合理安排调整教学任务集中一定时间安排到企业实践学习，可以从知识储备、拓宽知识层面的视角出发，确定与自己专业教学关联较大的一、二个生产企业，进行“定点方式”的学习和调研。例如：在某个主体生产企业，全面了解生产工艺流程、典型设备、电气控制等综合知识，并有重点地熟悉相关的内容，力求在某一方面达到精通，其它方面能熟悉了解。所谓“定人方式”，也就是教师要在企业的生产科、机动科或设材科，确定工程技术人员作为长期的技术信息联系人，以便及时了解掌握企业的技改动态、科技消息，及时参与各类的技术交流活动。
(2)教师应主动参与工程实践活动，提高实践能力
专业教师应主动寻求机会，直接参与企业的工程技术改造项目及开发，参加工厂的生产技术讲座等。这一系列的活动，都是非常好的实践学习机会，对提高专业教师理论与实践教学水平、承担实践教学任务都是十分重要的。
(3)带着问题的学习才是最有效的学习
教师在课堂教学、实践教学中遇到疑点问题不要回避，不要绕开走，应针对问题通过到企业实践学习，以不断增加实践知识的积累，才会使专业教学不断上水平。
(4)教师应注重“到企业实践调研资料”的总结归纳、交流及利用
为增强教师实践知识的积累和提高，首先每个专业教师之间、各教研组之间，可充分利用“分散实践调研”与“交流总结”相结合的方式来获取、积累实践知识，通过各教研组内和组间的交流，形成一个“信息互通网络”；其次每个教师还应注重个人实践知识的总结、资料整理、保存，以便于日后教学中查找和利用。只有这样才能在专业教学中灵活地将生产中的新工艺、技术信息渗透到教学过程中，在课堂教学中体现知识应用的“同步”、“链接”、“插入”特性，做到课堂教学与生产实际应用相结合，真正体现专业教学特色。
3、以专业养成和反思强化专业发展
作为专业教师，尤其是中青年教师要多反思，不能自我满足，仅局限于专业基础课的教学而停滞不前，处于“吃老本”和“守城”的状态，而要面对职业教育的实际，重新审视自己的专业知识结构、教学能力，不断进取，逐步完善专业知识结构，尽快成长为“双师型”教师。
(1)专业教师要注重完善“纵向知识”结构
教师要确定专业方向，争取在专业的某方面达到专一，这是作为专业教师的根基。加强知识的纵向学习，做到向书本学和向问题学，向生产实践学，及时把握新知识和技术应用的前沿，要挤时间主动学，苦练内功。做到在本专业方向上，体现理论教学和实习教学方面的专、通、巧、精的特点，在某一方面起到“优化教学”的引领作用。
(2)专业教师要注重完善“横向知识”结构，拓展知识面，做到一专多能
根据职业教育的特点，“横向知识”包括两个方面：其一是要完善本专业方面的知识体系，对专业课教师而言，不仅能胜任某一、二门课程的教学，还应熟悉本专业中其他课程的知识体系和重要知识点、教学要求，以及知识问的衔接关系，只有这样，才能在专业知识体系的整体框架下确定具体课程的教学内容、重点、教学方式和方法，做到在教学中游刃有余。其二是要注重各个专业之间的知识联系性，例如：职业学校教师们承担某厂热轧板卷工程职
工的岗前技能培训教学任务，其中包括：连铸工、轧钢工、连铸与炼钢自动控制培训等，就体现了这一特点，使用的培训教材已不是传统意义上的编写方法，而是突破了专业的局限性，各工种的培训教材以专业为主，将整体生产工艺操作、机械设备和电气控制融为一体。培训中，传统的机械、电气控制、液压传动、工艺操作等各专业知识在实际应用中已相互渗透，若培训教师相关专业知识不全面，就难以胜任培训教学任务。因此，专业教师在加强自主学习的同时，还应注重向同行学习，加强专业内、外教师之间的交流，拓宽知识面，达到教师不仅精通本专业的知识体系，也能熟悉、了解其他专业的相关知识，只有这样，才能胜任各类培训教学任务。
(3)中职学校教师应提高专业实践指导能力和制作多媒体教学课件的能力
专业课教学特点体现在教学实践性，多媒体教学工具为专业课教学提供了广阔的天地，许多生产现场可用多媒体工具再现在课堂上。教师应针对专业课的教学内容、特点，深人生产一线，充分利用数码相机、录象机等手段，有针对性地系统制作教学课件，可起到事半功倍的效果。目前利用教学课件进行辅助教学已引起教师的广泛重视。教师应加强教学课件制作知识的学习，提高教学课件制作水平和使用率，尤其对提高专业课实践教学是很有必要的，也是很迫切的。
4、以终身学习加快专业发展
(1)中职学校专业设置的调整变化，促使教师应加强学习
企业在发展，企业对人才类型的需求也在不断变化，职业教育的专业设置也应随之不断调整扩充，如中专原来的主干专业：冶金机械、电气自动化、炼铁专业现在已逐步扩展调整为：轧钢、机电设备维修与安装、机械加工、煤化工等专业，专业的调整变化导致课程设置、教学大纲、知识结构体系都有所变化。因此，对教师而言出现了交叉性学科的问题，这就要求教师要与时俱进，不断学习更新知识、拓展、补充知识面，增加知识储备，以适应各个专业教学要求。
(2)科学技术发展日新月异，专业知识的应用领域不断更新，迫使教师要与时俱进
加强学习科技的进步，企业先进技术的引进，新型设备、新生产工艺的投产使用(如：生产工艺中的各类PLC控制、电液伺服控制的应用、液压集成控制系统应用等等)，已对教师原有的知识结构、能力构成了挑战。而目前学校使用的某些专业教材的内容还是老面孔，知识陈旧滞后，明显存在与生产实际应用不同步的现象。尤其作为专业教师，一定要引起重视，只有树立终身学习的意识，不断更新、补充、延伸专业知识，才能在专业教学中使课堂知识教学与实际应用同步，才能保证始终为学生提供的知识如同“一桶新鲜的活水”。
(3)职业教育面对不同的教学对象，要求教师必须具备高素质
