淺談虛擬技術在數控機床教學領域中的應用

莊 忻

淺談虛擬技術在數控機床教學領域中的應用

莊 忻

福州市第一技工學校

虛擬技術在近幾年發展迅速，其應用領域涉及到了航空、教育和制造等許多行業。該文在介紹虛擬技術一般特性的基礎上，介紹了其在數控機床教學領域上的應用優勢。

虛擬技術 學科教育 數控機床

繼多媒體教學浪潮之后，教學技術領域又出現了一個新型教學媒體，它就是虛擬技術（Virtual Reality）。虛擬技術雖然早在1965年就被提出，但直到上世紀80年代和90年代才有所發展，所以它仍被認為是一項新的技術。隨著計算機技術的迅猛發展，特別是多媒體和網絡技術的蓬勃發展，為教育教學提供了現代化環境，虛擬技術才逐漸得以在教育領域獲得應用，并對現代教育模式產生了深遠的影響。

1 虛擬技術及其特征

虛擬技術是利用三維圖形生成技術、多傳感交互技術以及高分辨顯示技術，生成三維逼真的虛擬環境，使客戶成為虛擬環境的一員，進行實時交互，感知和操作虛擬世界中的各種對象，從而獲得身臨其境的感受和體驗。

虛擬技術的基本特征是沉浸性、交互性和想象性。沉浸性是指由計算機生成的逼真的三維立體圖像，使用戶產生一種身臨其境的感覺，如同在真實的客觀世界一樣。交互性是指用戶能夠自然地同虛擬環境中的對象進行交互操作，從而感知和響應虛擬環境。想象性是指虛擬環境向用戶提供了發揮想象力的機制，能夠啟發用戶的創造性思維，提高感性認識和理性認識。

由于虛擬技術具有可操作性、真實性、可重復性等優點，應用在教育行業上為教育技術的發展提供了一個飛躍的平臺，它營造了“自主學習”的環境，由傳統的“以教促學”的學習方式代之為學習者通過自身與信息環境的互動來獲得知識和技能的新型學習方式。它已經成為了當今教育技術和計算機多媒體輔助教學的重要發展方向之一。

2 虛擬技術應用在教育行業上的優勢

2.1 虛擬教學上的優勢

虛擬技術應用到教學上，一方面能使教學靈活方便，傳統教學中教師的任務繁重，尤其是在機械類課程教學過程中，常常被紛繁復雜的原理圖、機械圖的繪制折騰得焦頭爛額。虛擬現實教學系統為教師提供教學所需的所有課件（原理闡述、原理圖、機械拆裝演示等），并可隨時自主進行課件更新，無須再為復雜的教案而煩惱，為教師教學帶來了極大的方便。另一方面還能提高學生的學習積極性，虛擬現實技術可以為學生提供一個生動、逼真的學習環境，讓學生成為虛擬環境的一名參與者，變被動的傳授為主動的交互學習，對調動學生的學習積極性，突破教學的重點、難點，培養學生的技能都將起到積極的作用。

2.2 虛擬實驗操作上的優勢

利用虛擬技術建立起來的各種虛擬實驗室及各種虛擬機械拆裝實訓平臺等其“設備”與“部件”根據實際使用設備（如數控機床）的3D模型制作而成，并可根據需要隨時生成新的設備。教學內容還可以不斷更新，使實踐訓練及時跟上技術的發展。現已從多方面證明了虛擬實驗操作擁有傳統實驗室難以比擬的優勢：其一，規避了真實實驗或操作所帶來的各種風險。利用虛擬技術進行虛擬實驗，學生在虛擬實驗環境中，可以放心地去做各種危險的實驗。例如，機械類產品的虛擬強電試驗，可以有效避免強電流帶來的人身危險。其二，減少實驗設備因誤操作而導致的磨損。虛擬技術很好地避免了實際實驗操作過程中因學生不熟悉操作流程或不了解機器構造而導致誤操作，造成對機器設備的損害。其三，打破時間、空間的限制，學生可以隨時隨地進行實驗操作。利用虛擬技術，學生只需打開電腦就可以獲得跟實際試驗操作一樣的真實體驗，并可以不厭其煩地反復練習，直至掌握操作技能為止，無需再為有限的實驗設備操作課程而苦惱。

3 虛擬技術在數控機床教學領域中的應用

近年來，隨著我國經濟建設的飛速發展，社會各行業對制造業提出了更高的要求，數控技術是現代機械制造業的核心技術，其技術的應用水平將直接影響產品的加工水平。在現今數控技術人才極度匱乏的情況下，如何將最新、最實用的數控技術高效地傳授給數控技術學習者，是數控技術教學要著重考慮的問題。由于數控技術教學和培訓都離不開數控機床，而數控機床本身價格比較昂貴，限制了學校的購買能力。同時，隨著招生規模的不斷擴大，使教學環境和教學資源不能滿足日益增長的教學需求。虛擬技術的出現，為這些問題的解決提供了良好的手段。采用虛擬仿真技術來模擬實際的數控加工環境，可以讓學生盡快熟悉數控機床的操作方法和真實的加工過程。根據中職院校對學生動手能力要求高的特點，虛擬技術可以從以下幾個方面應用在數控機床教學上：

3.1 利用虛擬技術進行數控機床、刀具等設備的立體演示

在傳統的教學模式中，學生對數控機床、刀具等設備的感性認識只有通過課本的平面圖形或者到現場觀察實際的教學設備來獲得。平面圖形限制了學生的空間想象力，實際現場教學又增加了學校的投入。采用虛擬現實，我們可以將實物虛化，如采用CATIA建立與各種設備相同的三維物體模型，并存放到虛擬教室里，我們只要進入這個空間，就能隨時隨地地認識這些設備，而且觀察到其內部的結構，輔助數控教學過程，增強教學效果。

3.2 利用虛擬技術進行數控模擬加工和仿真教學

隨著虛擬技術和計算機技術的發展，出現了可以模擬實際數控機床加工環境及其工作狀態的計算機仿真加工系統。這就是某一特定數控系統借助計算機軟硬件的功能，通過用戶控制計算機的演示，分析數控加工從零件設計圖到動態切削演示實現的全過程。仿真機床操作的整個過程包括：機床與數控系統的選擇、毛坯定義、工件裝夾、壓板安裝、安裝刀具、基準對刀、機床手動操作等內容。虛擬數控加工仿真教學系統完全模擬真實零件的加工過程，可以檢驗各種數控指令是否正確，能提供與真實機床完全相同的操作面板，其調試、編輯、修改和跟蹤執行等功能也一應俱全。學習者可身臨其境地操作各類數控加工設備，能有充分的機會去練習數控加工中的常用操作，如基本運行方式的選擇操作、對刀操作、刀具補償量的確定及輸入輸出操作和程序的編輯修改操作等。解決了初學數控技術者需要的大量機床操作練習，提高了機床操作訓練的時間。把數控加工仿真教學系統引入到教學之中，這樣既可以避免因誤操作造成價格昂貴的機床的損壞，又可以使操作人員在對仿真數控機床操作過程中產生現場感和真實感。同時由于其成本較低，可以大量地配置終端，徹底解決了數控機床數量不足的難題，使每位學生都能夠有足夠多的實踐機會，從而為數控機床教學提供良好的教育平臺。

3.3 利用虛擬技術實現數控機床維修人才的培養

數控機床的大量使用，帶來了生產效率的提高，同時也帶來了機床的故障維修問題。為了保證教學和生產的可持續發展，機床故障維修技術的培養必不可少。由于數控機床設備大多昂貴，將新設備給用戶拆裝來獲得維修的實踐經驗不大現實。利用虛擬技術可以建立數控機床培訓操作平臺來達到培養數控機床維修、維護人才的需要，比如廈門創壹軟件有限公司開發的創壹虛擬數控機床培訓系統。該系統采用虛擬現實技術制作數控機床主機及其部件，并具有逼真3D互動虛擬實驗、3D動畫演示與相關原理文字自動同步顯示、3D數控機床模型或其部件模型任意方向旋轉及視點變換等功能。能夠實現大量并行用戶快速下載及構建渲染動態3D場景，確保用戶與3D場景互動的即時性，所有部件都可360度全方位觀看，具有直觀立體，真實互動的效果。

該系統充分利用三維技術與圖片文字相結合，不僅對整機進行解析，還可對具體部件進行拆卸與安裝，并對所有的電路進行仿真模擬，全方位地讓學員了解并掌握數控機床的結構及原理。同時用戶不僅可以動手對機床進行虛擬仿真操作，了解機床每個細節，熟悉機床工作原理，而且還可以進入“虛擬故障模擬系統”進行多種情況下不同部件的機械及電路故障排除模擬操作，從而能夠積累實踐經驗。

4 虛擬技術在教學應用中存在的問題及展望

可以預測，虛擬技術在教學領域上的優勢，將使其日益廣泛地被應用于各學科的教學。但目前的虛擬技術仍存在一定的問題，主要表現在兩方面：一個是虛擬現實與真實環境之間的差異。學生在虛擬環境中學習，雖然可以有身臨其境的感受，獲得操作上的真實體驗，但畢竟與在真實環境里訓練有區別，所以在教學思想上要指導學生明白真正動手操作機器的效果要強于任何媒體教學。因此，虛擬技術不能完全替代具體真實的操作，它只能起到輔助教學，增強理解的作用。另一個是虛擬技術實現成本還有待降低。虛擬現實系統應用的相關設備價格也比較昂貴，且這些設備局限性大，需要進一步發展其結構和制造技術，使其輕巧化而降低成本，才能更有利于推廣應用。

虛擬技術作為新型的教學媒體，應用在數控機床教學上，使得教學過程生動、形象，有助于加深學生對教學內容的理解，大大提高了學生的學習興趣和感知水平；有助于提高學生的動手操作能力；有助于促進數字化校園的建設。21世紀是虛擬技術更加成熟的時代，這種新的教學媒體最終將在現代教育領域中發揮其重要作用。

[1] 劉振華.虛擬現實技術在教育領域中的應用研究[J].濱州職業學院學報,2006,3(3):38.

[2] 王志堅.基于虛擬現實技術的現代教育探索[J].現代企業教育,2008,(24):194-195.

[3] 黃明吉.虛擬數控技術及應用[M].北京:化學工業出版社,2005.