全國職業技能大賽對數維專業教學改革的影響

裴杰

摘要：數控的應用范圍相當廣泛，在各領域里都可見到相關研究與應用[1]，運用數控應用技術所營造的教學環境更是能夠逼真的呈現出教學者所欲傳達的知識。本文針對數控工具機的模擬，應用虛擬實境技術，結合數控程序解譯模塊完成程控模擬，探討全國高職技能大賽對數控設備應用與維護專業的教學改革的影響。由于數控機具昂貴，國內的教學單位普遍有設備不足的問題，結果顯示，本研究所開發的虛擬工具機可作為數值控制課程的教學輔助工具，虛擬工具機的應用對于數控教學提供了另一個思考的方向。

關鍵詞：虛擬現實、數控工具機、技能大賽、教學輔助

中圖分類號 ： G64 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）10（A）-0000-00

由于數控應用技術日趨成熟，數位化學習、數位化訓練的概念，已經是未來教學模式的發展方向，加上網際網路的普及，藉由不受時間與空間限制的特點，可達到時時學習、處處教室的數位化網路學習環境，而數位教學內容又以交互式的引導學習方式較具吸引力，也能發揮更佳的教學效果，更能顯現出虛擬現實的特點。本文使用虛擬現實軟件配合程序語言，將虛擬工具機的控制器以獨立模塊開發，如同真實工具機與控制器之間的關系，在數控工具機教學應用上，虛擬工具機可輔助數控理論與程序的教學，并且可以達到一人一機的操作，使學習成效提升，此外也沒有機臺損壞與人員安全的疑慮，是一極佳的教學輔助工具。

1技能競賽的學理基礎與意義

1.1教育學基礎

教育是受教者透過系統化的學習，以獲得知識及能力的歷程，在人的成長過程中每一階段都有其既定的教育目標。而技能競賽正是基于對參賽者預先設定其所要達到的教育目標，同時各職類的內涵可由認知與技能兩個方面來探討。

1.1.1認知領域

認知領域的教學目標是指有關知識或認知能力方面的學習結果[2]。依據認知能力發展的程序和學習的復雜程度來分，認知領域的目標依序可以分成下列六個階層：

（1）知識：指最低層次的認知能力，包括：名詞、事實、定理和原理原則等的記憶。

（2）理解：指能夠掌握所學過的知識或概念意義的能力。

（3）應用：指將所學到的方法、原理原則、概念等，應用到新情境，解決新問題的能力。

（4）分析：指將所學到的概念或原理，分析成各個構造部分，或找出各部分之間相互關系的能力。

（5）綜合：指將所學到的片段概念或知識、原理原則、事實等，統合、歸納或合并成一個新的整體的能力。

（6）評鑒：指最低層次的認知能力，為依據某標準做成價值判斷的能力。

1.1.2技能領域

動作技能領域方面的教學目標是指屬于動作和技能方面的學習行為[3]，包括：書寫、打字、游泳、演說、舞蹈、演奏、開車、跑步和操作機器及儀器等需要四肢與大腦協調的動作和技能性的學習結果。依據動作技能的發展層面來看，由簡單的到復雜的行為，依序可以分成下列六個層次：

（1）感知：指用感覺器官去注意到外在現象、刺激來源或關系過程的能力。

（2）準備：指對上述感知到的動作或經驗，在心理上、身體上和情緒上做預備適應的能力。

（3）模仿：指在有系統的教導下，開始學習、模仿或嘗試錯誤新的動作技能的能力。

（4）自動化：指所學習到的動作技能經過模仿階段，以達到非常熟練和正確的程度，不假思索即能作出反映的能力。

（5）復雜反應：指能夠操作高難度和復雜度的反應，且其操作反應以達高度效率和熟練程度的能力。

（6）創作：指依據所習得的動作和技能，開始創新新動作和處理新技能的能力。

1.2技能競賽的意義

“競賽”是為了達成某一特定事項的一種過程，也是激發人類潛能的一種手段，從“揖讓而升，下而飲”的君子之爭到競技場的熱血沸騰，都是形式不一的競賽。技能競賽是為了解職業教育或職業訓練的成效，并提升技能水平，由有關單位舉辦技能性的競賽，并對有優良技能者公開表揚。此種競賽不僅可以相互切磋技能，并可引起社會對技能的重視。技能競賽的主旨，在建立技能價值觀，鼓勵青年參加技職教育與職業訓練，借著競賽的方式，激起大眾的關心，促進社會的重視，檢討職業教育與職業訓練的教學成效，并藉相互切磋與觀摩，提高技術人力的技術水準。

學校技藝競賽的存在，不但造就了無數頂尖基層技術人才，更重要的是它對職業教育的影響無遠弗屆。從學校方面來說：可以彼此觀摩技能操作方法及設備儀器的使用，達到校際間溝通交流，也可藉由技藝競賽打響學校知名度，加深社會大眾對該學校的印象與好評。從教師及教學方面來說：促進教材準備更充實、教學方法更為有效，也使技能訓練方法改進及教學設備更新更踏實，對學校教師產生重大震蕩及改革，督促教師自我要求，在職進修以提升能力的成長。另外學生方面：激勵學生學習的動機，促使技能操作的技術更熟練而使得技術水平節節升高。

2 數控設備應用與維護專業的教學改革

2.1虛擬工具機的產生

面對全球化競爭的沖擊，制造模式已經擴展到資源整合的協同方式，也由于數位化革命以及資訊技術的不斷進步，且網際網路的發展也加快了制造信息交換的速度，對制造系統而言，如何利用數位資料模擬出一個虛擬的制造環境，幫助各種制造活動能正確而快速的達成目的便成為虛擬制造相關領域，虛擬工作平臺的開發研究，提出了進一步的人機介面概念。

由虛擬制造再縮小至虛擬加工范籌，加工機的模擬也是其中被廣為探討的研究議題，以實際CNC工具機而言，必須結合軟體與硬體的功能才能正確控制機器的運作，因此，如同所有虛擬現實的應用實例，解析出虛擬空間中模型的行為是必要的，網頁式虛擬使用VRML建構3D模型與場景，透過JAVA程式及EAI與VRML虛擬場景作互動，該系統結合了碰撞偵測與加工參數模擬如刀具壽命計算；網路虛擬實境除了使用VRML之外，使用JAVA3D即時顯示技術，將虛擬工具機與實際機臺串連，于機具上裝設感應器送回座標訊息使虛擬與實際工具機能夠同步動作，借以監視遠程機臺的狀況。

2.2數位化NC教學

電腦數值控制機器的出現，解決了人為操作的不便與誤差且提高了生產速度，但是技術人員的訓練問題依然存在，且人員素質的良窳仍然影響生產質量，且數控機器的操作核心是數值控制程序，因此如何有效的縮短學習時程、增加教學成效，則是數值控制教學所不可忽視的[4]。隨著數位化學習概念的出現，CNC教學也開始出現各種新的方式，例如虛擬訓練系統的開發，輔助CNC工具機的操作訓練，經由設計好的訓練劇本，可降低對于初學者在操作上的犯錯率；或經由虛擬加工動作可驗證NC程式并應用于教學上的虛擬五軸工具機；而應用虛擬實境所開發的車床操作訓練環境也有相關的研究。除此之外，結合網際網路工具，已有將數值控制知識加以整理的教學網頁，可方便隨時上網查詢所需資料；而CNC遠距教學系統的開發，彌補了因機器設備昂貴造成教學資源不足的缺點；上網搜尋亦可發現商業化經營的CNC數位課程服務，顯示出數控工具教學的數位化趨勢。另一方面，具有與使用者互動能力的教學工具也是發展重點，因此產生結合虛擬實境技術與網際網路以增加教學效果的方式，例如應用VRML網路3D技術所開發的NC程式學習網頁，以2D與3D畫面輔助程式碼的教學與評量以及使用分散式環境所建構的虛擬CNC工具機教學網頁。

因此，透過數位化學習，可將學習資源整合，并可運用各種多媒體工具以及虛擬現實的輔助，改變傳統的教學方式，且數位化資料攜帶與傳送的便利性，經由四通八達的網際網路更加提升，對數值控制工具機的教育訓練而言，可解決設備不足的問題，故開發可用于教學輔助的虛擬加工中心機成為本研究的目的之一。

3 教學與實務

目前高中職及大專院校的數控工具機教學模式是先以教科書教授基本理論與NC程式撰寫練習，配合CAM軟體或由學生撰寫可加工的NC程式，最后再行上機實做，NC程式的教學上，使學習者對座標系統有正確的認識是教學重點之一，必須熟悉數控機具的坐標轉換才能做正確的加工，坐標的轉換也是一般學習者容易發生混淆的地方，另一個部分則是刀具路徑的補正，再者，使用CAM軟體轉出NC程式時，未考慮到實際加工時的情形，導致時間浪費在錯誤的嘗試中。因此虛擬工具機的開發目的之一，即希望能夠輔助數控工具課程的教學，使學習者能夠在NC程式的學習階段就能夠有一虛擬機器測試并驗證所學所得，在實際上機之前也能先熟悉加工操作流程，并對于數控原理有更正確的認識。虛擬工具機作為教學輔助的另一優點是可攜帶性，隨時可以展示機臺的動作與NC指令間的關系，不需要實際到真實機具前，且數控機具價格昂貴，教學資源有限，也無法由學習者單人單機去實際操作。

4 結論

本文針對虛擬工具機所提出的開發架構，是基于虛擬現實與數值控制理論利用程序輔助實作而成，運用虛擬現實建構數控工具機的虛擬場景可應用于數控工具機教學的輔助，由于一般加工的流程已在本系統的虛擬環境中仿真，操作者必須針對每一步驟做正確的設定才會獲得預期的結果，因此可輔助實作教學，并達到一人一機的效果，對于理論與程序的教學亦可運用經過設計的虛擬場景加以說明，例如NC控制模式的運用，學習者可立即看到結果。若能運用這樣的系統于教學上，這對于目前職業與技專院校中CNC設備普遍不足而造成的教學問題可有所改善。

參考文獻

[1]李名梁，李媛媛.我國職業技能大賽對職業教育吸引力的影響分析[J].職教論壇.2012（24）.

[2]聶章龍，張靜.關于職業技能大賽對教學改革推動作用的研究[J].職業教育研究.2012（08）.

[3]李艷梅.關于職業技能大賽對職業教育的導向功能[J].職教論壇.2012（14）.

[4]李和平.技能大賽對高職教育的助推作用[J].中國高教研究.2011（05）.