基于虛擬仿真技術的數控職業技能培訓教學模式探討及實踐

劉智飛 馬少華

【摘 要】對高等院校工科在校生結合專業特色進行數控加工技術的職業技能培訓，以及技能鑒定考核成為當前非常迫切、非常重要的工程實訓工作。本文分析了數控技能考核的教學模式及發展趨勢，以及虛擬仿真技術的應用教學實踐，指出了數控實訓中引入仿真技術的諸多優勢，以及數控技能培訓的教學技術重點、難點，提出兼顧專業特色以傳統數控實訓教學為主，仿真數控實訓為輔的綜合性數控技能鑒定教學方案，并根據自身的教學實踐提出了解決建議。

【關鍵詞】職業技能鑒定；數控技術；雙證制

中圖分類號： TG519.1 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）27-0100-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.27.044

目前，高等院校工科專業工程技術實踐教育正處在不斷變革、不斷推進的時期。各高校大力開展工程實踐教育改革以培養工程素質高、學科知識厚、職業適應廣、創新能力強的現代工程實踐技術人才。在數控技術方面， 如何作好數控技術實習、實訓教學，以適應相關工科專業本科生技術取證、創新的需要，把現代加工技術工程訓練真正發展成為專業性職業技能培訓，這是我們應該認真思考和解決的問題。

隨著新的教學媒體技術的不斷涌現，一種借助于計算機技術及硬件設備，使人們可以通過視、聽、觸、嗅等感官感應所產生的虛擬空間，以獲得身臨其境的體會和感受的新型教學多媒體技術——虛擬現實技術（Virtual Reality）正以其獨具一格的技術特點不斷應用于各類工程技術實踐教育培訓。借助計算機虛擬現實技術建立各種虛擬實訓演練場和實訓設備，生成與實際現場設備完全一致的仿真教學平臺進行數控技能訓練，是實踐工程訓練發展的特色和趨勢。

目前各高校工訓中心不斷加大數控技術教學的硬件的投入，建設應用于數控技能培訓的微機房，并配套相關實訓仿真軟件，如宇龍數控仿真軟件（網絡版60節點）、AutoCAD、Master-CAM等三維軟件，應用于數控技能鑒定教學。這些教學系統既能單機、局域網運行，又能實現遠程在線運行，系統中各類數控機床的模擬操作都可在仿真面板上進行，通過三維動畫演示零件在機床模型的切削過程，同時通過（DNC）連接技術將教學系統與實際機床操作面板連接并傳輸加工程序實現零件切削加工，這樣基于現實加工的虛擬仿真訓練實現了“虛”“實”結合，極大拓展了數控技能鑒定教學的發展。

1 數控實訓中引入虛擬仿真技術的必要性

由于各類數控機床價格都比較昂貴，而各高校在科研背景下的采購計劃和采購審批流程限制了數控機床的購買量，從而導致數控設備在教學中的應用普及受限；同時，從教學實踐經驗來看，初學的學生因為機床操作流程尚未熟悉，現場加工工藝掌握甚少，加工程序處理缺乏安全工藝檢查，在沒有任何操作技能積累的情況下操作數控機床，容易發生對刀、編程等錯誤，從而導致撞刀、超行程等安全事故的發生。

數控加工虛擬仿真系統的使用，不僅可以對學生編制的數控程序進行模擬運行檢測并且具體指出程序的錯誤以減少實際操作出錯的概率，而且虛擬機床操作場景的沉浸性和交互性，可使學生能夠全力投入到學習和訓練的環境中去，有效的避免了人身傷害或因為學生的錯誤操作而損壞機床等惡性事故的發生，學生可以放心、大膽、獨立的進行學習和反復演練，直到掌握操作技能要領為止，這也降低了培訓教師的教學工作強度。

2 虛擬仿真教學在數控技能培訓中的應用實踐

利用虛擬仿真軟件平臺進行教學，應該充分熟悉計算機仿真環境下相應數控機床的虛擬操作模型、加工模式環境、刀具庫等，在教學過程中使學生能夠在虛擬環境下進行數控加工操作的各類性質操作的模擬仿真，同時利用虛擬加工功能檢驗各種數控指令、程序是否正確，并提供與真實機床完全相同的操作面板練習，在機床調試、程序編輯、修改和跟蹤執行等功能完全一致。中國石油大學（華東）石油工業訓練中心在實踐教學中進行了大膽嘗試，自2004年起對已有實習背景的工科類學生開設《數控加工技術（證書制）》公選課，學生在取得相應學分的基礎上，鼓勵學生考取數控加工技術中級工職業資格證書，具體從以下幾方面著手：

2.1 改革數控實習教學計劃拓展基礎實習內容

作為一門實踐性很強的工程技術類課程，數控技術的每一個教學環節都必須有相應的實踐操作訓練來加深理論教學效果。學生通過實踐，才能切實提高自己的動手操作能力、工程現場發現問題、分析問題并解決問題的能力以及創新能力。因此，我們把實習教學安排在每學期、每個專業進行，對教學單元內容作出合理安排，根據實際的機床設備數量不斷增加數控技術實習的學時（我校的數控實習占總實習學時的1/3），同時將通用數控技術與數控電加工技術（特種加工）區分，突出數控車、數控銑的操作技能訓練、線切割的思維創新訓練，將數控理論知識的學習深度加深到技能學習的初步，并將數控仿真軟件引入實習教學中。

2.2 精心設計教學內容拓展數控仿真實訓

在增大實習教學環節比例后，通過優化課程體系結構、調整教學計劃來保證實習所學知識不斷的擴展，積極開展數控職業技能鑒定教學，招收實習過的學生進行課外實訓，充分發揮虛擬仿真教學優勢，在教學項目的選擇和教學環境的營造上做到逼近真實情況，對機床設備進行實操訓練和驗證加工，培訓過程中充分保證完整性和技能訓練的完全真實再現。

針對各個實訓項目，選擇建立數控系統的仿真環境，例如：模擬如圖1所示零件的數控加工操作過程，

達到以下教學目標：（1）學習FUNAC數控系統的基本操作流程；（2）熟悉數控車床基本加工操作過程；（3）通過仿真軟件環境模擬零件的加工過程，使學生掌握車削回轉體類零件的加工工藝編排、程序的編制要點與機床的刀具、夾具、量具的正確安裝與操作等；教師在教學示范階段的講解應注重對虛擬機床設備使用的方法進行詳細的介紹，通過一個完整工件的加工突出訓練項目的重點和難點、以及所注意的技能知識操作點、同時強調安全操作規范等，每一個仿真實訓科目教學教師都要精心設計組織自己的示范過程，安全、準確的模擬現場操作的步驟。

中國石油大學（華東）石油工業訓練中心自2004年開展數車技能教學以來，全校共有12個專業1000人次參加實訓并取得省一級的中級專業技能證書（如下圖2、3所示），數控技術的技能培訓深受廣大工科學生的歡迎。

2.3 完善實習、實訓教材充實教學內涵

針對虛擬仿真教學的特點，以現代技術教育為手段，完善多媒體教學課件的設計與制作，體現高新技術的技能教學特色。統一規劃、分步實施，逐步建立、健全一個以先進制造技術為主導，高目標、高起點、高要求的教學與操作、應用與培訓相結合的數控教學實習體系，并且建設與省接軌的技能仿真實訓室。并組織相關人員認真研究實習實訓教學大綱，編寫出適合的培訓教材和題庫，針對現在用到的SIEMENS系列和FANUC-oi系列的系統著重進行介紹和訓練。

2.4 加強雙師型教師培訓

教師的教學理念及本專業的操作技能是影響教學質量的關鍵因素。一方面，要不斷提高教師的學歷層次，不斷提高教師的知識結構。另一方面，要加大教師的實際操作技能的培訓，教數控專業課的教師必須具備數控機床實際操作高級技能。在教學過程中，要求教師不斷的學習科學知識，而且鼓勵教師把知識轉化為生產力，鼓勵指導教師多從事生產科研活動，進行教學研究向指導型教師轉化，以適應教學方法和教學目標改革的需要。

3 虛擬仿真培訓教學存在的問題

3.1 虛擬環境與真實生產的差異

虛擬仿真教學平臺不能完全替代具體的操作技能訓練，在虛擬的環境中學習，由于虛擬培訓系統里的設備都是接近理想化，同時虛擬教學中可以累積犯錯，容易對學生造成一種誤導，這與真實加工的生產現場有所不同，面對現實操作環境里存在的各種各樣問題應注意在教學過程中予以強調。

3.2 虛擬現實的效果還有待加強

目前虛擬現實技術側重于模型幾何表示，缺乏逼真度高的的物理行為模型，虛擬現實技術在感知方面，視覺合成研究的較多，這就造成真實性與實時性不足，使本來直接的、面對面的師生交流削弱了，影響了教學效果。

3.3 虛擬仿真教學中教師對教學進程的控制力受到挑戰

虛擬仿真培訓教學要求學生要有良好的學習自覺性，在整個仿真培訓教學的過程中教師的連續引導作用逐步減少，其主導作用會被減弱，如果自由度太大，容易使學生的學習偏離預定的教學目標，而且削弱職業道德與素質教育。

4 小結

隨著計算機應用技術的發展，虛擬現實技術的硬件與軟件成本不斷降低，虛擬仿真培訓教學法作為一種新型的教學手段，已廣泛應用于高效工程實踐教學中并發揮重要作用。在高校中推行“職業資格培訓”，鼓勵學生參加職業技能培訓，通過課程體系與模式的改革以實現工程實習實訓教學辦學思路的轉變，開展不同層次的培訓，以綜合素質培養為基礎，全面提高學生質量，使大學生具備相應職業技能的競爭優勢形成新的工程實踐教學機制，突出職業技能培養為特色，實行“雙證制”教育，從根本上解決現代加工技術實習與實訓的教學需要。

【參考文獻】

[1]關于數控機床操作技能訓練模式的探討.周萬春.《中國現代教育裝備》.2006（2）.

[2]數控加工技術課程的模塊化教學研究.繆曉紅.《新課程研究（中旬刊）》.2009（1）.

[3]數控機床操作技能培訓模式探討.李曄、于洪娟.《科技創新導報》.2014（11）.