VR技術在數控加工實訓教學中的應用研究＊

張良

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VR技術在數控加工實訓教學中的應用研究＊

張良

（蘇州市職業大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215104）

為了解決數控加工實訓教學過程中遇到的安全性和環保性等問題，采用VR虛擬現實技術改善實訓教學環境。通過分析數控加工實訓傳統教學中存在的一系列問題，提出VR技術在數控加工實訓教學中的需求，分析了將虛擬現實技術運用到數控加工實訓中的優勢。分析結果顯示，將VR技術運用到數控加工實訓中能夠消除實訓過程中安全隱患，達到節能減排的效果。

安全環保；數控加工實訓；VR虛擬現實技術；教學需求

1 引言

近年來，我國對于職業教育的發展越發重視，投入到職業院校的資金越來越多，職業教育的規模不斷擴大。然而，目前我國的職業教育仍存在諸多的問題，比如專業課程教學過于傳統、教學成本較高、安全隱患頗多、教師示范操作演示效果不佳等[1]。VR技術的出現能夠很好解決職業教育中遇到的諸多問題，VR技術利用一個虛擬的系統模仿并代替一個真實的系統，讓使用者能夠身臨其境，對系統中的情景有直觀的感受。

虛擬仿真教學是一種理論與實踐相結合的教學方法，能夠激發學生的學習興趣，更是未來教育教學智能化的一個縮影。然而，目前在我國，VR技術在高職院校教學中的應用十分罕見。將VR技術應用在機械專業數控加工實訓的教學中是一次大膽的創新，虛擬現實技術采用3D模仿數控機床，以實現機床拆裝、數控產品加工等操作，通過直觀形象展示和操作，完成了傳統教學無法完成的任務，拓展了學生的認知領域。相信在不久的將來，虛擬現實技術必將在職業教育中得到普及。

2 VR技術概述

VR（Virtual Reality）技術，也被稱為虛擬現實技術，它是一種將信息技術、網絡技術、多媒體技術等各個領域的先進技術相結合的計算機虛擬仿真系統。VR技術最早起源于19世紀50年代，當時人們為了改變傳統的二維屏幕體驗，讓電影、動畫更加逼真，更具臨場感，做了一系列大膽的嘗試。但是礙于技術限制，并沒有形成很大的影響。1992年美國國家科學基金資助的交互式系統項目工作組的報告中對VR提出了較系統的論述，并確定和建議了未來虛擬現實環境領域的研究方向。2016年被稱為VR技術元年[2]，虛擬現實技術成為電子領域的消費熱點。

VR技術主要有三大特征，即感知性、交互性和沉浸性，其系統根據不同的交互程度一般可以分為沉浸式、桌面式、增強式和分布式[3]四類。VR技術具有易于實現、靈活多變、效率高、成本低、消耗少等特點，因此，將VR技術應用于實踐教學的優勢十分明顯。

3 數控加工實訓現狀分析

3.1 數控加工實訓教學過程及內容

數控加工實訓過程中所涉及的相關教學內容如圖1所示。一般來說，實訓內容可以分為5部分：①先讓學生對數控車床的基本知識有所了解，熟悉機床加工技能和加工工藝，通過普通機床的教學讓學生有整體的相關概念；②講解數控編程的相關內容，包括M指令、T指令和G指令等，在講解指令過程中分析零件的加工工藝順序，讓學生對零件的加工有一個初步的了解；③教師示范數控車床的基本操作，比如程序輸入、對刀、程序模擬等內容，并指導學生進行相關內容的練習。④對學生進行分組，指導學生進行簡單零件的車削加工練習，培養學生的團隊協作能力和創新精神。⑤進行組合件的分組考核，考察學生的學習情況[4]。

圖1 數控加工實訓教學內容

3.2 數控加工實訓教學中存在的問題

目前我國大部分職業院校的教學設備和辦學條件并不盡如人意，特別是在數控加工實訓課程中，存在以下問題。

3.2.1 教師示范操作效果不佳

數控加工實訓課程在學生操作之前，需要教師親自講解演示，由于學生人數較多，實訓場地較為嘈雜，教師在數控機床上機示范時，難以保證所有學生都能夠聽清楚教師演示的每個關鍵操作，教學效果會受到極大的影響。

3.2.2 教學成本頗高，設備更新慢

課程內容需要學生在數控機床上進行操作，機床種類繁多，實訓所用的機床設備很難配套齊全。實訓耗材價格高昂，物力人力成本過高，難以保證所有學生都有充足的操作機會。機械行業飛速發展，學校數控機床的更新換代遠遠比不上企業，導致學生所學的技術無法與企業接軌。

3.2.3 學生易發生誤操作，造成安全隱患

大部分學生在開始課程之前，對數控機床的操作了解甚少，沒有相關的經驗積累，很容易發生誤操作。一旦有誤操作發生，會損壞設備，甚至會造成安全事故，導致人身傷害。安全隱患也會增加教師的心理負擔，不利于正常教學。

4 VR技術在數控加工實訓中的應用

4.1 VR技術在數控加工實訓教學中的需求

高職院校的教學注重培養學生的動手能力，VR系統提供的資源庫作為教學素材正好能夠滿足實訓教學的需求。數控實訓教學對于VR技術的需求主要有以下幾點[5]。

4.1.1 模擬新技術機床

在機械行業中，機床的更新換代速度較快，學校所用的機床一般比較老舊，VR系統能夠模擬出最先進的機床設備，從而讓學生掌握國際領先的技術。

4.1.2 擴充人才儲備

目前，我國數控加工方面的人才短缺，該方面的學生普遍缺乏實踐經驗，導致技能訓練不足，采用VR技術可以讓更多的學生有實踐的機會，為國家培養更多的專業人才。

4.1.3 改變教學模式

傳統的數控加工實訓教學往往是以授課教師作為課程的主導，學生更多的是被動學習，學習熱情不高，創新能力不足。引入VR技術能夠改變原有的教學模式，讓學生主動學習，提高學生的積極性，培養學生的動手能力、創新能力和自學能力。

4.1.4 推動課程建設，轉化教學成果

將VR技術應用到數控加工實訓中，能夠很好將數控專業與其他專業相結合，通過積累各專業的教學經驗，推動各學科的教學資源庫建設，最大限度完成教學成果轉化。

4.2 VR技術在數控加工實訓教學中的優勢

將VR技術應用在數控加工實訓教學中能夠突破傳統教學的許多瓶頸，培養學生的動手能力和創新能力，提高學生的自主能動性，改善教學環境，促進課程建設。

4.2.1 彌補教學條件不足

利用VR系統構建虛擬教學系統，能夠降低教學成本，節省教學空間，實現低能耗、高效率、環保和可持續發展。而且機床的種類和型號也可以根據實際的需要及時更新，讓學生學習最先進的數控加工技術。

4.2.2 消除安全隱患

VR系統不會因為學生的誤操作而造成機床設備的損壞，更不會對學生的人身安全造成威脅。系統中不僅有更多的加工工具供學生挑選，更能對學生的操作進行實時檢測，及時指出學生的錯誤操作，大大減少了教師的工作量。

4.2.3 激發學習主動性

在數控加工實訓中使用VR技術能夠打破以往以教師為主導的傳統教學模式，構建虛擬的教學環境能夠激發學生的求知欲，培養學生的創新能力。傳統的實訓只能停留在表面，學生最多就是調節機床導軌、尾座，對機床進行日常的維護等內容。而在虛擬的環境中，學生能夠對機床主軸箱、刀架等部件進行拆裝，了解機床的內部構造，讓學生對設備有更加深入的直觀感知，開拓了學生的視野。

4.2.4 實現無紙化考核

無紙化辦公一直都是國家大力倡導的環保節能途徑，使用VR技術能夠真正實現學生的考核無紙化。VR系統可以以聯網的方式呈現教師演示的教學內容，而且能讓教師通過網絡實時監測學生的操作情況，發生誤操作時能夠及時進行指導并更正，提供更規范的評價系統，實現統一考核。

5 總結

VR技術在數控加工實訓教學中的應用研究中，首先介紹了VR技術的特點和發展方向，然后對數控加工實訓教學過程及內容進行了總結，指出了傳統教學中存在的一系列問題，接著提出了VR技術在數控加工實訓教學中的需求，最后分析了將虛擬現實技術運用到數控加工實訓中的優勢。綜上所述，將VR技術運用到數控加工實訓中能夠增加學生的學習興趣，消除安全隱患，達到節能減排的效果。從上述角度考慮的虛擬現實系統能夠成功地應用到實際當中，對于虛擬現實系統的應用研究具有一定的參考價值。

［1］陳長全，符龍生.VR技術在高職院校實訓中的應用［J］.電子技術與軟件工程，2018（18）：129-131.

［2］魏智慧.VR在教育中的應用及存在的問題與對策［J］.信息與電腦，2017（14）：232-234.

［3］舒忠.VR技術在職業教育領域應用場景及展望探討［J］.經貿實踐，2018（18）：344-345.

［4］張偉，王婧.淺談數控車床編程與加工課的一體化教學［J］.科技資訊，2018（17）：148-149．

［5］倪珉.基于VR/AR技術的數控加工實訓教學需求與對策研究［J］.科技創新與生產力，2018（7）：112-114．

張良（1988—），男，江蘇蘇州人，碩士研究生，實驗師，研究方向為機械工程。

2018—2019年度蘇州市現代裝備制造職業教育集團教育教學改革研究課題“虛擬現實（VR）技術在‘機械加工’實訓教學中的應用研究”（編號：zbzj201808）；2018—2019年度蘇州市“高技能人才培養研發”市級重點課題“虛擬現實（VR）技術在‘機械加工’實訓教學中的應用研究”（編號：GJNZ201805）

2095－6835（2019）02－0066－02

TG659

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.066

〔編輯：嚴麗琴〕