基于虛擬仿真技術的中職數控課程教學方法改革

隋國亮 趙月利 劉洋 姜超凡

關鍵詞：虛擬仿真技術 ? 中職 ? 數控

作為當下技術最為先進、應用領域廣泛的虛擬仿真技術，越來越被教育領域的工作者所青睞。中等職業教育作為我國職業教育中的重要組成部分，也應當引進這一先進技術，以應用于機械類專業的教學活動中。這既是中等職業學校發展的需要，也是機械類專業教學方法改革的必然趨勢。

虛擬仿真技術與中職機械類專業數控課程的結合，能夠改善傳統教學方法中的許多問題，例如數控機床的數量少、設備有限等。通過仿真三維空間的構建，為學生提供較為逼真的數控加工環境進行學習，使他們掌握最為直接的數控加工過程，從而提升他們的實際操作能力、動手能力等，為機械類專業數控課程的學習打下良好基礎，從而激發學生形成對數控課程的學習興趣。

一、中職數控課程教學現狀分析

培養學生掌握數控機床的基本操作和動手能力是數控課程教學的核心，二者直接關乎學生的就業和未來的發展。所以提升學生對本課程的興趣，加深對本課程知識的理解，增強動手實操能力是影響本課程教學質量的決定性因素。通過我的多年教學經驗和調查研究發現，本課程的教學中存在以下問題：

學生對數控相關知識的掌握程度不足。因為數控相關知識的理論性較強，而中職機械類專業學生普遍學習基礎較為薄弱，所以對學生而言數控相關知識掌握起來較難，無法形成對數控課程的濃厚學習興趣。

學生對本課程不夠重視。多數學生在課前從不進行預習等準備工作，在上課過程中不愿意看教師示范的規范操作步驟，這直接導致了學生在實訓過程中疑問多、效率慢的現象，使得教師無法按時完成預期的教學目標。

學生動手能力不足。部分學生不愿親自參與實訓加工過程，自己只做工件測量等簡單工作，而設計、編程、加工等復雜工作則是讓小組中的其他學生完成，所以這些不愿參與實訓的同學很難完成教師規定的任務。

數控課程教學體系較為復雜。數控課程涉及的教學內容繁多，例如需要學習數控手工編程、制圖軟件、計算機輔助編程、數控機床使用等。復雜的教學體系使學生無法抓到學習的重點，如果其中某個環節沒能學會，會使學生失去對本課程的學習興趣。

二、虛擬仿真技術與中職數控課程的結合

因我國機械制造行業發展迅猛，數控加工技術成為了行業發展的主流，所以各大企業工廠對數控加工相關的技術人才有著大量需求。為此大部分中職學校機械類專業都開設了數控課程，數控加工技術成為了中職機械類專業學生的必備專業素質之一。與傳統的機械基礎課程相比，數控課程具有很強的實踐性，學生無法在教師的憑空講授下獲得技能的進步，只有通過實際操作才能掌握數控加工的相關知識。然而對于剛剛步入數控課程的中職學校機械類專業的學生而言，教學初期直接進行實際操作必然會導致人員和資源的大量浪費，甚至還具有一定的危險性。對此，可以將虛擬仿真技術與中職數控課程相結合，形成全新的教學方法來改善傳統數控課程教學的不足。

虛擬仿真技術又稱虛擬現實技術，是一個用仿真系統模擬一個真實環境的技術。它可以打破以往的二維平面圖像，創造出虛擬仿真的三維空間，使得人們在虛擬系統內能自如地操縱由真實環境設計出來的物體，隨著科技的迅猛發展，本技術已應用于工業生產、醫學影像、教育教學等生產生活的諸多領域中。近幾年，在中等職業教育的教學中也引入了虛擬仿真技術，本技術不僅可以提供新的教學手段，優化教學方法，而且可以彌補傳統教學中的不足，給中職學校教學帶來新的模式。為使虛擬仿真技術與中職機械類專業的數控課程相結合，產生良好的教學效果，應該滿足以下幾點要求：

（一）仿真程度要高 仿真程度的高低要考慮兩個方面的因素。首先是仿真加工是否與真實加工情況相同，包括與實際工件尺寸、走刀路徑、數控切削操作過程、控制面板顯示內容、工件切削效果等方面的符合程度。其次是仿真加工的精度，包括虛擬仿真系統中數控機床在完成換刀、進給、主軸旋轉、退刀等動作時的運動精度以及虛擬仿真系統中所加工出工件的尺寸精度。

（二）仿真的功能要完善 虛擬數控仿真系統應該擁有和真實數控系統相同的功能，例如控制面板的基本操作、數控代碼的輸入、數控代碼的編譯、數控代碼的分析、數控機床換刀、機床主軸進給、完整的切削流程等多方面功能，要做到與真實加工情況相差無幾，避免遺漏。

（三）三維效果要逼真 在注重數控切削加工過程和功能仿真的同時，還要注重視覺上的三維效果上的仿真。虛擬仿真系統最主要的特點之一就是沉浸性強，用戶在系統中擁有較為真實的體驗。三維效果的好壞主要取決于三維立體的構建，通過在硬件系統上建立相應的三維軟件，根據軟件中一定的程序指令生成立體的三維效果，這不僅需要硬件系統的具有較高的質量，還需要軟件系統擁有良好的結融合程度，以方便用戶對虛擬數控機床進行控制和對加工過程進行觀察。

三、基于虛擬仿真技術的數控課程改革方法

基于虛擬仿真技術的數控課程改革方法主要是建立數控虛擬仿真實驗室，實驗室中的虛擬仿真空間需要實現三種功能：一是利用虛擬仿真技術實現數控機床操作界面、數控機床完整結構的顯示。與現實中的數控機床相同，利用虛擬仿真技術實現數控機床操作界面上也能夠顯示出相同的操作按鈕和加工參數信息。學生可在虛擬仿真數控機床操作界面上進行模擬編程訓練，即使輸入錯誤的程序或數據也不會像真實機床那樣對工件造成損壞，因為虛擬數控機床會發出報警，學生可以及時發現錯誤并更正，起到了自我反饋、自我更正、自主學習的效果。虛擬數控機床使學生有了更多的機會和時間接觸數控機床，有利于對數控機床相關知識的掌握;二是利用虛擬仿真技術實現數控加工過程的展示。學生在虛擬仿真技術構建的數控機床中輸入與真實加工相同的程序和數據后，該虛擬機床可以以三維的形式展現出加工過程。這不僅可以節約數控機床以及相關教學設備，同時也可大大提高操作的安全性，激發學生的學習興趣;三是利用虛擬仿真技術實現數控課程的考核。目前的考核形式主要是教師給出加工圖樣，等待學生實操加工后檢驗工件的尺寸和精度，忽略了對加工過程的檢驗和發生錯誤之處的指導。利用本教學方法，學生可以在虛擬仿真系統中完成考試件的加工，由系統對每一加工步驟和加工結果進行打分，教師根據系統出示的結果進行打分、點評和講解。由教師對考試的結果進行點評和指導后，學生可以在系統中繼續嘗試完成本次考試，以彌補自身的不足，使他們真正地掌握數控相關理論知識和實際操作的技能，提升專業素質。

四、結語

中職數控課程與虛擬仿真技術的結合，使本課程的教學方法發生深刻的變革，可以實現以數控基本知識、實操技能傳授為主的教學方法向以培養綜合能力為主的教學方法的轉變。這種教學方法所秉持的教育理念是以學生為主體，學生在這種教學方法下可以體現出自主學習的主動性，明顯提升數控課程的教學水平，激發學生對數控課程的濃厚興趣，使他們形成踏實認學的良好學習作風，為將來的學習和就業打下堅實的基礎。

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（作者單位：長春市大師工作室）