虛擬現實技術在鑄造技術專業教學中的應用

周棣華 趙懷昊 米憲儒 傅駿

摘? 要 虛擬現實技術作為一種前沿技術化手段，已得到高職院校和教師的廣泛關注。它應用于教學，能改善學生學習環境，提高學生學習興趣，有效加深學生對知識的理解，提升學生實踐水平，豐富課堂教學方法。從職業教育發展需要虛擬仿真技術出發，分析虛擬現實技術在鑄造技術專業教學中的應用及應用策略，為高職院校鑄造技術等相關專業利用虛擬仿真學習系統提高教學質量提供參考。

關鍵詞 高職;鑄造技術;虛擬現實技術;實訓

中圖分類號：G712? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）24-0045-03

Application of Virtual Reality Technology in Foundry Tech-nology Teaching//ZHOU Dihua， ZHAO Huaihao， MI Xianru， FU Jun

Abstract As a cutting-edge technology， virtual reality technology has been widely concerned by vocational colleges and teachers. It can be applied to teaching， improve students learning environment， improve students interest in learning， effectively deepen students understanding of knowledge， improve students practical level， and enrich classroom teaching methods. Starting from the need of virtual simulation technology in the development of vocational education， this paper analyzes the application and application strategy of VR technology in the teaching of foundry technology， which provides a?reference for the foundry technology and other related majors in?higher vocational colleges to use virtual simulation learning system to improve the teaching quality.

Key words higher vocational colleges; foundry technology; virtual reality technology; practical training

1 引言

四川工程職業技術學院作為中國特色高水平高職學校建設單位，始終推進學科專業設置與產業對接，強化傳統優勢專業，打造新興專業，促進學科專業動態優化、協調發展。最近完建的《高等職業教育創新發展行動計劃》虛擬仿真實訓中心項目即材料成型虛擬仿真實訓中心，運用現有虛擬仿真項目開發引擎軟件、虛擬仿真實訓軟件、工藝優化虛擬仿真軟件、一體化機等軟硬件設備設施，并依托四川省航空材料檢測與模鍛工藝技術工程實驗室、四川省高溫合金切削工藝技術工程實驗室、四川省裝備制造業機器人應用技術工程實驗室、德陽中科先進制造創新育成中心等，形成產學研一體化的虛實結合的實踐教學體系。

2 虛擬現實技術在高職院校發展的必要性

國家教育發展的需要? 以習近平新時代中國特色社會主義思想為指導，圍繞加快教育現代化和建設教育強國新征程，落實立德樹人根本任務，積極推進“互聯網+教育”，堅持信息技術與教育教學深度融合的核心理念，堅持應用驅動和機制創新的基本方針，建立健全教育信息化可持續發展機制，構建網絡化、數字化、智能化、個性化、終身化的教育體系。為完善鑄造專業教學平臺建設，積極推進鑄造專業數字化、智能化、個性化的教育體系構建需要新技術虛擬現實（VR）技術的支撐。實現教育部制定的《教育信息化2.0行動計劃》目標，推動從專用教育資源向教育大資源、從提升師生信息技術應用能力向全面提升其信息素養、從融合應用向創新發展這三大轉變，構建“三新”模式，需要VR技術。

鑄造專業發展的需要? 鑄造技術專業是不可或缺的傳統技術專業。近年來，3D打印、智能鑄造發展迅速，“工業4.0”[1]、“智能鑄造2025”等熱詞頻頻出現，信息化要求越來越高。鑄造行業的智能化速度加快，重點體現在：鑄造成型過程的數字化模擬與工藝優化，縮短生產周期，提升產出效率;鑄造智能化機械設備和數字化生產線，改善工作環境;在鑄造生產中的各環節，如在造型與制芯、熔煉與澆注、精裝等工藝中，機器人得到廣泛應用;紅外測溫等在線監測技術、ERP、MIS等管理信息系統在鑄造生產過程中大量應用;增材制造技術得到快速發展;鑄造車間數字化進程加快。高職專業人才培養方案應源于市場，培養的人才應滿足市場需求。因此，加快鑄造技能人才信息化、智能化方面的培養迫在眉睫，亟待創新教學方法。[2]

3 虛擬現實技術的特點及在鑄造專業教學中應用的意義

隨著鑄造業現代化技術水平的不斷提升，鑄件制造質量的要求在不斷提高，鑄造行業的從業人員不僅要擁有豐富的專業理論知識，更要具有較強的生產實踐能力。目前，鑄造技術專業教學受到教學環境和教學設施的影響，依舊采取傳統的先理后實的模式，無法滿足新時代人機協同制造需求的高素質人才的培養。作為新興的前沿信息化技術，VR技術是當前教育領域最受歡迎的科學信息教學技術之一[3-5]。

推進VR技術與鑄造技術專業教學的融合，具有重大的現實意義。

VR技術的特點? VR技術主要包含交互性、多感知性與構想性三方面的特點。鑄造專業的很多設備具有投資成本高、操作人員多、操作難度大、工作環境相對差等特點，利用VR技術的交互性特點，可以大大提高學生的學習興趣，增強實訓效果;利用VR技術的多感知性特點，可以讓學生充分熟悉設備的結構特點、性能特點;利用VR技術的構想性特點，可以促進學生創新性思維開發。在更注重工匠技能的高職教學中，應用VR技術這種先進的前沿信息技術手段能更有效地拓展學科視域和教學手段。

VR教學在高職鑄造專業教學中的意義

1）構建空間思維，深化知識理解。教師在進行教學時要注重激發學生在學習中的想象力和培養空間思維能力，結合生活實際，融合新舊知識，加深學生對新知識新工藝的理解。VR技術在教學中的應用，更容易幫助教師構建出教學內容所需的二維、三維教學情境，利用虛實結合的情境激發學生的聯想，提高他們對知識點的理解，進而提升創新能力。圖1為VR技術系統框架圖。

2）激發學生興趣，立足專業學習。傳統的鑄造專業因工作環境等因素已逐漸淡出人們的視野，極少學生選擇。而現代鑄造技術逐步實現機械化、智能化，工作環境等改善巨大，VR技術的多感知性就能讓學生學習到最先進鑄造知識，認識先進的鑄造設備，學習過程中受到多方面感官的刺激，從而調動學生的積極性，效果明顯。

3）豐富教學手段，提升教學質量。VR是目前前沿的信息化技術手段，將抽象的概念和實訓操作過程通過制作仿真模擬軟件以圖形、視頻、可操作虛擬場景等方式真實生動地展現給學生，讓學生從多維度學習。隨著近幾年的發展，相繼出現與VR技術某些相關的創新教學場景，如“VR小組協同交互課堂”“VR+5G沉浸式教學課堂”“VR多人協同大空間交互課堂”等[6]，教師的教學手段得到拓展，教學質量得到較大提升。

4）拓展實踐教學，落實理實結合。高職教育培養技能型工匠之才，更為注重實踐教學。由于鑄造專業的專業特性，其實訓基地投資高、建筑面積大、建設成本高、運營成本高;又因建筑面積的限制，繼而出現科學性不強、布局不盡合理等缺陷，致使實訓基地的設備實際使用率低，難以保障學生充分提高實踐能力。由于專業的特殊性，實訓工位機器有限，實訓環節以觀察學習為主、動手實操為輔，無法保證教學目標的完成。最為重要的是，鑄造的部分設備，如熔煉爐、連續生產線等，實訓環節存在安全隱患，實習學生人數眾多的話，難以避免發生事故，這也是制約職業教育工程實訓教學發展的主要因素，嚴重影響學生的實踐能力和實踐水平。

VR中模擬出的真實環境，圖2為鑄造專業設備3D仿真場景，能使學生單獨、反復進行實踐操作練習，直至掌握正確的操作規程。這樣既能提升學習效率和質量，又大大降低了教學設備投入成本，且完全可避免安全事故的發生。

4 虛擬現實技術在鑄造專業教學中的應用策略

VR技術與專業理論教學相融合? 在鑄造技術專業教學中，理論教學依然是重要的。VR融合理論教學模塊一般采用二維模式設計，根據課程章節制作VR課件，方便學生根據自己的學習實際選擇學習內容。同時，教師可以錄制課堂教學視頻作為學生學習的素材，豐富VR內容。

VR技術與專業實踐教學融合? 實踐環節是高職院校教育的突出特點，作為實踐性強、工裝設備應用頻繁的鑄造專業教學更加離不開實踐。進行VR實踐教學環節課程設計時應根據專業教學大綱，使實踐教學模塊化。在鑄造技能基礎實訓過程中，可分為整模造型模塊、分模造型模塊、挖砂造型模塊、刮板造型模塊等;亦可根據現行人才培養方案，分為初級技能教學模塊、中級技能教學模塊、高級技能教學模塊等。將實訓教師的講解與實際操作過程通過三維建模、動畫設計及制作、腳本編輯、場景設計等在Unity中再現仿真出來形成學習軟件，為學生的學習提供多樣性素材。

鑄造專業虛擬仿真軟件制作? 教師在制作設備相關的VR課件內容時，可以利用NX、CREO、Solidworks等3D建模軟件創建鑄造生產中使用的工裝、工具、設備等的三維模型，并可利用Unity制作出造型制芯、合箱、熔煉與澆注等規范操作動作流程。另外，在鑄造造型、制芯過程中，可通過動畫制作的方式為學生增添一些必要的鑄造生產過程效果圖，幫助學生了解最真實的鑄造情境。

5 結語

高等職業院校作為我國技能技術型人才的培養基地，在培養鑄造行業緊缺應用型人才方面具有不可替代的作用。虛擬現實技術在構建“三新”模式新形勢下的鑄造技術專業教學中越來越被重視，其不僅能改善鑄造專業學生的實訓環境，還能在很大程度上深化學生對鑄造生產過程的了解、鑄造設備的結構認知和提高鑄造設備操作技能。隨著虛擬現實技術在教育中應用的不斷推廣和深入，教學理念、教學方法、教學評價等不同層面不斷創新教學模式，如“VR小組協同交互課堂”“VR+5G沉浸式教學課堂”“VR多人協同大空間交互課堂”等創新教學場景相繼出現，能最大限度地滿足鑄造專業學生的學習需求，提高學生的學習興趣與實踐能力，為學生走向社會奠定良好的基礎。

然而，由于鑄造技術專業的特性尤其是鑄造生產過程的復雜性，鑄造虛擬仿真學習軟件的制作過程相對更復雜，制作時間相對更長，還會遇到鑄造專業的一系列新問題，如如何在虛擬仿真學習軟件中實現鑄造生產過程監控仿真、型砂流動、多人協作完成大型鑄件的造型制芯工作等。因此，要實現虛擬現實技術在鑄造技術專業的廣泛應用，還需要廣大鑄造工作者攜手奮進、共同完成。

參考文獻

[1]古林峰，王文通，田麗.基于工業4.0的我國職業教育人才培養模式改革方向探討[J].陜西教育（高教），2020（2）：64-70.

[2]李如秒，任宗強.基于職業適應性導向的職業院校智能制造人才培養[J].教育與職業，2020（7）：52-57.

[3]羅超.職業教育中運用VR技術的SWOT分析[J].電子技術與軟件工程，2016（20）：175-176.

[4]程瓊，陳晴.基于VR技術的實訓教學系統在智能樓宇專業中的應用研究[J].科技風，2015（5）：232，234.

[5]張志禎.虛擬現實教育應用：追求身心一體的教育：從北京師范大學“智慧學習與VR教育應用學術周”說起[J].中國遠程教育，2016（6）：5-15，79.

[6]張承霖，曾飛國，劉韜，等.VR技術在工程訓練中的應用實踐[J].高等繼續教育學報.2017（3）：48-51，59.