基于虛擬現(xiàn)實增強的數(shù)控實訓在線教學研究與實踐

羅嗣林

臺州科技職業(yè)學院 浙江 臺州 318020

1 虛擬現(xiàn)實

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality,簡稱VR）是通過計算機技術(shù)將現(xiàn)實生活中的數(shù)據(jù)，生產(chǎn)成電子信號，通過各種輸出設(shè)備結(jié)合使其轉(zhuǎn)化為能夠讓人們感受到的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可以是現(xiàn)實中真實存在的物體，也可以是我們?nèi)庋鬯床坏降奈镔|(zhì)，通過三維模型表現(xiàn)出來。因為這些現(xiàn)象不是我們直接所能看到的，而是通過計算機技術(shù)模擬出來的現(xiàn)實中的世界，故稱為虛擬現(xiàn)實。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)融合了數(shù)字圖像處理、計算機圖形學、人工智能、多媒體、傳感器、網(wǎng)絡(luò)以及并行處理等多個信息技術(shù)分支的最新發(fā)展成果，是20世紀末逐漸興起的一項綜合性信息技術(shù)。虛擬現(xiàn)實利用計算機生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，使人作為參與者通過適當裝置，自然地對虛擬世界進行體驗和交互作用。使用者進行位置移動時，計算機可以立即進行復雜運算，將精確的3D世界影像傳回，從而產(chǎn)生臨場感。

2 《數(shù)控加工與編程》線上教學現(xiàn)狀

萬物互聯(lián)時代背景下，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與專業(yè)教學深度融合構(gòu)建出開放式教育環(huán)境是時代的必然，也是高職類院校實現(xiàn)提升教育教學內(nèi)涵質(zhì)量的重要途徑。新冠疫情常態(tài)化防控背景下，如何有效開展《數(shù)控加工與編程》線上直播教學成為當務(wù)急需。那么，現(xiàn)狀如何呢？

首先，簡單易行的教育方式是通過網(wǎng)絡(luò)直播教師的講課錄像，或者是學生通過網(wǎng)絡(luò)下載教學課件。這種教育形式存在的問題就是缺少實訓教學活動中的互動教學，由于沒有真實教學設(shè)備操作，制約了學生的創(chuàng)造性和創(chuàng)新性能力的培養(yǎng)。

其次，互聯(lián)網(wǎng)（中國MOOC等）上雖然有大量的網(wǎng)絡(luò)課程資源，但是真正可以用于數(shù)控實訓的資源卻寥寥無幾[1]。受到實訓設(shè)備投資限制，大型實訓設(shè)備的操作不容易實現(xiàn)、工藝流程的教學講解抽象且難以理解。

以作者所承擔的《數(shù)控加工與編程》課程為例，課程以一款數(shù)控仿真軟件為實訓平臺，在平臺上完成數(shù)控機床編程與操作，主要訓練內(nèi)容有：典型數(shù)控零件的工藝分析、零件的工藝文件編制以及加工程序的編寫等[2]。這款數(shù)控仿真軟件是傳統(tǒng)且靜態(tài)的虛擬仿真教學環(huán)境，雖然通過模擬出數(shù)控機床設(shè)備操作過程中可能存在的缺陷或者問題，一定程度上避免了設(shè)備操作過程中電、液、氣等資源消耗大，操作風險高等問題，但是它高度依賴師生面對面的線下教學環(huán)境，無法支撐基于互聯(lián)網(wǎng)的遠程師生互動、提供身臨其境的實訓直觀感受。在疫情肆虐的當下，由于虛擬仿真練習和數(shù)控機床實訓操作的割裂，原有的虛擬仿真實訓并不能較好地滿足數(shù)控技術(shù)特別是實訓教學所需“能實不虛，虛實結(jié)合”的教學理念。

針對現(xiàn)狀，我們認為可以將VR技術(shù)引入到遠程數(shù)控實訓，有利于解決虛擬仿真練習和數(shù)控機床實訓操作割裂的問題，提供身臨其境的直觀感受，同時具備系統(tǒng)開放、可操作性強以及跨時空性的特點。真正做到①為復雜的實訓環(huán)境和設(shè)備操作流程提供虛擬再現(xiàn)；②該實訓系統(tǒng)基于互聯(lián)網(wǎng)+模式可以讓學生在任何地方都可以通過互聯(lián)網(wǎng)進行虛擬實訓；③可以實現(xiàn)學習者、實訓教師、虛擬實訓之間的三方互動，以達到更好的學習效果。

3 數(shù)控實訓在線教學平臺架構(gòu)

為此我們采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建了一個實訓平臺，成為實訓體系的重要組成部分，并在線上開展實訓教學。Web3D是一種廣泛應用的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可用于構(gòu)建以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的數(shù)控虛擬實訓教學體系，其架構(gòu)設(shè)計如下圖1所示。

圖1 基于Web3D的數(shù)控虛擬實訓平臺架構(gòu)圖

4 構(gòu)建虛擬實訓體系的具體方法和思路

4.1 動態(tài)的開放性原則

學生、教師、平臺能過進行有效互動，教師的指導通過平臺得以實時進行，這樣的教學效果才能提高。交互性是虛擬實訓平臺提高教學目標和實現(xiàn)教學效果的重要保證。

4.2 基于“工學結(jié)合”的虛擬場景漫游的原則

任務(wù)項目是和真實環(huán)境一樣的任務(wù)項目，虛擬實訓是通過對真實實訓環(huán)境和崗位的虛擬再現(xiàn)，來達到媲美真實機床設(shè)備的真實實訓，從而實現(xiàn)教學目標。

4.3 基于互聯(lián)網(wǎng)+的虛擬實訓資源共享的原則

由于要實現(xiàn)隨時隨地學習，資源的共享就顯得尤為重要，這就對實訓資源的開放性和可調(diào)用性提出了要求，學生在任何地方都能利用網(wǎng)絡(luò)進行虛擬實訓。

基于Web3D的數(shù)控虛擬實訓平臺中，Web3D編輯工具為用戶提供了完善的3D模型和動畫制作功能以實現(xiàn)虛擬場景的漫游，讓學生對數(shù)控加工車間的布局和加工環(huán)境等更容易了解，有利于增強學生對整體系統(tǒng)的認識。

5 虛擬實訓教學項目的選擇與實現(xiàn)

基于Web3D構(gòu)建虛擬實訓教學系統(tǒng)時，各功能模塊要充分傳統(tǒng)實訓教學的組織形式，系統(tǒng)化地應用于虛擬實訓中，既要體現(xiàn)職業(yè)教育的特點還要有利于實現(xiàn)教學的交互，讓虛擬實訓和傳統(tǒng)實訓教學具有同樣的真實性。通過對數(shù)控技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)目標的分析，數(shù)控技術(shù)專業(yè)虛擬實訓項目內(nèi)容如圖2所示[4]，虛擬實訓平臺實現(xiàn)效果如圖3所示。

圖2 數(shù)控虛擬實訓平臺功能模塊內(nèi)容

圖3 數(shù)控實訓VR效果

6 融入面向智能制造的數(shù)控實訓中心

目前我們已經(jīng)完成了14臺數(shù)控銑床地物聯(lián)改造，實現(xiàn)了實訓車間現(xiàn)場和互聯(lián)網(wǎng)的融合互通，正在打造一個數(shù)字化工廠環(huán)境，如圖4所示（見文末）。

該實訓環(huán)境將提供設(shè)備運行監(jiān)控模塊（SCADA）、加工程序集中管理模塊（DNC）、設(shè)備遠程操作模塊、統(tǒng)計分析模塊等，讓學生在數(shù)字化工廠的環(huán)境下實訓，實訓流程和制造類企業(yè)的生產(chǎn)流程對接。實訓車間現(xiàn)場生產(chǎn)加工用到的軟件以及編好的工藝和程序，可以通過車間電腦直接傳輸?shù)綑C床上進行加工，設(shè)計與生產(chǎn)模式無紙化。采用工學結(jié)合的項目引領(lǐng)式教學模式開展《數(shù)控實訓》教學，模擬企業(yè)的生產(chǎn)加工場景。通過將現(xiàn)有的數(shù)控實訓中心設(shè)備用工業(yè)物聯(lián)的手段，實訓場所用虛擬仿真建模，這樣就重構(gòu)出一個與現(xiàn)有數(shù)控實訓基地一致的數(shù)字化虛擬工廠。通過虛擬工廠學生可以參與不同的崗位生產(chǎn)，完成不同的職業(yè)訓練，達到教學的目的，真正實現(xiàn)工學結(jié)合的項目引領(lǐng)式教學。同時崗位任務(wù)可以引用企業(yè)的真實產(chǎn)品，實訓教學也容易實現(xiàn)進階式訓練，可以順暢地實現(xiàn)從單一技能訓練到綜合技能訓練的跨越。學生就有了生產(chǎn)過程的全局觀，再不斷地積累，就能培養(yǎng)出更符合智能制造需要的復合型技術(shù)人才。增設(shè)虛實一體化的智能制造運用能力教學內(nèi)容，在實訓教學過程中引入生產(chǎn)系統(tǒng)仿真軟件，培養(yǎng)學生對基于數(shù)控加工工藝的規(guī)劃設(shè)計及優(yōu)化的理解和應用能力，使其初步掌握如何利用生產(chǎn)系統(tǒng)仿真軟件優(yōu)化實際的生產(chǎn)現(xiàn)場管理，從而培養(yǎng)學生不僅要有數(shù)字化工廠的全局觀念還要具備制造規(guī)劃的理念。

圖4 面向智能制造的數(shù)控實訓中心