虛擬仿真技術在數控銑實訓教學中的應用

關 欣

（遼寧裝備制造職業技術學院， 遼寧沈陽 110161）

0 引言

隨著職業教育水平的日漸提升和教育教學改革的逐步推進，教育信息化被越來越多職業院校所重視，而在職業教育中融入信息化技術手段也是越發普遍[1]，尤其是在教學中應用虛擬現實技術，能夠在極大程度上改變傳統單一的教學模式，彌補傳統實訓教學的不足，降低實訓資源成本，提高實訓教學效率[2]。教師可以借助最新的虛擬現實技術來輔助教學，極大地豐富了教學資源，提升了教師應用信息技術的能力和意識，優化了實訓教學項目，從而激發了學生的學習興趣，使實訓課堂教學質量明顯提升。

美國多所大學（如華盛頓大學、斯坦福大學、麻省理工學院等）以及科研類機構最早對虛擬現實技術進行研發[3]，除此之外德國國家技術中心也開展了對虛擬現實技術的研究，他們在虛擬世界的感知、虛擬現實在空間領域的應用等方面貢獻突出[4]。在英國的牛津大學，學生也可以在信息產業中心對虛擬現實技術進行不斷的研究與試驗。我國于20世紀80年代開始對虛擬現實技術進行研究，并逐步取得了一定的成效[5-6]。浙江大學電氣工程學院設計的遠程虛擬實驗系統，能夠將遠程實驗及設備進行共享使用；由北京科技大學研發的交互式汽車模擬培訓系統，投入使用后效果也非常好[7-8]。目前國內對于虛擬實訓和真實實訓有效整合取得了一定的進展，正朝著網絡化、專業化、智能化等方向大力發展[9-10]。

1 數控銑實訓課程教學現狀

高職院校數控銑實訓課程為技能實踐課，課程多以教師實操演示，學生動手訓練方式進行。雖然已有部分網絡課程同步教學資源供開放教育使用，但內容相對單一，一些學生受學習場地、空間、時間等限制，學習主動性和積極性并不高。在授課過程中，部分教師引入信息化教學手段并不多，主要以技能實操訓練為主，這就導致學生無法在課余時間進行反復練習，且沒有更多資料供學習參考。因此需改變傳統實訓授課模式，將虛擬仿真技術引入到數控銑實訓教學中，并建立相對完整的虛擬仿真實訓課程體系，將教學知識點與問題或任務相掛鉤，讓學生通過遠程線上學習和探究來解決問題進而完成教學任務，并對學生開展個性化輔導，培養學生解決問題的技能和自主學習的能力[11-12]。

通過建設虛擬仿真實訓課程資源并將虛擬仿真技術應用在開放教育和職業教育實訓教學中，能夠在很大程度上改善課堂教學效果，大幅度調動課堂氛圍及學生的學習主動性，規范學生的學習行為，使學生對自身時間管理意識逐漸增強，實訓課堂變動豐富有趣，而且培養模式也符合教學目標和專業人才培養需求[13-14]，更能讓實訓課程（以數控銑實訓課為例）教學改革得以發展。

2 虛擬仿真教學模式在數控銑實訓教學中的設計與應用

2.1 虛擬仿真實訓教學實施目的

數控多軸銑削加工實訓課程是數控加工專業的核心課程，也是開放教育的重要實踐教學環節，為培養數控加工專業人才提供必備的理論知識和專業技能，通過本課程學習，學生應具備完成數控銑削零件加工工藝設計、工藝分析、數控編程與獨立操作設備的能力[15]。傳統實訓教學手段相對單一、內容相對固定，缺乏技術性創新，導致學生課堂參與度低，技能水平無法達到理想高度。將虛擬仿真實訓技術有效融入到實訓課堂，創新“虛擬仿真+實訓操作”新模式，將虛擬現實技術、在線精品課程建設、課程問題庫建立、實操視頻微課錄制、現場直播教學等技術手段進行有機整合，學生根據不同學習需求選擇相對應的學習模式，不再受限于傳統實訓課堂，學習時間更自由，學習方式更靈活，可以很大程度上提升整體實訓教學質量。學生在虛擬環境中進行反復實操訓練，鍛煉了動手操作、獨立思考問題和解決問題的能力，逐步降低錯誤發生率，學習成就感顯著增強[16-17]。

2.2 虛擬仿真實訓教學實施方法

將虛擬仿真技術有效融入到實訓課堂中，創新適合數控銑實訓課程的“虛擬仿真+實訓操作”教學新模式，利用信息化教學手段和虛擬現實技術改進傳統實訓教學方法，增設線上學習、現場直播、課程資源建設、視頻回顧等學習資源，提高實訓教學效率。

制作數控銑虛擬仿真實訓課程線上學習資源（精品課、微課程、PPT制作、問題庫建設），線下授課引入直播教學手段。在課程中引入“情景式教學”新模式，根據真實的生產任務設計出不同的實訓項目，形成以項目為主導的驅動式教學模式。模擬真實情景，形成學習小組，學生合作進行組間研討和探究，解決實際問題，挖掘隱藏在項目中的知識點，真正實現“情景式教學”新思路。

形成較成熟的虛擬仿真實訓教學體系，開展合理需求的個性化教學輔導，解放學生的學習時間和空間，進而提升實訓教學質量。提高實訓教師適應時代發展與企業用人變化的需求，身體力行地探索新教育思想、新教學方式和新教學手段。

2.3 虛擬仿真實訓教學實施過程

虛擬仿真實訓教學流程堅持“以學生為主體、教師為主導”的原則，教學實施過程包括師生課堂活動及下發各自任務，教學項目中的具體流程是：認知實操環境—實訓項目分解—虛擬仿真訓練—真實實操訓練—實訓總結反饋。

2.3.1 認知實操環境

通過前期教師進行的虛擬仿真實訓課程資源建設，在長江雨課堂、職教云等平臺進行網絡上傳，對學生進行理論知識要點和技能操作要點講解。學生的主要學習內容為觀看教師上傳的虛擬仿真實訓課程資源，認知實操環境，了解實訓基本流程及安全注意事項等。

2.3.2 實訓項目分解

指導教師按照不同實訓項目劃分實訓任務，再根據學生特點及自身優勢合理進行分組，并下發任務指導書。教師分別強調不同任務的各自特點，并啟發學生進行小組討論。小組間進行交流研討，明確任務內容及各自分工，為下步實訓內容奠定基礎。

2.3.3 虛擬仿真訓練

教師根據教學任務為學生提供虛擬實訓設備，并對虛擬實訓設備的操作步驟進行講解演示，學生以小組合作方式進行練習，教師進行巡視指導及檢查。在整個虛擬實操訓練過程中，小組間可以進行交流和談論，更換體驗角色，合作完成訓練內容。與此同時教師對整個教學過程進行現場直播和錄制，并在課后進行云端上傳，方便學生課后復習使用，并共享于開放教育。

2.3.4 真實實操訓練

此階段教師的主要任務是為學生提供實訓所需的材料和工、量、刃具等實訓耗材，使學生完成真實情境下數控機床操作實訓任務，教師示范技能操作要領并對學生提供相應的技術指導。學生的主要任務是將在虛擬實訓教學環節中所掌握的技能操作要點和理論知識要點進行遷移運用，在現實環境下的數控設備上進行操作練習，完成教師規定的實訓任務。

2.3.5 實訓總結反饋

教師根據學生的實訓綜合表現進行評價和反饋，并逐一對小組進行點評，學生進行組間自評和互評并根據教師的反饋結果進行反思與改進。若學生在課堂中沒能很好地理解教學內容，則可通過虛擬實訓網絡課程資源進行補充學習和復習，直至達到教學目標，最后教師可根據學生對知識要點和技能要領的掌握情況布置課后實訓任務。

3 虛擬仿真教學模式在數控銑實訓教學中發揮出的重要作用

3.1 有助于改變高職院校實訓教學現狀

高職類院校旨在培養專業類技術型人才，注重學生的實操技能和職業素質的養成。高職人才培養的定位，以適應社會發展需求為目標，培養學生具備適度的基礎理論知識和較強的技術應用能力[18]。在傳統教育模式中引入虛擬現實技術，能夠極大豐富原有單一的教學方式，將虛擬仿真技術與現實教學活動相結合，搭建虛擬仿真實訓平臺，建立虛擬仿真實訓課程，解決部分學校教學培訓資源落后和校企合作匱乏等問題。虛擬實訓利用了信息化技術手段模擬出現有企業中較為真實的生產環境，通過信息技術與人機交互技術等多種先進集成技術，使學生可以在此環境中獲得真實的感官體驗[19]，學生在學校學到的專業知識和技能，都能在日后企業實踐中得以應用。

3.2 有助于調動學生的學習主動性

在高職類學校中，大多數學生能夠保持對新知的強烈好奇心以及對先進技術的學習欲望，而虛擬現實技術是高校引入到教學中的一項先進的信息化技術手段，學生能夠在課堂中體會到虛擬實訓教學的優勢所在，使得學生的學習欲望與動手操作興趣急劇增加。虛擬仿真技術能夠給學生提供出虛擬的現實環境，其多變性能夠滿足學生在不同情境中的學習需求，大幅度提升了學生的發散思維和創新能力。

3.3 有助于降低傳統實訓教學風險

在傳統的實訓教學中存在一些易發生危險的實訓項目，一直以來這些實訓危險點是困擾教師教學的一大難題。建設虛擬仿真實訓課程和引入虛擬現實技術，對于危險系數相對較高的實訓項目，學生可以自行進行虛擬訓練，通過對視頻資源的觀看和對相關知識點的解讀，學生可基本了解操作工種的崗位技能要領，之后再組織學生到真實環境中進行實操訓練，這樣可以提升實訓教學的安全性。對于接受開放教育的學生，也可以不再受時間和地點限制，通過網絡課程資源和虛擬實訓技術完成線上課程的實踐訓練，既完成了教學任務，又能保證初學者的實訓安全，確保每名學生都能獲得相同的實訓機會，解決了有些危險系數高的實訓項目難以開展的問題。虛擬仿真技術可以使學生更好地投入到每個實訓教學環節中，避免了個別學生因錯誤操作而造成的人身或設備傷害。

3.4 有助于構建較為真實的實訓教學情景

根據教學需求，將虛擬現實技術應用在先進設備中，為學生搭建成一個“三感”世界，其中包括了觸覺、聽覺和視覺感官，這樣能夠讓學生快速地體會出在三維虛擬環境下進行模擬實訓的真實感受。現在的虛擬技術主要是借助AR頭盔、眼鏡、立體環繞耳機等虛擬設備，實現了人體在虛擬環境中做出的一系列操作動作，如移動、抓取、敲打、安裝等。學生的體驗就能夠更加真實，更加具體，更加富有感染力，進而沉浸在虛擬世界中進行實際操作訓練。根據虛擬設備提供的與真實教學環境和相似的實訓場景，學生能夠實現與真實環境間的相互隔絕，這對降低環境因素對實訓教學的不利影響有很大作用[20]。

4 結束語

將虛擬仿真實訓教學模式引入到高職院校實訓教學和開放教育實踐環節中，汲取虛擬技術的優勢所在，對課程內容進行修改和完善，建立虛擬仿真實訓課程線上教學資源，以適應新時代高職院校實訓教學需求。學生通過虛擬技術模擬在現實環境中的實訓教學環節，加深對數控銑實訓操作的理解程度，在操作中鍛煉了思維，提高了自主學習能力，充分發揮出學生的主觀能動性，弱化了教師在教學過程中的主導地位。虛擬仿真技術的應用，提升了實訓教學的安全性，培養了學生的動手實踐能力和應用創新能力，增強學生的就業競爭力，符合職教改革的新方向，能夠在職業教育和開放教育中發揮出極大作用，具有一定的應用價值。