VR技術在中職學校數(shù)控加工教學中的應用

摘 要：隨著虛擬技術的廣泛普及，目前VR技術已經廣泛應用在醫(yī)護、教學以及機械工程制造等領域。基于職業(yè)院校數(shù)控加工專業(yè)的教學需求，VR技術已經逐漸成為理實一體、項目教學趨勢下的一種重要教學手段。在數(shù)控加工教學中引進VR技術，不但會解決數(shù)控加工實訓教學過程中可能遇到的設備型號不一致、教學安全等問題，而且還可以在很大程度上起到節(jié)約教學材料和保護環(huán)境等作用，極大地推動了數(shù)控加工專業(yè)的發(fā)展。

關鍵詞：VR技術;數(shù)控加工;教學應用

中圖分類號：G71? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1673-9132（2022）17-0029-03

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2022.17.010

中職學校擔負著培養(yǎng)初中級專業(yè)技能人才的任務。培養(yǎng)學生良好的專業(yè)技能，提升學生的創(chuàng)新能力是職業(yè)院校人才培養(yǎng)的主要目標。隨著各地職業(yè)教育規(guī)模的不斷壯大，職業(yè)院校更加重視數(shù)控加工技術專業(yè)的發(fā)展，投入到數(shù)控加工技術專業(yè)的設備、人力越來越多，數(shù)控加工技術專業(yè)獲得了較好的發(fā)展，但同時一些問題也隨之顯露出來。職業(yè)院校應當積極引進以虛擬應用管理平臺為基點的VR技術，利用現(xiàn)代科學技術手段來彌補教學中的諸多不足，從而推動數(shù)控加工專業(yè)不斷得到發(fā)展和進步。

一、虛擬仿真技術在數(shù)控加工教學的應用優(yōu)勢

數(shù)控加工技術人才培養(yǎng)的關鍵點在于以復合型技工人才為目標，全面提升學生的實際動手能力和創(chuàng)新能力。對此，虛擬仿真技術憑借計算機信息技術，尤其是圖形、影像顯示手段搭建起了集視、聽、觸于一體的虛擬仿真環(huán)境，實現(xiàn)對數(shù)控加工過程的全環(huán)節(jié)、全方位真實模擬，在實訓教學中凸顯了多緯度、多元化優(yōu)勢。在數(shù)控加工教學過程中，依托VR技術能將數(shù)控機床組成、邏輯關系以及機械運行模式等數(shù)控加工技術以3D虛擬形象全方位地展現(xiàn)在學生面前，可以廣泛應用到數(shù)控加工技術的教學環(huán)節(jié)立體化展示、數(shù)控模擬實驗、實訓仿真教學、專業(yè)教學與實踐生產加工的融合等方面，達到有效簡化實訓教學過程、提升實訓教學效率效果。

二、數(shù)控加工教學中存在的問題

新形勢下，中職學校要立足學校專業(yè)特點和產業(yè)發(fā)展需求，凸顯學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)，自主地依據課程教學要求和人才培養(yǎng)擬訂或調節(jié)有關內容，全面提升人才培養(yǎng)質量。現(xiàn)階段一部分職業(yè)院校數(shù)控加工教學中仍然存在教學質量與人才培養(yǎng)目標差距較大的問題，特別是在數(shù)控加工的實訓課程當中仍存在以下幾點問題，在很大程度上制約著專業(yè)教學的發(fā)展。

（一）教師示范操作效果不佳

在數(shù)控加工課程教學的實訓階段中，需要科任教師親自動手示范數(shù)控加工相關技術要領和方法技巧，讓學生能夠理解和掌握其中的基本要素和環(huán)節(jié)。但實訓教學往往由于教學人數(shù)較多，加工操作過程比較長，導致教師在數(shù)控加工演示過程中時間受限、環(huán)節(jié)受限，很難確保在場的每位學生都能夠聽清和看清每個關鍵操作，進而影響教學質量。

（二）教學成本較高，設備更新慢

數(shù)控加工課程絕大多數(shù)內容都需要學生在數(shù)控機床上進行實際操作，因此，學校為本專業(yè)配置齊多種型號的機床是一件非常困難的事。并且，隨著機械加工行業(yè)的不斷發(fā)展，學校數(shù)控機床的更新速度遠比不上生產企業(yè)的機床更新速度。另外，用于數(shù)控加工的實訓耗材價格都較高，實訓耗材的配備常常無法有效保障學生能夠進行足夠的操作實訓，課堂教學中很難確保所有學生都可以擁有充足的操作機會。以上因素，影響了數(shù)控實訓教學質量，造成學生在校所學的技術無法有效地應用到企業(yè)的生產操作當中。

（三）學生易發(fā)生誤操作，造成安全隱患

數(shù)控加工課程的理論知識部分通常是枯燥無味的，導致一部分學生疏于理論知識的有效學習和鞏固，這樣會導致學生在實訓前有可能未能全面了解和熟知實訓步驟，在實訓過程中缺乏準確的理論判斷，從而引發(fā)操作失誤。如果操作事故發(fā)生在教師監(jiān)管不到的地方，輕則會損壞實訓設備，重則會造成教學安全事故，甚至造成學生人身傷害。

三、VR技術在數(shù)控加工實訓中的應用

現(xiàn)代職業(yè)教育背景下的職業(yè)院校在專業(yè)教學中都很關注學生的實際動手能力，教師在技能實訓教學中要切實用好VR技術，利用VR技術提供的資源庫作為數(shù)控加工教學的素材，以滿足實訓教學的需要。結合實際，VR技術在數(shù)控加工教學中的應用主要有以下幾點。

（一）模擬新技術機床

數(shù)控加工技術專業(yè)課程的教學目的主要是更好地提升學生的理論基礎和實踐能力。在專業(yè)教學中設立了一些基礎性的實訓項目，這些項目有益于促進學生對學習內容和基礎性實訓要領進行記憶，需要反復操作和練習才能理解和掌握。而這一部分技能實踐內容比較枯燥乏味、教學方法也較為單一，極不利于學生的自主學習能力和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。在機械工程領域中，機械機床更新?lián)Q代的速度相對較快，一般的學校承擔不起頻繁的更新，因此絕大多數(shù)學校所使用的機床都比較老舊，無法將行業(yè)上的新技術、新知識通過機床實訓教學傳遞給學生，導致學生的學習興趣不高，進而影響數(shù)控加工教學的質量。

在教學中采用VR系統(tǒng)，利用好數(shù)控加工技術VR系統(tǒng)中的幾何建模，憑借NC代碼的驅動，就可以實現(xiàn)運動建模，確保托板運動邏輯、軸運動定義、換刀邏輯和切屑生成邏輯等都能始終處于可視可控狀態(tài)，讓學生能夠在虛擬狀態(tài)下觀察工件的切削過程，了解數(shù)控加工過程中各個模塊的互換，達到全面了解數(shù)控機床工作原理、內部構造、部件約束關系及裝配關系等。這樣，VR技術不但可以將最先進的機床操作新技術傳輸?shù)綄W生面前，還可以模擬出當下最為先進的機床設備，讓學生可以更加全面地掌握領先的技術。

（二）擴充人才儲備

從現(xiàn)階段數(shù)控加工行業(yè)的發(fā)展而言，數(shù)控加工企業(yè)仍然面臨著技術人才短缺的問題，或者從事該崗位的員工普遍存在實踐經驗不足或是動手能力較弱的缺陷。通過VR技術手段對學生進行數(shù)控虛擬設計、加工和裝配等教學，可以讓更多的學生擁有實訓實踐的機會，將平時學到的理論知識充分融入實際操作中去，進而起到鍛煉學生實際動手能力的目的，強化學生的專業(yè)技能操作水平，為行業(yè)企業(yè)培養(yǎng)出更多的專業(yè)人才。

（三）改變教學模式

傳統(tǒng)的數(shù)控加工教學模式一般是授課講師作為課程的核心，而受教的學生更多的是被動學習，從而導致學生的學習熱情不高，很難激發(fā)出學生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力。當數(shù)控教學課堂中引入VR技術之后，教師可通過的編排將此項技術融入原有的教學中去，形成專業(yè)知識與現(xiàn)代虛擬技術相融合的教學方式，進而改變原有的教學理念和教學方法，達到讓學生主動學習熱愛學習的目的，從而全面提高學生對數(shù)控加工技術學習的積極性，更好地培養(yǎng)學生的自主創(chuàng)新能力和自學能力。在降低了對實訓設備、加工材料的要求的同時，VR技術還可以仿真機械構件加工的全過程，從不同的視角下展現(xiàn)刀具切削與加工效果，而且加工功能齊全，有良好的可擴展性、通用的平臺效應以及逼真的仿真效果，保證學生能夠真實充分地掌握數(shù)控加工操作技巧。除此之外，一些VR數(shù)控技術平臺還可以對學生模擬操作過程中的操作環(huán)節(jié)、加工結果等實現(xiàn)自動評估和實時記錄，教師和學生通過系統(tǒng)可以對加工工件的規(guī)范程度進行檢視，能夠幫助學生及時發(fā)現(xiàn)自己操作過程中的缺陷和不足。系統(tǒng)還可以對歷次操作過的工件數(shù)據予以保存，學生可進行二次加工和反復操練，極大地提高數(shù)控加工的教學效率。

（四）消除安全隱患

VR技術還具備良好的兼容性，可以將各類教學機床技術融入該系統(tǒng)當中，進而避免出現(xiàn)學生因誤操作而導致機床設備損壞現(xiàn)象的發(fā)生，更不會對學生的人身安全造成威脅。并且，VR系統(tǒng)中具有大量的加工工具可供學生挑選，可以讓學生自主選擇學習和使用，還能對學生的實際操作進行實時監(jiān)控，出現(xiàn)問題時能夠及時指出學生的錯誤操作，從而規(guī)范學生的數(shù)控加工操控手法，避免學生在進入到實際的工作中后因操作問題導致安全事故的發(fā)生。學生和教師也不必擔心設備損壞、耗材損耗、場地限制等問題。采用VR技術進行工件加工操作練習，不會消耗實訓材料和能源，能夠有效滿足學生學習需求和教師教學要求，還能夠極大地降低學校實訓教學成本，可謂一舉多得。

（五）激發(fā)學習主動性

將VR技術充分融入數(shù)控加工實訓教學中，可以完全打破傳統(tǒng)的以教師為主體的灌輸式教學模式，通過技術手段建立起虛擬教學環(huán)境，使學生充分地沉浸到學習中去，從內心深處激發(fā)出學生對知識的渴求。傳統(tǒng)的實訓教學因為種種原因只能停留在表面，無法教授學生更深層次的知識，導致學生在進行數(shù)控加工實踐過程中最多只是進行簡單調節(jié)機床導軌、尾座，以及對機床進行日常的維護工作、簡單加工等內容。而在VR技術搭建的虛擬平臺下，學生可以通過虛擬技術對機床主軸箱、刀架等關鍵部件進行拆裝組裝，全面深入了解數(shù)控機床的內部構造，從而對設備會有更加全面直觀的認知，極大地擴寬學生視野。在學生了解了數(shù)控機床的內部構造和工作原理后，一些加工技術要求的學習內容就會變得容易和直觀。加之，數(shù)控技術的線上教學課程經過了接近十年的研發(fā)，集成了國內主流品牌的數(shù)控機械面板，將復雜的機械結構三維具象地展現(xiàn)在學習者面前，可以幫助學生以及科研技術人員進一步了解數(shù)控機床結構，同時也為技術人員進行數(shù)控機床系統(tǒng)的二次開發(fā)提供了必要條件。該裝置盡其所能地將所配數(shù)控系統(tǒng)的精髓用最直觀的方法展示給用戶，使用戶能最大限度地參與并獲得深切的體會以達到融會貫通的效果。

（六）增強學生認知

在現(xiàn)代數(shù)控加工專業(yè)理論知識教學中，VR技術的廣泛應用已經打破傳統(tǒng)的低效教學模式。在VR技術支持下，教師只需利用一臺計算機即可操作VR系統(tǒng)，并建立起與真實的數(shù)控設備相同的數(shù)字化3D模擬圖像，將數(shù)控機床、各緊密元件、加工所用的器具直觀體現(xiàn)出來。從而可以使學生無須深入實訓場地也可以從不同的視角直觀清晰地對數(shù)控機床的外觀、內部結構和構件等進行觀察，進而使數(shù)控機床及加工原理深刻地留在學生的腦海當中。不僅如此，該技術還可以選定一臺計算機作為核心獨立運行，將虛擬仿真操作的全過程充分地展現(xiàn)在顯示器面板上，并可以將數(shù)控切削過程以動畫的形式顯示出來。另外，該技術也可以將其放置到局域網上進行運行，將其與機床實件進行連接，學生可借助相同的局域網絡向加工機床發(fā)出控制指示指令，并在顯示器上真實觀察到機床的實際運行過程，使學生可以隨時隨地了解數(shù)控方面的知識。配合線上課程資源部署，使用該裝置的學生可以通過面板操作以及虛擬三維在線課程掌握數(shù)控車床系統(tǒng)控制原理、電氣設計方法、元器件的選擇、車床電氣安裝及調試、故障診斷維修、零件程序編制及圖形模擬加工過程等多項實驗內容，達到工業(yè)生產現(xiàn)場實習效果。

（七）優(yōu)化考核方式

由于數(shù)控機床運行維修成本較高，且操作實踐時間較長，導致部分學生雖然在畢業(yè)時拿到了相關證件，但仍然存在專業(yè)操作技能與自身掌握的知識并不匹配的現(xiàn)象。因此，職業(yè)院校應當繼續(xù)加強數(shù)控加工專業(yè)畢業(yè)生的專業(yè)技能考核工作，找出教學過程中存在的不足，進而提升數(shù)控專業(yè)的教學質量。傳統(tǒng)教學中大量使用考試成績來評價學生的學習結果和教師的教學績效效率，對于專業(yè)技能實訓檢測通常靠教師實訓過程的中對學生的印象來開展評價，這種評價未將學生的專業(yè)實踐動手能力和創(chuàng)新能力予以很好的體現(xiàn)。在VR虛擬應用管理平臺支持下，專業(yè)教師可以實現(xiàn)遠程數(shù)控加工相關技能的動態(tài)和序列考核工作，可以借助VR技術平臺設定考核內容，實現(xiàn)多進程的教學質量考核評估。另外，考核教師還可以利用視頻回放功能實現(xiàn)對每個學生的操作監(jiān)控，同時也以此為依據為學生提供相應的學習指導。

四、VR技術應用于職業(yè)教育技能教學過程中的不足與展望

從現(xiàn)階段我國職業(yè)院校在專業(yè)教學中使用VR技術的水平而言，該技術與專業(yè)理論教學的有效融合仍處于起步階段，VR技術的總體研究還是顯得過于碎片化，無法建立起一個較為完整的理論體系，從而導致職業(yè)院校中的VR技術自主研發(fā)能力相對較弱，導致VR技術還無法全面深入地普及到教育教學中來。另外，因為職業(yè)學校的學生基礎知識薄弱，且理論學習和計算機操作等方面的能力都比較弱，所以虛擬操作系統(tǒng)不應當過于高端，操作難度過大同樣也會打擊學生的積極性，進而降低對學習的興趣。為此，研發(fā)人員應當積極結合職業(yè)院校、專業(yè)、學生的實際情況來設計VR技術的操作系統(tǒng)，從而促進VR技術更加有效地深入到專業(yè)教學領域當中。

五、結語

總而言之，隨著行業(yè)技術的不斷發(fā)展，數(shù)控加工技術領域隨之拓展，軟件、硬件技術得以革新，為數(shù)控VR技術提供了很好的機遇。將VR技術引入到數(shù)控加工教學過程中去，完全可以增加學生的學習興趣，避免實訓過程中的安全隱患，達到節(jié)能環(huán)保的教學效果，可以更好地促進數(shù)控加工及其他領域的專業(yè)教學。

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[責任編輯 趙頌花]

作者簡介：陳琳（1985.9— ），男，漢族，甘肅民樂人，一級教師，研究方向：機械加工技術、數(shù)控加工技術。