虛擬仿真技術在金工實習教學中應用研究

陳鵬武

[摘? ? ? ? ? ?要]? 現在社會正進入高速發(fā)展時代，各高校的金工實習設備升級，引進的先進制造設備數量少、價格昂貴，維修保養(yǎng)成本高，學生未能動手實踐。金工實習上課內容比較抽象、枯燥，學生難以理解，興趣不高，教學效果一般。虛擬仿真技術是一個時代新物，應用廣泛，應用到金工實習中，將是一個新的教學方式，有效解決先進設備的問題和金工場地，同時可以彌補傳統(tǒng)金工實習的不足。

[關? ? 鍵? ?詞]? 金工實習;虛擬仿真技術;教學方式

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號]? 2096-0603（2022）19-0122-03

虛擬仿真技術是一門科技含量較高的學科，依托計算機技術發(fā)展，交叉了多媒體技術、機械工程技術、人機接口技術、傳感與測量技術、仿真與人工智能等多學科融合為一體，構建一個與現實相同的虛擬環(huán)境，沉浸式的體驗，人機交流，與現實體驗相同。越來越多高校的實訓教學正在引入虛擬仿真教學平臺。

虛擬仿真技術即虛擬現實技術（簡稱VR），在20世紀40年代被歐美國家發(fā)明，目前其核心技術掌握在發(fā)達國家，如美國、日本等。最先應用在軍事領域，21世紀正是一個高速發(fā)展的科學技術時代，對人類影響發(fā)生極大的變化，人對生活、思想不斷提高需求，虛擬仿真技術被應用到各個領域中，如醫(yī)學的虛擬現實手術培訓，汽車、船舶、飛機的虛擬現實駕駛，VR影視，VR游戲，虛擬仿真教學等。我們國家對虛擬仿真技術掌握相對薄弱，由于起步晚，教育部頒發(fā)《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》（教高司函[2013]94號），興起大批學者對虛擬仿真技術進行研究。

一、金工實習的目的和現狀

（一）金工實習教學目的

金工實習是一門以實踐教學為主的公共基礎課，是工科類學生在校期間不可缺少的實踐教學環(huán)節(jié)，從前金工實習強調學生獨立操作，把所學的理論知識與實踐教學結合，從而培養(yǎng)學生的動手能力和掌握機械制造一般過程。隨著社會科學技術不斷更新，各高校已引進先進設備，現在金工實習演變?yōu)楣こ逃柧殻⒅嘏囵B(yǎng)學生的動手能力，同時也在培養(yǎng)和提高學生的工程素質、創(chuàng)新能力。它是高校對學生進行工程教育與培養(yǎng)的主要環(huán)節(jié)和內容，通過金工實習，學生初步掌握現代機加工的基本知識，對現代機加工建立生產概念，能夠對簡單零件作出初步工藝操作和分析。同時也是學生畢業(yè)前與社會無縫接軌的橋梁，培養(yǎng)學生熱愛勞動、愛護設備、建立生產經濟觀，為其日后的機械制造類課程和從事機械工程類工作等打下良好的基礎。

（二）金工實習的教學現狀

大部高校的金工實習教學方式主要是利用多媒體或現場教學或兩者結合。每個參加金工實習的學生都是初學者，對設備和操作都不熟，主要通過老師講解來獲取，內容比較抽象和枯燥，難以理解和掌握，教學效果一般，不利于學生實習，操作設備容易發(fā)生事故，如普通車床實訓時，車床是開放性加工，初學者對設備不熟，容易發(fā)生刀架撞車床、斷車刀等危險事故。

各高校隨著社會的發(fā)展，更加重視金工實習的發(fā)展，加大資金投入，引進先進設備，實習場地擴大。由于高校的資金和場地有限，先進設備價格昂貴和維修保養(yǎng)貴，現如今的金工實習的設備特點是傳統(tǒng)設備保有量大、老舊且占地面積大，先進設備少，更新緩慢。在實習先進設備時，老師講解和操作，學生未能參與動手實踐，不利于學生對現代機械制造的了解，學生興趣不高，難以提高學生的工程素質和創(chuàng)新能力。如引進一臺數控五軸銑床需要一百萬元左右，學生是初學者，對設備操作不熟練，容易發(fā)生操作失誤，從而撞壞主軸，維修費高達十幾萬元，高校一般只引進一兩臺，教師只能按教學要求帶領實習。

二、國內外虛擬仿真實驗教學情況

（一）國外建立虛擬仿真實驗教學情況

國外掌握虛擬仿真的核心技術起源早，已在各個領域中得到廣泛應用。虛擬仿真技術正引領各國對教育進行提升和改革，也是培養(yǎng)現代高質量人才的重要手段，備受各國重視。查資料了解到表1（見文末）是國外高校虛擬仿真教學的主要類別和基本形式。

（二）國內建立虛擬仿真實驗教學情況

根據教育部頒布的《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》（教高司函[2013]94號文），我國組建大量專家學者對虛擬仿真技術進行研究，在教育部公布的數據中，了解到我國2017—2020年建立國家級虛擬仿真實驗教學中心的情況如表2所示。

三、虛擬仿真技術融入金工實習教學的意義

虛擬仿真技術引入金工實習教學中，充分發(fā)揮作用、互相補充，給金工實習教學帶來了一個全新教學方式，同時也解決了自身教學缺陷，利用虛擬仿真技術創(chuàng)造一個與現實有相同體驗的“沉浸式”教學環(huán)境，立體感強，多角度學習，提高了學生興趣與教學質量，解決原有教學上存在的諸多問題和不足。有效地解決高校金工實習發(fā)展需要的場地、設備數、師生比等問題，提高設備利用率，加大對學生開放，學生可以隨時自主學習，更加充分地培養(yǎng)學生工程素質、創(chuàng)新能力、實踐動手能力，提高人才培養(yǎng)質量與現代企業(yè)發(fā)展需求接軌。響應李克強總理提出的“中國制造2025”號召，為中國制造崛起提供高質量人才，使金工實習在未來發(fā)展更好、更遠、可持續(xù)。

四、虛擬仿真技術引入金工實訓教學中的優(yōu)點

（一）改變教學方式

據了解大部高校的金工實習采用多媒體教學或現場教學或兩者相結合的方式，上課內容比較抽象，學生興趣不高，作為初學者，較難掌握和理解實習設備的工作原理，容易操作失誤，對學生和設備安全存在較大危險。特別是現場教學，實質是傳幫帶式教學，十幾個學生圍繞一臺設備，聽指導老師講解，靠后站的學生聽不清，也看不見設備結構，教學效果一般。虛擬仿真技術可以有效地改變金工實習的教學方式，帶來一次全新的教學改革，學生通過輔助工具，如眼鏡、智能穿戴等，進入一個真實的教學環(huán)境中，沉浸式體驗教學，全方位了解設備原理和操作，增強學生興趣，提高信心，進一步提高教學效果。也利于安全教育開展，雖然老師上課時有講解安全知識，但無法演示，學生難以理解，安全意識不強，易發(fā)生事故，利用虛擬仿真安全事故教學模塊，學生能直觀地體驗安全事故的發(fā)生，從而提高學生的安全意識。以下是虛擬仿真技術融合金工實習后的教學流程圖。

（二）加強考核，建立過程考核

我校的金工實習評分流程如下：20%平時成績+60%考核（加工零件作業(yè)）+20%實習報告考核成績。在車工實訓時，兩個學生共用一臺車床，十幾臺車床同時實訓，教師很難辨別加工零件是否該學生獨立完成的，記錄不了每個學生的動手實踐情況，考核有漏洞，部分學生可以趁機不動手實訓，教學質量不高。特別是先進設備的實訓更難給予考核，設備數量少，學生興趣高，未能參與操作，會打擊學生的積極性。在虛擬仿真系統(tǒng)中設置好相應的考核，學生進行沉浸式練習時，系統(tǒng)記錄考核，教師清楚地看到每個學生操作，對學生進行過程考核，給教師提供考核依據，使考核更加公平透明化和量化，加強考核有利于提高教學質量。

（三）減少耗材，降低維護費

近幾年國家提出青山綠水，資源越來越短缺，要節(jié)約能源，各高校也提倡綠色校園。金工實習前期，學生需要反復練習，消耗大量材料，才能掌握和操作設備，獨立完成作業(yè)。在練習過程中，學生是初學者，不熟悉操作設備，容易對設備造成損壞，特別先進設備的價格昂貴、精度高，維修成本貴。虛擬仿真技術可以給金工實習提供一個無耗材、無設備被損壞、實訓安全的真實教學環(huán)境，學生可以無限反復練習。

（四）提高近機類專業(yè)參與金工實習的教學質量

近機類專業(yè)參與金工實習的時間短，如我校的船舶與海洋工程、能源與動力工程、電氣工程及自動化等近機類專業(yè)安排參與金工實習時間為1～2周。教學大綱要求實習項目多，包括先進智能制造、車鉗焊、磨刨銑等項目，實訓時間短，分到每個項目時間更少，導致整個實習過程是以教師為主導，學生認識實習為主，基本未能動手實踐，其中焊工和鉗工實訓稍可以動手實踐。對于近機類專業(yè)而言，學生片面了解金工實習，未能深入了解現代機械制造過程。虛擬仿真技術給近機類專業(yè)學生提供了一個仿真操作平臺，金工實習后，僅需對學生提供開放時間，教師不用擔心學生實習的安全，學生自主學習為主，深入了解金工實習，為其后面機械類相關課程和參加工作后與機械相關內容打下良好的基礎。

（五）提高學生實習信心，減輕師生心理壓力

在金工實習時，常會發(fā)生一些教學事故，特別是車工實訓，一方面車床是開放性加工，學生是初學者，操作不熟練，安全意識不高，容易發(fā)生事故，常見鐵屑飛濺、斷車刀、撞車床等事故，部分學生遇事故，心理緊張，失去信心，不敢再次練習。另一方面是兩位老師看管十幾臺車床實訓，不能較好地照顧到每個學生，同時精神集中，時常擔心學生會發(fā)生事故。虛擬仿真技術融入金工實習教學，學生可以在虛擬仿真平臺先練習，通過考核，已經熟練操作，有一定的經驗，再真實練習，老師少擔心學生會發(fā)生事故，有利于提高學生的實習信心，減輕師生心理壓力。

（六）以虛擬仿真技術為一種向導，將OBE理念融入金工實習教學中

OBE教育理論是“追求教育卓越的一個正確方向和值得借鑒的教育改革理念”，已得到全球公認。各高校正在推進OBE教育理論，是工程教育改革的正確方向。金工實習是一種工程教育過程，是不可缺少的教學環(huán)節(jié)。目前金工實習的教學方式以“傳幫帶式教學”為主，教師先示范教學，然后學生動手操作，這種模式是教師為主導，教師指定實習內容，學生按部就班，非常不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神，教學效果差，學生興趣不高，想學習的學生覺得時間和機會不夠，不能自主發(fā)揮，學習熱情受到限制。OBE教育理論核心觀念以成果產出為目標、以學生為教學中心、不斷持續(xù)保持高效這3個基本原則為主要標準，虛擬仿真金工實習教學理念與OBE教育理論比較相近，整個教學設計與教學實施都緊緊以學生為中心，促進學生達到學習成果，提供適合的教學環(huán)境，及時了解學生學什么和如何學（方式與策略），引導學生進行有效學習，通過考核體系，隨時掌握學生的學習成效。

五、結語

綜上所述，虛擬仿真技術引進金工實習教學有效地解決先進設備數量不足和金工實習設備場地占地面積大等問題。與傳統(tǒng)的金工教學結合，可以彌補傳統(tǒng)教學的缺點，教學效果明顯提高和有利于提高教學質量。給金工實習帶來一次全新升級和教學改革，使高校培養(yǎng)的人才與社會企業(yè)需求越來越接軌。

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◎編輯 張 慧