虛擬仿真技術在機械制造類課程中的應用探討

王卉軍 劉虎 曹銳 王偉

武昌工學院 湖北省武漢市 430065

引言：自從國家研發出虛擬仿真技術后，被眾多教師積極運用到課堂教學中來。目前部分教師在組織機械類課程教學時，會運用虛擬仿真技術為學生呈現教材上的知識點，力求通過虛擬仿真技術，解決機械設備操作危險、設備貴以及機械課程技術集成程度高等方面的問題。為了發揮出虛擬仿真技術的應用價值，教師在機械制造類課程上應以學生學習需求為導向，圍繞每個課時知識點的教學特征設置應用方式，使學生在虛擬仿真技術輔助下能夠充分理解教學知識，提升學生學習效率。

1 虛擬仿真技術概述

虛擬仿真技術又被稱作虛擬現實技術和模擬技術，需要人們運用計算機，在虛擬的系統行模擬真實系統的技術。從廣義層面來看，虛擬仿真技術是在人類對自然世界變化規律形成基礎認識后，運用模仿的方式仿照自然規律，現今隨著計算機出現，人們開始運用虛擬仿真技術論證、實驗客觀世界產生的各類現象，根據實踐數據分析自然世界的變化規律，當下已經成為人們認識、變革和創新客觀世界的虛擬性技術；從狹義層面來看，虛擬仿真技術是在計算機技術發展的基礎上，產生的與試驗研究有關的信息技術。由于機械制造類課程對學生實踐能力要求較高，但是目前部分設備價格昂貴、操作危險，院校無法為學生提供，當教師在課堂上運用虛擬仿真技術組織教學時，可以運用虛擬仿真技術手段處理這節問題，讓學生在虛擬環境中通過學習實踐，充分掌握相關機械的性能和使用技巧，提高聽課效率。

2 目前機械制造類課程教學中存在的問題

2.1 虛擬仿真技術仍處在初期應用階段

這幾年我國信息技術發展成熟，教育領域開始運用智能化設備講解教學知識，現今多數院校已經利用虛擬仿真技術組織機械制造類課程教學，使課堂教學質量得到明顯提高，彰顯出院校的現代化教學發展步伐。但是在教學中發現，雖然部分院校已經配置了部分與虛擬仿真技術有關的設備，但是由于教師對該項技術了解程度較低，在課堂上很少運用虛擬仿真技術解釋教學知識的含義，仍習慣沿用口頭講課的方法，圍繞教材上的文字內容講解知識點，沒有將虛擬仿真技術全面運用到課堂教學的各個環節，導致虛擬仿真技術成為了一種浮于表面的教學設備，阻礙了虛擬仿真技術在教學領域的發展進程。

2.2 教學方式有待完善

雖然近年多數院校在機械類課程教學中，鼓勵教師運用虛擬仿真技術進行講課，然而在具體實踐中發現，教師使用的教學方式有待完善。目前受到教學資源影響，大多數教師在運用虛擬仿真技術時，需要組織學生前往多媒體教室，課堂上也是運用虛擬仿真技術中的視頻和圖像播放功能，為學生展示教材上的文字內容，教師通過輔助講解的方式，幫助學生理解相關素材的含義，講課方式比較單一，沒有圍繞學生學習需求探尋新型教學模式，課堂教學方法比較固定，導致部分學生在面對機械類課程時，喪失了濃厚的學習興趣，弱化了虛擬仿真技術的應用價值。

2.3 課堂教學趣味性較低

院校在機械類課程中應用虛擬仿真技術的目的，就是為了用虛擬仿真技術處理操作過程中出現的實踐危險和解決設備昂貴等問題，將教材上抽象的文字內容，借助影視和圖畫直觀展示給學生，幫助學生充分了解教材上的理論知識，掌握相關機械的操作技術。但是在具體應用虛擬仿真技術的過程中，大多數教師基本上是以PPT 課件的方式進行授課，沒有為學生設計游戲類或者實踐類活動，課堂教學趣味性較低，從而使得學生無法以良好心態投入到課堂學習中來。

2.4 學生學習能力較差

學生的學習能力決定了聽課質量，如果學生具備良好的學習能力，可以在較短時間內充分理解教學知識的內涵，并可以在實踐中達到舉一反三的效果。但是由于我國學生學習能力較差，大多數學生在學習機械類課程中的理論知識時，無法選擇恰當的方法探尋相關知識點的含義，不能充分利用虛擬仿真技術探索相關機械的操作方式，在學習中存在盲目的學習現象，這種情形導致學生在今后實際工作中接觸相關機械時，只能按照相關機械提供的指導書進行實踐，自學質量較差。

3 虛擬仿真技術在機械制造類課程中的應用策略

3.1 制定差異化教學目標，增強教學質量

教學目標是教育體系中的首要環節，教學目標是否合理直接決定了課堂教學效果和學生學習質量。過去教師在機械制造類課程中設置教學目標時，是以每個課時教學內容為基礎，為全班同學設計同樣的聽課要求。但是在具體開展教學中發現，每個學生理解能力都不同，導致學生在學習相同的理論知識時，產生的學習效果也不一致。因此，當教師在該課中應用虛擬仿真技術時，應立足學生主體制定差異化教學目標，在備課時期系統鉆研每個課時教學內容，結合教學經驗分析重難點講解方法，預估學生在聽課中可能會出現的疑惑，圍繞學生的實際學習情況制定要求制定差異化教學目標，增強教學質量，確保全班同學在課堂學習中都能充分掌握教學知識。

例如，在講到《五軸數控編程》時，這門課程涉及到機械設計、機床設計和計算技術等內容，對學生實踐能力要求極高。為了在教學中實現這一目標，教師應積極運用虛擬仿真技術組織教學，推動新工科建設步伐。在課堂上教師可以運用現代數學工具，工程CAD/CAM 軟件和仿真軟件VERICUT 設計，為學生創建實際制造過程的五軸數控機床虛擬實驗，這樣可以解決院校實踐設備不足、操作危險性高的問題，確保學生安全。在制定教學目標時，教師可以將學生分成學習速度較快和一般兩種類型。通常情況下，學習速度較快的學生領悟能力較強，教師可以要求學生在課堂上利用VERICUT 軟件學習機床創建、工裝夾具設計和多工位設置方法，模擬加工操作步驟；學習速度一般的學生在聽課中容易出現無方向感的情況，教師可以在應用虛擬仿真技術展示這節知識之前，告訴學生學習重點，要求學生了解機床運動過程，學習刀位數據后處理為數控代碼的理論知識，分析不同切削參數設置方法，使學生在了解基礎知識中，能夠主動探索虛擬仿真技術中的內容，提高學習效率。

3.2 借助現有資源，實施立體化教學

由于機械制造類課程中涉及到大量的實踐操作，部分實踐設備價格比較昂貴，院校無法為學生配置完善的實驗設備。因此，教師在教學中可以運用虛擬仿真技術解決這一問題，深入了解該項技術的使用方法，綜合考量該項技術的應用方式，并將其與教材和網絡資源融合起來，圍繞學生學習需求設計指導方式，在網上搜尋與機械制造類課程有關的教學視頻，然后運用虛擬仿真技術進行播放，這樣學生可以在教學視頻的輔助下全面了解教學知識，提升聽課質量。

例如，在講到《氣動與液壓》時，這節要求學生掌握液壓換向閥的工作原理和符號表示含義，學習機械中常見的三位四通換向閥的中位機能，教師可以在課前，在互聯網上選擇與這節內容有關的視頻，將換向閥工作原理與圖形符號有關的視頻下載下來，課堂上利用虛擬仿真技術為學生還原三位四通換向閥的中位機能，通過視頻進行原理演示和動畫仿真，為學生搭建一個虛擬真實的學習環境。在視頻播放的過程中，教師可以讓學生分析視頻中哪些地方使用了換向回路，讓學生通過觀察閥芯尺寸變化總結中位機能的三位四通閥的特點，引導學生參與到課堂學習中來，積極改變過去滿堂灌的教學方法。當視頻展示完畢時，教師可以讓學生解釋自身對視頻內容的見解，教師可以在學生回答的基礎上，運用虛擬仿真技術為學生詳細呈現教學知識，通過輔助解說的方式，告訴學生三位四通換向閥的中位機能以及換向閥的工作原理和圖形符號，保證每位學生在課堂學習中都能全面理解這節內容。

3.3 通過搭建實踐平臺，增強教學趣味性

由于機械制造類課程操作性比較強，學生在學習理論知識的同時，還應鍛煉個人實踐能力。當前院校為了培養技能型人才，提倡教學研結合的教學理念，要求教師在組織教學中，積極將理論與實踐教學融合起來，注重學生綜合能力培育。因此，當教師在機械制造類課程中應用虛擬仿真技術時，應緊跟教育發展方向，圍繞該課教學要求設計教學模式，通過搭建實踐平臺，增強教學趣味性，借助科研項目、學科競賽和創新項目訓練的方法，為學生留有自主試驗設計機會，這樣學生可以在實踐平臺，運用虛擬仿真技術設計產品，并在虛擬環境下對個人創造的產品進行調試和改良，使學生在參與實踐中能夠全面發展各項能力。

例如，在學完智能制造虛擬仿真平臺后，教師可以向學校申請在實驗室搭建實驗平臺，在實踐課上組織學生去實驗室，借助虛擬仿真技術進行自主實驗。目前智能制造虛擬仿真平臺可以圍繞用戶需求，提供多種處理方案，現有的處理方案主要包含基礎版、標準版和增強版，具有展示智能制造實訓平臺、自由建設設備庫、提供多種設備庫模型等功能，這些功能能夠有效滿足不同學生的學習需求。在組織自主實驗時，教師可以將全班同學進行分隊，讓學生通過分隊合作的方式，共同完成實踐任務。在學生將產品設計完成后，教師可以讓每個隊伍利用虛擬仿真技術展示設計好的產品，教師可以根據學生的示范表現，告訴學生在相關設備上應輸入哪些運行參數，控制該設備的運作過程和運動參數，并當堂組織學生重新調試相關產品，讓學生通過模擬系統運行結果，總結設置參數和注意事項，這樣學生在反復修改實踐中，提升自身對制造的認識和操作水平。

3.4 采用學生講課的方式，培養學習能力

虛擬仿真技術需要教師運用實物和計算機軟件建設出真實的情境，讓學生在虛擬的環境中進行學習。目前大多數院校在開設機械制造類課程時，通常是根據該行業的社會發展情況，為學生挑選學習教材，教材內容的針對性較強，教師可以在機械制造類課程上運用虛擬仿真技術時，結合該行業對人才質量的要求探尋教學模式，采用學生講課的方式，培養學習能力，要求學生根據自身對虛擬仿真技術模擬出的實驗過程的理解，自主設計講課內容，使學生在講解教學內容中，能夠轉變過去的聽課思維，主動學習教學知識。

例如，在講到《數控機床編程與操作》時，這節需要學生掌握數控加工工藝分析和設計方式，了解數控工藝文件的編寫技巧。教師可以在導入環節為學生闡述這節學習要點，并將全班同學劃分成多個陣營，讓學生在陣營中圍繞虛擬仿真技術展示的實驗過程，相互探討講課內容，要求學生深入分析數控加工工藝內容的選擇方式和路線設計要求，在學生交流完畢時，教師可以讓每個陣營輪流講課，要求學生在講課中運用虛擬仿真技術展示技術文件的編寫過程，這樣教師可以通過觀察學生的講課情況，分析學生對這節內容存在的理解缺陷。當全班同學講課結束后，教師應贊賞講課效果優質的陣營，點評該陣營的講課優點，并指出其它陣營在解釋實驗過程中存在的問題，運用虛擬仿真技術帶領學生詳細學習這節內容，使學生在聽課中能夠系統學習這節內容。

4 虛擬仿真技術在機械制造類課程中的應用要求

首先，教師應聚焦學生學習需求開展教學。根據以往教學發現，每個學生面對相同的教學知識產生的學習需求都不同，部分學生需要花費大量時間學習理論知識，部分學生希望通過虛擬仿真技術，培養個人實踐能力。因此，教師在機械制造類課程中應用虛擬仿真技術時，應在每節課堂都以學生為中心，聚焦學生學習需求開展教學，積極變革教學觀念，根據教學經驗探尋多樣教學模式，確保虛擬仿真技術能夠在教育領域發揮出應有的教學水平。

其次，教師應選擇適宜的教學內容。近年自從我國科技水平發展成熟后，網絡上的學習資源和教學視頻也逐漸增多，同個教學知識在不同網站上有風格不同的講解視頻，教師在設置虛擬仿真技術教學內容時，應根據機械制造類行業對人才能力的要求，立足教材上的知識點，向外拓展教學內容，圍繞重難點選擇國內外前沿的操作視頻，并在課堂上根據學生的聽課反應，靈活調整教學內容，力求全班學生都能在虛擬仿真的環境中，快速掌握需要學習的教學知識。

5 結語

綜上，由于機械制造類課程實踐性較強，在教學中需要用到大量實踐設備，但是部分設備價格較高，院校現有經費無法滿足教學需求，教師可以利用虛擬仿真技術組織教學，解決操作過程中的危險、解決設備昂貴、分步簡化技術讓學習者由淺及深的學習技術。然而在實際教學中，仍存在部分問題需要改進，需要教師在應用虛擬仿真技術中，綜合考量學生的學習能力，設計合理的教學模式，使學生在參與學習中全面發展綜合能力。