“闖關(guān)式”虛擬實訓(xùn)體系設(shè)計

一、引言

在制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的浪潮中，數(shù)控加工技術(shù)作為先進制造領(lǐng)域的核心支撐，對專業(yè)人才的需求呈現(xiàn)出數(shù)量與質(zhì)量并重的態(tài)勢。“數(shù)控機床加工技術(shù)”作為培養(yǎng)數(shù)控專業(yè)人才的關(guān)鍵課程，其教學(xué)質(zhì)量直接關(guān)乎學(xué)生未來在行業(yè)中的競爭力。在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，理論與實踐脫節(jié)、實訓(xùn)資源有限、教學(xué)場景難以模擬真實工作過程等問題長期制約著教學(xué)效果[]。虛擬實訓(xùn)技術(shù)的興起為打破這一教學(xué)困境帶來了希望。其中，“闖關(guān)式”虛擬實訓(xùn)體系基于工作過程構(gòu)建，將課程內(nèi)容拆解為一系列具有遞進關(guān)系的任務(wù)關(guān)卡，讓學(xué)生在模擬真實工作場景的環(huán)境中，通過體驗式學(xué)習逐步掌握數(shù)控加工技術(shù)。

二、目標定位：雙輪驅(qū)動的能力培養(yǎng)框架

（一）專業(yè)技能培養(yǎng)：操作精準度、工藝優(yōu)化、編程能力

專業(yè)技能培養(yǎng)聚焦于操作精準度、工藝優(yōu)化與編程能力。操作精準度是數(shù)控加工的基礎(chǔ)，要求學(xué)生能夠在虛擬實訓(xùn)環(huán)境中熟練掌握數(shù)控機床的操作流程，精準控制刀具路徑、切削參數(shù)等，確保加工零件的尺寸精度、形狀精度和表面質(zhì)量達到設(shè)計要求[2。通過反復(fù)的虛擬操作訓(xùn)練，學(xué)生可形成肌肉記憶與直覺反應(yīng)，從而在實際操作中迅速且準確地應(yīng)對各類加工場景。工藝優(yōu)化能力則更進一步，學(xué)生需依據(jù)工件的材質(zhì)、形狀、尺寸等特性，合理選擇刀具、確定切削用量、規(guī)劃加工路線，以提高加工效率、降低生產(chǎn)成本并保證加工質(zhì)量。編程能力是數(shù)控加工的關(guān)鍵，學(xué)生要能夠運用數(shù)控編程語言（如G代碼、M代碼），根據(jù)零件圖紙編寫出準確無誤的加工程序，涵蓋從簡單二維輪廓加工到復(fù)雜三維曲面加工等多種類型，同時能利用虛擬仿真軟件進行程序驗證與優(yōu)化，及時發(fā)現(xiàn)并解決潛在的干涉、過切等問題。

（二）職業(yè)素養(yǎng)塑造：問題解決、團隊協(xié)作、質(zhì)量意識

職業(yè)素養(yǎng)塑造著重于問題解決、團隊協(xié)作與質(zhì)量意識。數(shù)控加工現(xiàn)場常出現(xiàn)刀具磨損、工件裝夾變形、加工程序異常等突發(fā)狀況，學(xué)生必須具備獨立思考與快速解決問題的能力，能夠在壓力下冷靜分析問題根源并采取有效措施加以解決[3]。團隊協(xié)作是現(xiàn)代制造業(yè)的重要要求，數(shù)控加工項目通常涉及多個工序與人員的配合，學(xué)生需學(xué)會在團隊中明確自身角色與職責，與其他成員高效溝通、協(xié)同工作，共同完成復(fù)雜的加工任務(wù)。質(zhì)量意識貫穿于整個數(shù)控加工過程，學(xué)生應(yīng)樹立“質(zhì)量第一”的理念，嚴格遵循工藝規(guī)范與質(zhì)量標準，在操作前仔細檢查設(shè)備與工夾具，在加工過程中認真監(jiān)測加工狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并處理質(zhì)量問題，確保交付的每一個零件都符合品質(zhì)要求。

三、內(nèi)容架構(gòu)：任務(wù)驅(qū)動的遞進式學(xué)習單元

（一）關(guān)卡1：數(shù)控加工基礎(chǔ)認知

數(shù)控加工基礎(chǔ)認知是整個體系的基石，通過虛擬場景再現(xiàn)數(shù)控加工車間布局、設(shè)備構(gòu)造與操作界面，學(xué)生可直觀了解數(shù)控機床的類型、功能及基本操作流程。例如，教師可引導(dǎo)學(xué)生進人虛擬車間，近距離觀察不同型號數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)，如主軸箱、進給機構(gòu)、刀庫等，理解各部件的作用與協(xié)同工作方式，同時通過模擬操作界面，熟悉開機、回零、手動/自動運行等基本操作步驟，掌握坐標系設(shè)定、刀具補償?shù)汝P(guān)鍵參數(shù)的輸入與調(diào)整方法。在此基礎(chǔ)上，融入典型零件加工案例展示，如簡單軸類、盤類零件的加工過程，使學(xué)生明白數(shù)控加工在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用情境，了解從毛壞到成品的加工流程，包括裝夾、對刀、啟動程序、監(jiān)控加工等一系列操作，為后續(xù)學(xué)習筑牢根基。

（二）關(guān)卡2：零件加工路徑規(guī)劃

零件加工路徑規(guī)劃著重培養(yǎng)學(xué)生工藝分析與規(guī)劃能力。教師可引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)零件圖紙，綜合考慮材料特性、尺寸精度和表面粗糙度等多方面因素，運用虛擬仿真工具進行刀具選擇、切削參數(shù)設(shè)定以及加工路線規(guī)劃。例如，對于一個具有復(fù)雜輪廓的零件，學(xué)生需要根據(jù)其形狀特點選擇合適的刀具，如球頭刀用于加工曲面，鍵槽刀用于加工窄槽等，并確定每把刀具的切削速度、進給量、切深量等參數(shù)。同時，合理規(guī)劃加工路線，如采用順銑還是逆銑，是采用行切還是環(huán)切等策略，以提高加工效率、保證加工質(zhì)量和延長刀具壽命。在此過程中，學(xué)生不僅學(xué)會如何合理安排加工工序，如先粗加工后精加工，先基準面后其他面等，以提高效率、保證質(zhì)量，深刻理解不同加工策略對最終成品的影響，從而為編程環(huán)節(jié)做好充分準備。

（三）關(guān)卡3：程序編制與仿真調(diào)試

程序編制與仿真調(diào)試是數(shù)控加工的核心環(huán)節(jié)。在此過程中，教師可要求學(xué)生將前兩關(guān)所學(xué)知識融會貫通，運用專業(yè)編程軟件編寫數(shù)控加工程序。例如，學(xué)生需根據(jù)零件的幾何模型和工藝規(guī)劃，運用如Mastercam等編程軟件生成G代碼，包括刀具路徑定義、切削參數(shù)設(shè)置、輔助功能指令添加等。虛擬仿真平臺在此發(fā)揮關(guān)鍵作用，學(xué)生可將編寫好的程序?qū)巳鏥ERICUT等仿真軟件中進行模擬加工，實時觀察刀具運動軌跡與零件加工狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并修正程序錯誤，如刀具干涉、過切等問題，優(yōu)化加工參數(shù)，如調(diào)整進給速度以平衡加工效率與表面質(zhì)量。通過多次迭代的仿真調(diào)試，學(xué)生既能驗證程序的正確性與合理性，又能深人理解程序指令與實際加工效果之間的對應(yīng)關(guān)系，不僅有效規(guī)避了實際操作中可能出現(xiàn)的設(shè)備損壞、產(chǎn)生廢品等問題，還極大地提升了學(xué)習效率與實踐安全性。

（四）關(guān)卡4：綜合項目實操

綜合項目實操作為最終挑戰(zhàn)，將學(xué)生置于復(fù)雜真實的生產(chǎn)環(huán)境中，面對多工序、高精度要求的綜合零件加工項目[4。例如，學(xué)生需完成一個航空航天領(lǐng)域復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的加工，該零件包含多種復(fù)雜特征，如深腔、薄壁、高精度配合面等，要求學(xué)生獨立完成從工藝設(shè)計、程序編制到實際加工操作的全過程。學(xué)生需運用前三關(guān)所學(xué)知識，制定詳細的加工方案，包括各特征的加工順序、刀具選擇、切削參數(shù)設(shè)定等，編寫復(fù)雜的數(shù)控程序，并在虛擬仿真環(huán)境中進行反復(fù)驗證與優(yōu)化。教師可帶領(lǐng)學(xué)生以團隊協(xié)作的方式，完成大型項自任務(wù)，進一步強化學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)與團隊精神，使其更貼近企業(yè)實際工作需求，實現(xiàn)從知識學(xué)習到技能應(yīng)用、從單一任務(wù)處理到綜合項目管理的跨越，為學(xué)生未來的就業(yè)奠定堅實基礎(chǔ)。

四、實踐應(yīng)用：構(gòu)建沉浸式學(xué)習體驗的關(guān)鍵策略

（一）融合多維交互設(shè)計，打造擬真操作體驗

在“闖關(guān)式”虛擬實訓(xùn)體系的構(gòu)建過程中，為確保學(xué)生能夠獲得高度擬真的數(shù)控機床操作體驗，教師需融合多維交互設(shè)計，從硬件、軟件、環(huán)境模擬等多個層面增強沉浸感，提升學(xué)生的操作熟練度與加工決策能力。

從硬件交互維度來看，教師要主導(dǎo)設(shè)備選型與適配工作。在有限的教學(xué)資源條件下，精心挑選與真實數(shù)控機床操作面板高度相似的模擬設(shè)備，確保按鍵布局、功能標識契合實際機床標準，引導(dǎo)學(xué)生通過反復(fù)操作，建立肌肉記憶。例如，教師可組織學(xué)生分組進行操作面板功能的對比學(xué)習，讓學(xué)生親身體驗旋鈕調(diào)整進給速度、主軸轉(zhuǎn)速時的阻尼感，詳細講解轉(zhuǎn)動幅度與參數(shù)變化間的線性關(guān)系，強化學(xué)生對參數(shù)調(diào)節(jié)精度的認知；同時，引入力反饋設(shè)備時，教師需制定規(guī)范的操作流程，指導(dǎo)學(xué)生在虛擬切削中感受刀具阻力，如通過設(shè)定不同材質(zhì)零件的切削任務(wù)，讓學(xué)生對比不同切削力下的操作手感，提升對切削深度與力度的把控能力。

在軟件交互層面，教師要成為先進技術(shù)應(yīng)用的推動者。一方面，積極參與軟件系統(tǒng)的篩選與定制，確保所選虛擬實訓(xùn)軟件具備高分辨率3D建模功能，能精準呈現(xiàn)數(shù)控機床內(nèi)部結(jié)構(gòu)、零件細節(jié)以及加工過程中的材料變形、切屑生成等關(guān)鍵現(xiàn)象。另一方面，教師自身要深入鉆研實時物理模擬引擎原理，以便在教學(xué)中為學(xué)生講解切削力、摩擦力、熱傳導(dǎo)等物理量的計算邏輯，使學(xué)生理解零件加工效果與材料力學(xué)、工藝規(guī)律的內(nèi)在聯(lián)系。例如，在刀具接觸零件表面的模擬環(huán)節(jié)，教師可結(jié)合具體材料特性與切削參數(shù)，為學(xué)生演示零件表面變形與切屑剝離的實時過程，詳細解讀切屑形狀、顏色及飛濺方向所反映的加工狀態(tài)。此外，教師要充分利用軟件的智能提示與反饋功能，在學(xué)生操作失誤或參數(shù)設(shè)置不合理時，及時引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)提示進行錯誤糾正與流程優(yōu)化，如組織學(xué)生進行錯誤案例分析討論，加深學(xué)生對正確操作流程的記憶。

談及環(huán)境模擬交互，教師要精心構(gòu)建沉浸式教學(xué)場景[5。在虛擬現(xiàn)實（VR）或增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)應(yīng)用方面，教師要熟練掌握相關(guān)設(shè)備的使用方法，為學(xué)生提供專業(yè)的操作指導(dǎo)。通過頭戴式顯示設(shè)備，引導(dǎo)學(xué)生360度觀察虛擬數(shù)控加工車間的機床布局、照明條件、通風設(shè)施等環(huán)境細節(jié)，增強學(xué)生對工作場景的直觀認知。同時，教師要注重背景音效的利用，在學(xué)生操作機床時，講解機床運轉(zhuǎn)聲、切削噪聲、通風設(shè)備風聲等音效與操作動作的關(guān)聯(lián)，如在啟動機床、切削過程中，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注音效變化所反映的設(shè)備運行狀態(tài)，提升學(xué)生的聽覺沉浸感。通過多感官融合的環(huán)境模擬交互教學(xué)，強化學(xué)生對數(shù)控加工工作場景的真實感受，切實提升實訓(xùn)教學(xué)效果，助力學(xué)生在虛擬環(huán)境中獲得與真實工作場景高度一致的操作體驗與技能訓(xùn)練。

（二）完善虛實結(jié)合評價，精準衡量學(xué)習成效

虛擬仿真訓(xùn)練環(huán)節(jié)能夠記錄學(xué)生在數(shù)控編程、工藝規(guī)劃等理論與模擬操作層面的數(shù)據(jù)，如編程效率、路徑規(guī)劃合理性；實際操作訓(xùn)練則直觀呈現(xiàn)學(xué)生的機床操控熟練度、加工精度把控等實踐能力。在“闖關(guān)式”虛擬實訓(xùn)體系的實施過程中，教師應(yīng)構(gòu)建完善的虛實結(jié)合評價體系，以精準衡量學(xué)生的學(xué)習成效，確保虛擬訓(xùn)練與實際操作能力的同步提升。

從虛擬操作評價維度出發(fā)，教師要構(gòu)建一套全面且細致的評估指標。對于學(xué)生在虛擬環(huán)境中的操作流程規(guī)范性，教師需依據(jù)真實工作標準，仔細檢查學(xué)生從開機準備、對刀操作到零件加工過程中的每一步驟，如是否正確回零、刀具安裝順序是否合規(guī)等，一旦發(fā)現(xiàn)操作失誤及時記錄并引導(dǎo)學(xué)生糾正。在參數(shù)設(shè)置合理性評估上，教師要深人分析學(xué)生依據(jù)零件材料、加工工藝所設(shè)定的主軸轉(zhuǎn)速、進給量、切削深度等參數(shù)，結(jié)合理論知識與實際加工經(jīng)驗，判斷參數(shù)是否匹配，能否實現(xiàn)高效且高質(zhì)量的加工，通過案例對比為學(xué)生講解參數(shù)設(shè)置不當對加工結(jié)果的影響。同時，教師要關(guān)注學(xué)生在虛擬仿真中對突發(fā)狀況的應(yīng)對能力，如模擬刀具破損、機床報警等故障，觀察學(xué)生能否迅速找出問題所在并采取正確的應(yīng)對措施，以此鍛煉學(xué)生的應(yīng)急處理能力。

轉(zhuǎn)向?qū)嶋H操作考核，教師要創(chuàng)設(shè)接近真實工作場景的實操環(huán)境。在機床操作熟練度考核中，教師嚴格限定時間，要求學(xué)生在規(guī)定時長內(nèi)完成零件裝夾、刀具更換、程序輸人與運行等一系列操作，依據(jù)操作的流暢度、準確性以及時間把控來評定成績，激勵學(xué)生提升操作速度與精準度。針對零件加工質(zhì)量評估，教師利用專業(yè)測量工具，對學(xué)生加工完成的零件進行尺寸精度、形狀精度、表面粗糙度等指標檢測，與零件圖紙要求進行比對，詳細分析誤差產(chǎn)生的原因，是操作不當、刀具磨損還是工藝選擇有誤，幫助學(xué)生明確改進方向。此外，教師要將安全生產(chǎn)意識納人考核范疇，觀察學(xué)生在實操過程中是否嚴格遵守安全操作規(guī)程，如佩戴防護用具、規(guī)范操作設(shè)備、及時清理工作區(qū)域等，對于違反安全規(guī)定的行為給予扣分，以達到強化學(xué)生的安全責任意識的目的。

為達成綜合評定，教師要將虛擬操作評價與實際操作考核結(jié)果有機融合。一方面，依據(jù)課程目標與教學(xué)重點，合理分配虛擬與實際操作成績在總成績中的占比，例如對于基礎(chǔ)理論知識的應(yīng)用可側(cè)重虛擬操作評價，而對實際動手能力的考查則增加實際操作考核權(quán)重。另一方面，教師要從知識掌握、技能應(yīng)用、問題解決以及職業(yè)素養(yǎng)等多個維度進行綜合考量，如學(xué)生在虛擬與實際操作中對數(shù)控加工原理的理解、能否靈活運用所學(xué)技能解決加工中的復(fù)雜問題、在團隊協(xié)作完成項目時的溝通與協(xié)作能力等，通過全面且細致的評價，精準反映學(xué)生的學(xué)習成效，為后續(xù)教學(xué)調(diào)整與學(xué)生個性化指導(dǎo)提供有力依據(jù)，助力學(xué)生在“數(shù)控機床加工技術(shù)”學(xué)習中不斷成長，更好地適應(yīng)未來的崗位要求。

五、結(jié)束語

基于工作過程的“闖關(guān)式”虛擬實訓(xùn)體系，為“數(shù)控機床加工技術(shù)”的教學(xué)提供了創(chuàng)新的實踐路徑。通過虛擬仿真與實際操作的有機結(jié)合，該體系有效彌補了傳統(tǒng)教學(xué)模式在操作實踐和技能培養(yǎng)方面的不足。以任務(wù)驅(qū)動為核心的學(xué)習模式，不僅提高了學(xué)生的操作能力和編程水平，也增強了其在真實工作情境中解決問題的能力。同時，虛實結(jié)合的評價機制為精準衡量學(xué)生的學(xué)習成效提供了科學(xué)依據(jù)，使得教師能夠根據(jù)學(xué)生的學(xué)習進度和能力水平，靈活調(diào)整教學(xué)策略，確保個性化培養(yǎng)的實現(xiàn)。未來，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)和智能化設(shè)備的進一步發(fā)展，基于工作過程的實訓(xùn)體系有望進一步深化，推動數(shù)控技術(shù)教學(xué)的革新，為學(xué)生的職業(yè)發(fā)展和行業(yè)需求之間架起更加堅實的橋梁。

作者單位：徐風山江蘇省金壇中等專業(yè)學(xué)校

參考文獻

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