AR技術(shù)在高職數(shù)控機床及應(yīng)用技術(shù)課程中的應(yīng)用與實踐

耿曉偉

摘要：目前該校五年制高職數(shù)控專業(yè)課程普遍存在教學(xué)效果不高，學(xué)生學(xué)習(xí)信心不足等情況。該文研究將AR技術(shù)融合到數(shù)控機床及應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)中，針對理論教學(xué)和實踐教學(xué)兩個方面進行了具體論述，并在此基礎(chǔ)上提出了今后的改進方向。

關(guān)鍵詞：AR技術(shù);高職教育;數(shù)控機床

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）15-0194-03

1 背景

1.1 數(shù)控機床及應(yīng)用技術(shù)課程特點

數(shù)控機床及應(yīng)用技術(shù)是全日制高職數(shù)控和機電專業(yè)的一門必修課，也是實踐性要求很高的課程，其中理論課時30，實踐課時48。該課程對于培養(yǎng)學(xué)生理解數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)、電氣結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)數(shù)控機床的操作與編程、熟悉數(shù)控加工工藝具有十分重要的作用。傳統(tǒng)的面授教學(xué)中，理論教學(xué)與實踐教學(xué)分開完成，學(xué)生在理論教學(xué)中學(xué)習(xí)到的內(nèi)容無法馬上應(yīng)用到實踐中，導(dǎo)致學(xué)生的理論水平和實操水平無法達到很好的提升[1-2]。

1.2 AR技術(shù)概述

現(xiàn)實增強技術(shù)（Augmented Reality，以下簡稱AR技術(shù)）是一種實時地將計算機所產(chǎn)生的圖像信息疊加在真實世界，利用傳感技術(shù)和顯示設(shè)備將虛擬圖像信息和真實世界呈現(xiàn)在一個畫面或空間而同時存在的顯示技術(shù)。這種技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的延伸，在基于增強現(xiàn)實這門高新技術(shù)給傳統(tǒng)的教學(xué)提供了新的多樣化的傳授知識的手段，為學(xué)習(xí)者提供一個更加真實有效的自主學(xué)習(xí)研究的環(huán)境[3-4]。當(dāng)前教育環(huán)境下越來越重視學(xué)生實踐能力，在枯燥難懂的大量知識面前讓很多學(xué)生對此失去了興趣，課堂教學(xué)通過實踐教學(xué)形式，而已使學(xué)生自己動手模擬操作或者使用手勢與計算機交互，使得操作實踐不再枯燥，操作結(jié)果也一目了然[5]。隨著AR技術(shù)對硬件要求的大大降低，手機、攝像頭等工具就可以達到目的，因此AR技術(shù)在教育領(lǐng)域具有很大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用空間。

2 目前數(shù)控機床及應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)中存在的問題

我校五年制高職數(shù)控專業(yè)數(shù)控機床及應(yīng)用技術(shù)課程的教學(xué)分為課堂理論教學(xué)和實踐教學(xué)兩部分，主要存在以下問題：

2.1 理論內(nèi)容難度大，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低

數(shù)控機床及應(yīng)用技術(shù)課程的課堂理論教學(xué)主要包括數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)、數(shù)控機床的編程四個部分，難度較大。目前的課堂教學(xué)主要采用PPT和視頻、動畫相結(jié)合的模式進行，這種教學(xué)模式適合具體零件的學(xué)習(xí)。例如數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)內(nèi)容中的軸承配置方式。但是學(xué)生需要掌握的是整個主傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，需要整體性，大部分學(xué)生缺乏想象力和整體架構(gòu)概念，無法將已學(xué)習(xí)過的內(nèi)容進行整合。再例如數(shù)控車床的自動換刀裝置，圖1所示為數(shù)控車床的四工位刀架結(jié)構(gòu)圖。這種刀架是最簡單的自動換刀裝置。但是，課堂教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，由于大部分學(xué)生機械制圖能力有限，無法理解該刀架結(jié)構(gòu)圖，產(chǎn)生了畏難情緒，無法提升學(xué)習(xí)興趣，教師很難更進一步的講解理論內(nèi)容，也導(dǎo)致學(xué)生的理論知識水平降低。

2.2 理論與實踐不能相輔相成，無法培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力

目前我校五年制高職數(shù)控專業(yè)數(shù)控機床及應(yīng)用技術(shù)課程的理論教學(xué)在多媒體教室進行，實踐教學(xué)在實訓(xùn)基地完成。當(dāng)理論教學(xué)全部完成后，學(xué)生去實訓(xùn)基地集中完成實踐教學(xué)。這導(dǎo)致了理論教學(xué)與實踐教學(xué)的脫離。以數(shù)控機床的編程教學(xué)為例，課堂的理論教學(xué)中，教師系統(tǒng)性地講解常見數(shù)控系統(tǒng)的編程，學(xué)生學(xué)習(xí)并練習(xí)。但是該階段僅限于理論學(xué)習(xí)，學(xué)生完成的編程無法到機床上進行模擬驗證，只能通過教師的講解了解程序編制的正確與否，無法實現(xiàn)自主學(xué)習(xí)。而且這種學(xué)習(xí)方式最直接的結(jié)果是內(nèi)容學(xué)習(xí)完后，部分學(xué)生會忘記編程，因此導(dǎo)致實踐教學(xué)時，教師還需要再重復(fù)講解，降低了教學(xué)效果。

2.3 實踐教學(xué)效率低

目前我校數(shù)控機床及應(yīng)用技術(shù)課程的實踐教學(xué)過程，教師首先演示數(shù)控機床的操作的過程，然后學(xué)生自行練習(xí)。練習(xí)過程中，教師需要不斷指導(dǎo)，或者再次演示。這樣的教學(xué)方式完全以教師為主體，不僅大大降低了實踐教學(xué)的效率，也無法提升學(xué)生的操作技能。

3 AR技術(shù)在數(shù)控機床及應(yīng)用技術(shù)課程中的實際應(yīng)用

針對目前我校五年制高職數(shù)控專業(yè)數(shù)控機床及應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)中出現(xiàn)的問題，本次研究借助“視+AR”軟件，利用該App創(chuàng)建課程內(nèi)容素材，例如視頻等，將課程教學(xué)中容易出現(xiàn)的主要問題以及課程教學(xué)的重難點預(yù)先錄制相應(yīng)的解決方案[3]。

3.1 理論教學(xué)中的應(yīng)用

以加工中心的主軸部件內(nèi)容為例。圖1是主軸部件的裝配圖。這種裝配圖對于學(xué)生而言難度是很大的。教師首先完成主軸部件的三維建模，如圖2所示。然后借助“視+AR”軟件，構(gòu)建模型，學(xué)生在手機上安裝“視+AR”App后，通過掃描數(shù)控機床的主軸，就能觀看主軸部件的視頻。例如主軸部件中的刀具自動裝卸結(jié)構(gòu)，如圖3、圖4所示。視頻中會顯示模塊結(jié)構(gòu)名稱、組成零件結(jié)構(gòu)名稱以及該模塊的組裝、拆卸過程。如圖4中所顯示的刀架、拉釘、鋼球、拉桿等。學(xué)生根據(jù)自己掌握知識的具體情況，對于自己不熟悉的模塊可以反復(fù)觀看，并結(jié)合裝配圖，加深印象。這樣的方式能夠身臨其境地“真實”感受機床的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不僅降低了學(xué)習(xí)難度，提升了學(xué)習(xí)興趣，同時幫助學(xué)生實現(xiàn)了自主學(xué)習(xí)，不再完全依賴教師。

3.2 實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

針對前期學(xué)生不了解數(shù)控機床的操作面板的問題，教師將基礎(chǔ)操作內(nèi)容制作成教程，包括機床操作面板和系統(tǒng)操作面板。具體內(nèi)容有：機床操作方式的含義及選擇、程序的操作（新建、編輯、刪除、查找）、坐標(biāo)系的選擇、刀補的設(shè)定、程序的模擬加工。學(xué)生利用手機App掃描數(shù)控機床的操作面板就能觀看操作視頻，并自己在數(shù)控機床上進行實操。學(xué)生就可以自主學(xué)習(xí)，自己掌握學(xué)習(xí)進度，教師不再是教學(xué)的主體，只需要輔助學(xué)生。教師可以通過考核來了解學(xué)生的實際掌握情況，并把控實訓(xùn)教學(xué)的進度和難度。實訓(xùn)教學(xué)中的大部分由學(xué)生實操完成，大大提高了學(xué)生實際操作機床的能力。

圖5所示零件圖中包括外輪廓、槽兩種類型，并要用到旋轉(zhuǎn)指令。學(xué)生在完成該零件程序的過程中，主要出錯點包括：1）部分制圖基礎(chǔ)較差的學(xué)生，分不清凸臺和凹槽;2）當(dāng)零件圖中出現(xiàn)多個深度不同，但類型相同的形狀時，比如圖中5的兩個型腔，學(xué)生分析圖紙時，會混淆深度，導(dǎo)致零件加工錯誤;3）當(dāng)需要多把刀具進行加工時，會混淆刀具的選擇。例如圖5加工中，共需要4把刀具，不旋轉(zhuǎn)型腔需要利用Ф10的鍵槽刀加工，部分學(xué)生會用同一把刀加工兩個型腔，導(dǎo)致加工零件報廢。針對學(xué)生讀圖能力低，看不懂圖紙的問題，教師首先完成圖紙的三維模型，并添加加工思路等相關(guān)信息，例如零件的類型、刀具的選擇、切削參數(shù)的選擇、加工路線等。然后借助AR軟件建立三維實體模型，學(xué)生通過手機App掃描圖紙就能獲得加工信息，從而自主完成零件的加工過程。如圖5中所示。

學(xué)生在編程中出現(xiàn)的問題，主要包括：1）增量編程和絕對編程的區(qū)別。例如子程序編程時，需要用到增量編程，大部分學(xué)生理解起來有難度。又或者是會有學(xué)生聽老師講解時能聽懂，但自己編程時就不會了的現(xiàn)象發(fā)生;2）當(dāng)零件圖中出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)圖形時，不知道如何判別旋轉(zhuǎn)角度，例如圖5中的旋轉(zhuǎn)型腔;3）編程時思路混亂，例如什么時候建立刀具長度補償和半徑補償，建立刀具半徑補償時容易混淆左右、取消刀具長度補償容易遺漏等。針對這些常見問題，教師可以事先制作范例Flash教程，將編制程序的過程模式化、簡單化，學(xué)生通過觀看視頻就可以掌握編程的基礎(chǔ)思路[3]。當(dāng)學(xué)生充分掌握基礎(chǔ)思路后，再逐步增加零件圖紙難度，幫助和啟發(fā)學(xué)生一步步拓展編程思路。

4 目前融合AR技術(shù)后的課程教學(xué)效果與思考

目前我校五年制高職數(shù)控專業(yè)數(shù)控機床及應(yīng)用技術(shù)課程融合AR技術(shù)的教學(xué)主要是觀察和體驗，例如通過演示數(shù)控機床內(nèi)部結(jié)構(gòu)來幫助學(xué)生更好地獲取知識和理解知識。AR技術(shù)的融合幫助學(xué)生實現(xiàn)了自主學(xué)習(xí)，教師從“教”的角色變?yōu)椤皫汀钡慕巧?，實現(xiàn)了以學(xué)生為主體的教學(xué)模式。AR技術(shù)的融合，產(chǎn)生的即時性和沉浸感讓學(xué)生很快進入不同角色進行參與式學(xué)習(xí)，提供只有在現(xiàn)實生活中才有的真實經(jīng)驗，產(chǎn)生了新的行為與認知的形式。另一方面，AR技術(shù)的融合，降低了課程學(xué)習(xí)難度，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，給學(xué)生創(chuàng)造了輕松的學(xué)習(xí)環(huán)境。但是AR技術(shù)的使用也帶來了負面的效果，在一定程度上給學(xué)生提供了偷懶、不動腦子的機會。例如，編制零件程時，通過掃描圖形就能獲得零件圖形的基本信息，即使看不懂圖紙也不要緊，這就有違編程教學(xué)的初衷，也打破了專業(yè)課程的連貫性。如何揚長避短，是今后需要思考解決的問題。

另外，課程中融合AR技術(shù)，對教師的信息化素養(yǎng)提出了較高的要求，由于技術(shù)水平的限制，課程中只有部分內(nèi)容實現(xiàn)了與AR技術(shù)的融合，還有大部分內(nèi)容沒有實現(xiàn)，比如數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)等。如何將整個教學(xué)內(nèi)容融合AR技術(shù)，這是今后需要長期堅持和努力的方向。

參考文獻：

[1] 張菊芳，王海燕.增強現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及對策研究[J].數(shù)字教育，2018，4（5）：60-65.

[2] 劉立云，李春燕，趙慧勤.增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)在教育中的應(yīng)用案例研究[J].中國教育信息化，2017（17）：19-22.

[3] 彭志強，譚偉林.增強現(xiàn)實技術(shù)在數(shù)控加工實訓(xùn)中的應(yīng)用與實踐[J].青春歲月，2017（35）：262.

[4] 周森，尹邦滿.增強現(xiàn)實技術(shù)及其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展機遇[J].電化教育研究，2017，38（3）：86-93.

[5] 王健，寇宏.基于增強現(xiàn)實技術(shù)下的高校未來課堂形式探究[J].軟件導(dǎo)刊（教育技術(shù)），2018，17（2）：91-93.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】