基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)械制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的構(gòu)建研究*

應(yīng)一幟，應(yīng)一輝

（1.臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電學(xué)院 浙江臺(tái)州 318000；2.仙居縣教師進(jìn)修學(xué)校,浙江 仙居 317300）

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)械制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的構(gòu)建研究*

應(yīng)一幟1，應(yīng)一輝2

（1.臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電學(xué)院 浙江臺(tái)州 318000；2.仙居縣教師進(jìn)修學(xué)校,浙江 仙居 317300）

企業(yè)需要的是職業(yè)素養(yǎng)高、工作能力強(qiáng)的職業(yè)人，而高?，F(xiàn)有的教學(xué)條件無(wú)法滿足職場(chǎng)模式的實(shí)訓(xùn)。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建機(jī)械制造虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，學(xué)生通過(guò)完全沉浸式的職業(yè)角色扮演，可以真實(shí)地體驗(yàn)工作步驟、工作內(nèi)容。學(xué)生在完成工作任務(wù)過(guò)程中學(xué)習(xí)了相關(guān)知識(shí)和技能。虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)提升了機(jī)械制造專業(yè)學(xué)生的工作能力和職業(yè)素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)訓(xùn)教學(xué)與職業(yè)崗位的無(wú)界化。

虛擬現(xiàn)實(shí)；實(shí)訓(xùn)平臺(tái)；職業(yè)角色扮演；無(wú)界化

近幾年，由于高職院校招生人數(shù)大幅度增加、實(shí)踐教學(xué)經(jīng)費(fèi)缺乏、實(shí)訓(xùn)設(shè)備陳舊落后，以及真正建立企業(yè)實(shí)習(xí)基地難度大等原因，學(xué)生實(shí)訓(xùn)教學(xué)難已經(jīng)成為長(zhǎng)期困擾高職院校實(shí)踐教學(xué)的普遍性問(wèn)題。運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開展實(shí)訓(xùn)教學(xué)有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，給每個(gè)學(xué)生提供在虛擬崗位中的動(dòng)手操作機(jī)會(huì)，從而達(dá)到預(yù)期教學(xué)目的。因此，構(gòu)建基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)械制造專業(yè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)型崗位和相應(yīng)的崗位場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)與職業(yè)崗位的無(wú)界化是非常有意義的。

一、機(jī)械制造實(shí)訓(xùn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

當(dāng)前大部分高職院校都建立了校內(nèi)外實(shí)訓(xùn)基地，但從實(shí)訓(xùn)教學(xué)方面來(lái)看，還存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）建一個(gè)機(jī)械制造實(shí)訓(xùn)基地需要造廠房、買設(shè)備、配置人員等，開支巨大，并且學(xué)生的實(shí)訓(xùn)成本極高，如刀具、材料的大量損耗及設(shè)備損壞折舊等。[1]

（2）校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基本上是某一工種的操作訓(xùn)練，企業(yè)生產(chǎn)中的“質(zhì)量、成本、交期”要求無(wú)法體現(xiàn)，學(xué)生在實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所體驗(yàn)不到真實(shí)的企業(yè)工作氛圍。[2]

（3）部分學(xué)校使用仿真軟件代替真實(shí)設(shè)備，但當(dāng)前流行的數(shù)控仿真軟件如宇龍、宇航、菲克等能模擬機(jī)床操作面板，能驗(yàn)證數(shù)控程序，能加工出零件大致輪廓，同時(shí)也存在幾大缺陷：加工工藝性差，如工藝方案的優(yōu)劣對(duì)加工結(jié)果的影響看不出，零件的尺寸精度和形位公差無(wú)法測(cè)量；無(wú)法切身感知車間現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，如刀具磨損時(shí)的聲音異常，操作不規(guī)范導(dǎo)致的各種安全問(wèn)題等。學(xué)生在使用模擬軟件后對(duì)技術(shù)、工藝的掌握還很膚淺。

（4）校外實(shí)訓(xùn)學(xué)生僅參與某個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，并未完整經(jīng)歷職業(yè)崗位的各個(gè)工作步驟；企業(yè)首先要完成的是生產(chǎn)任務(wù)，而不重視培養(yǎng)學(xué)生，學(xué)生實(shí)習(xí)效果受到很大的影響。[3]

（5）教師的企業(yè)經(jīng)歷較少，基本上只能指導(dǎo)學(xué)生操作練習(xí)，培養(yǎng)不了企業(yè)真正需要的高技能人才，其“雙師”素質(zhì)有待提高。

二、虛擬制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)構(gòu)建的基礎(chǔ)探索

1.根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查確定機(jī)械制造職業(yè)崗位群

本項(xiàng)目組首先組織開展了機(jī)械制造職業(yè)崗位群的市場(chǎng)調(diào)研，而機(jī)械制造職業(yè)崗位往往從屬于汽摩配、家用電器、服裝機(jī)械、機(jī)床設(shè)備、模具制造等行業(yè)，通過(guò)對(duì)上述行業(yè)上百家各類規(guī)模企業(yè)的實(shí)地調(diào)研，并在多位企業(yè)實(shí)踐專家的協(xié)助下對(duì)調(diào)研結(jié)果進(jìn)行了歸納分析，最后確定了以下幾個(gè)職業(yè)崗位：普機(jī)操作工、數(shù)控操作工、檢驗(yàn)員、工藝員。

2.根據(jù)崗位要求布置虛擬實(shí)訓(xùn)情境

虛擬實(shí)訓(xùn)的目的是讓學(xué)生在模擬真實(shí)的職業(yè)環(huán)境下鍛煉成一名準(zhǔn)職業(yè)人，所以我們?cè)诓贾脤?shí)訓(xùn)場(chǎng)景時(shí)首先要滿足工作環(huán)境的真實(shí)性和工作過(guò)程的完整性。這里的環(huán)境布置指的是軟件環(huán)境，虛擬環(huán)境的空間布置和設(shè)施配置企業(yè)化，將學(xué)生的角色設(shè)為某個(gè)企業(yè)某個(gè)崗位的職員，以該職業(yè)崗位的工作步驟為依據(jù)編排虛擬實(shí)訓(xùn)步驟。如操作工的工作步驟包括生產(chǎn)準(zhǔn)備、生產(chǎn)過(guò)程、生產(chǎn)結(jié)束三個(gè)階段的工作內(nèi)容，具體內(nèi)容如圖1所示。

數(shù)字化工廠的技術(shù)目的是利用IT技術(shù)統(tǒng)一管理原材料、設(shè)備、工廠（面積）和生產(chǎn)流程。[4]而我們的虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的技術(shù)目的是模擬各工作崗位的工作步驟，并在工作過(guò)程中學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。

3.各工作步驟中穿插了大量輔助學(xué)習(xí)內(nèi)容

我們的虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)并不是一個(gè)單一的數(shù)字化工廠，它既是一個(gè)虛擬工作平臺(tái)，又是一個(gè)學(xué)習(xí)平臺(tái)。企業(yè)里的工人或技術(shù)人員需要系統(tǒng)培訓(xùn)后才能完成一項(xiàng)較復(fù)雜的工作。同樣，要完成虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的各項(xiàng)工作任務(wù)，也需要系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)。學(xué)習(xí)內(nèi)容主要包括各具體工作步驟的示范指導(dǎo)和相關(guān)知識(shí)相關(guān)技能的拓展學(xué)習(xí)兩類。工作步驟的示范指導(dǎo)采用圖文視頻結(jié)合的方式展示，部分采用了交互軟件。相關(guān)知識(shí)的拓展采取引導(dǎo)文的形式，告訴學(xué)生查找相關(guān)資料的路徑，而不是直接把答案告訴學(xué)生。這樣學(xué)生在虛擬實(shí)訓(xùn)中并不是簡(jiǎn)單地模仿操作，更多的是培養(yǎng)了自學(xué)能力和解決問(wèn)題的能力，學(xué)習(xí)到了工作過(guò)程系統(tǒng)化的知識(shí)。

三、虛擬制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

虛擬制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的開發(fā)應(yīng)與相關(guān)職業(yè)崗位的工作情境相符，逼真地反應(yīng)工作內(nèi)容。同時(shí)又要有輔助學(xué)習(xí)的功能，是一個(gè)助學(xué)的平臺(tái)?；谝陨险J(rèn)識(shí)提出了支持虛擬制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的系統(tǒng)框架，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層、Web層、用戶層4部分組成，如圖2所示。

虛擬制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的框架結(jié)構(gòu)分為四層。（1）數(shù)據(jù)層用于存儲(chǔ)支撐實(shí)訓(xùn)平臺(tái)運(yùn)行的各種數(shù)據(jù)，如零件庫(kù)、刀具庫(kù)、設(shè)備庫(kù)和用戶信息等。數(shù)據(jù)層為實(shí)訓(xùn)管理和應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。在實(shí)訓(xùn)平臺(tái)系統(tǒng)中，提供數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)功能。通過(guò)這些應(yīng)用程序接口，上層系統(tǒng)可以訪問(wèn)到實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的各種數(shù)據(jù)。[5]（2）業(yè)務(wù)邏輯層是實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的核心，所有與Web信息相關(guān)的業(yè)務(wù)邏輯都在這一層實(shí)現(xiàn)。業(yè)務(wù)邏輯層是由一系列功能執(zhí)行部件組成的，涵蓋了實(shí)訓(xùn)平臺(tái)所設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、加工仿真、產(chǎn)品裝配拆卸、用戶管理、系統(tǒng)管理等主要業(yè)務(wù)功能。（3）Web層由Web服務(wù)器和Web容器組成，Web容器包含 JSP、HTML、Applet等功能組件。[6]這些功能組件主要用于描述客戶端瀏覽器的內(nèi)容顯示方式。Web層負(fù)責(zé)接受用戶的信息服務(wù)請(qǐng)求，轉(zhuǎn)遞給業(yè)務(wù)邏輯層，并將響應(yīng)的結(jié)果返回給用戶，即通過(guò)Web瀏覽器向用戶顯示結(jié)果。（4）用戶層負(fù)責(zé)與用戶的交互。它的功能是提交用戶請(qǐng)求，并顯示服務(wù)器的處理結(jié)果。在具體應(yīng)用中，可以根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境提供相應(yīng)的交互方式：一種是通過(guò)瀏覽器；另一種是通過(guò)應(yīng)用程序，跨越Web層，與業(yè)務(wù)邏輯層直接交互。

四、虛擬制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的實(shí)施案例

學(xué)生在虛擬制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)內(nèi)，先選擇相應(yīng)的職業(yè)崗位，閱讀崗位職責(zé)，初步了解工作步驟。進(jìn)入虛擬空間后，根據(jù)職責(zé)完成目標(biāo)崗位的全部工作步驟。如無(wú)法完成某工作步驟，可以打開視頻窗口學(xué)習(xí)，如需進(jìn)一步學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)可以打開知識(shí)導(dǎo)航，引導(dǎo)你學(xué)習(xí)相關(guān)的技術(shù)資料。在虛擬制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)內(nèi)學(xué)生邊工作邊學(xué)習(xí)，無(wú)需教師在場(chǎng)，就可以通過(guò)自己的努力完成各項(xiàng)工作任務(wù)，并充分利用實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的導(dǎo)航、自測(cè)與自評(píng)的助學(xué)功能，達(dá)到崗位職責(zé)的要求，實(shí)現(xiàn)職業(yè)教育與工作崗位的無(wú)界化。

下面以數(shù)控操作工的虛擬實(shí)訓(xùn)為例，第一步是熟悉工作環(huán)境和工作內(nèi)容。學(xué)生可以在機(jī)械加工車間參觀漫游，具體能夠?qū)崿F(xiàn)：指定路徑的漫游動(dòng)畫顯示、不同視點(diǎn)的3D模型觀察、機(jī)床設(shè)備、刀具、工裝、零件等模型的整體和局部觀察等。如圖3所示。

第二步是生產(chǎn)準(zhǔn)備階段，包括：①領(lǐng)用圖紙、工藝卡；②根據(jù)工單任務(wù)領(lǐng)料；③工裝庫(kù)借本道工序夾具、刀具；④上夾具調(diào)試。以上幾步都是嚴(yán)格按照機(jī)械制造企業(yè)數(shù)控機(jī)床操作工的真實(shí)工作準(zhǔn)備步驟來(lái)編排，學(xué)生能學(xué)習(xí)到去什么部門領(lǐng)取相關(guān)工作資料、工具，需辦理什么手續(xù)，也能學(xué)到零件加工前怎么調(diào)試工裝夾具等。如圖4所示。

第三步是生產(chǎn)階段，包括：①互檢，檢測(cè)上一道工序半成品的精度是否符合要求；②首件加工；③首件加工后的首檢，包括自檢、班組長(zhǎng)、檢驗(yàn)員檢，檢驗(yàn)合格后可以正式開始生產(chǎn)；④“三按”生產(chǎn)，即嚴(yán)格按圖紙、按標(biāo)準(zhǔn)、按工藝的要求正式生產(chǎn)；⑤自檢、互檢，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題向班組長(zhǎng)及時(shí)報(bào)告并注意工件防護(hù)、現(xiàn)場(chǎng)6S、設(shè)備維護(hù)、安全操作規(guī)定等，批量生產(chǎn)完成后需辦理轉(zhuǎn)序手續(xù)，在工序流程卡上登記記錄。

零件加工仿真模塊界面如圖5所示，動(dòng)畫區(qū)主要分為工件區(qū)和機(jī)床設(shè)備區(qū)，分別仿真刀路和機(jī)床動(dòng)作。系統(tǒng)菜單主要有文件、視圖、分析等，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目旖莅粹o。制作典型零件加工仿真，包括毛坯定義、材料定義、工裝定義、刀具定義和機(jī)床選擇。

第四步是生產(chǎn)結(jié)束階段，包括零件入庫(kù)、交回工藝和圖紙、清掃場(chǎng)地、潤(rùn)滑機(jī)床并完成“三保”中的“一?！薄?/p>

五、結(jié)束語(yǔ)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬實(shí)訓(xùn)與傳統(tǒng)的校內(nèi)外實(shí)訓(xùn)模式相比有著自身的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。它能全真模擬職業(yè)工種的工作環(huán)境、工作步驟和工作內(nèi)容，學(xué)生通過(guò)完全沉浸式的職業(yè)角色扮演，真實(shí)地體驗(yàn)各個(gè)職業(yè)崗位，熟悉了工作步驟、工作內(nèi)容，并能學(xué)習(xí)訓(xùn)練相關(guān)工作技能。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械制造實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用,不但提升了本專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的現(xiàn)代化水平,大大改善了教學(xué)條件，也為實(shí)現(xiàn)職業(yè)教育與工作崗位“零對(duì)接”提供了有力的保障。☉

[1]王艷戎,張遠(yuǎn)輝.高職機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)中心建設(shè)探索[J].職業(yè)教育研究,2011（7）:154-155.

[2]黃敏玲.高職院校校內(nèi)實(shí)訓(xùn)教學(xué)存在的問(wèn)題及對(duì)策探討[J].高教論壇,2011（10）:127-128.

[3]易洪雷.基于校企合作聯(lián)盟模式的校外實(shí)習(xí)基地建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011（4）：140-142.

[4]徐富亮.虛擬車間的研究、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2009.

[5]郝理想.基于虛擬仿真的生產(chǎn)車間布局設(shè)計(jì)方法研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2006.

[6]許丹.虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)相關(guān)技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].國(guó)防科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007.

（編輯：金冉）

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1673-8454（2012）09-0046-03

浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2010R30037；浙江省教科規(guī)劃課題，項(xiàng)目編號(hào)：SCG493；浙江省教育廳新世紀(jì)教改項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：YB09124。