模 具 虛 擬 實(shí) 訓(xùn) 平 臺(tái) 構(gòu) 建

李金國(guó)， 林 康， 花丹紅

(臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 模具工程研究所，浙江 臺(tái)州 318000)

0 引 言

職業(yè)教育要“實(shí)行工學(xué)結(jié)合、校企合作、頂崗實(shí)習(xí)”，通過(guò)崗位實(shí)習(xí)以提高職業(yè)教育的人才培養(yǎng)質(zhì)量，其意義在于實(shí)現(xiàn)高職教育與職業(yè)崗位的無(wú)界化[1]。

要實(shí)行工學(xué)結(jié)合，必須要構(gòu)建相應(yīng)的實(shí)訓(xùn)基地，模擬企業(yè)真實(shí)工作環(huán)境設(shè)置實(shí)訓(xùn)崗位。然而，近幾年，由于高職院校招生人數(shù)的大幅度增加、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，難以構(gòu)建符合工學(xué)結(jié)合教學(xué)要求的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所，成為困擾高職院校推進(jìn)工學(xué)結(jié)合、提升人才培養(yǎng)質(zhì)量的新的普遍性難題[2-3]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是虛擬與現(xiàn)實(shí)的結(jié)合，它利用計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建出逼真的三維虛擬環(huán)境，可以使學(xué)生像在真實(shí)的環(huán)境中如游戲闖關(guān)一樣完成各種預(yù)定的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目[4]。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)方法，有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，讓每個(gè)學(xué)生參與動(dòng)手操作，從而達(dá)到預(yù)期教學(xué)目的。因此，構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的模具專業(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。

1 高職模具專業(yè)學(xué)生實(shí)訓(xùn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

當(dāng)前，雖然地方性高職院校充分利用地方產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，與地方企業(yè)開(kāi)展產(chǎn)學(xué)研合作，初步建立了校內(nèi)外實(shí)踐教學(xué)基地。但在教學(xué)手段和方法的改革上還處于探索階段，所以從教師和實(shí)訓(xùn)教學(xué)方面來(lái)看，還存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

(1) “雙師”素質(zhì)的教師缺乏。根據(jù)教育部2006年16號(hào)文件《關(guān)于全面提高高等職業(yè)教育教學(xué)質(zhì)量的若干意見(jiàn)》的精神，大量聘請(qǐng)行業(yè)企業(yè)的專業(yè)人才和能工巧匠到學(xué)校擔(dān)任兼職教師，目的在于提升培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)戰(zhàn)能力，但由于企業(yè)和學(xué)校教學(xué)的時(shí)間沖突，受到了一定的限制，兼職教師比例較低。各高校紛紛出臺(tái)相關(guān)政策來(lái)提升“雙師”素質(zhì)教師比例，如天津職業(yè)技術(shù)大學(xué)讓教師下企業(yè)實(shí)踐鍛煉至少3年才能評(píng)“雙師”型教師，并要求5年一周期。當(dāng)然也存在一些對(duì)“雙師”素質(zhì)教師理解的誤區(qū)，例如部分“雙師”素質(zhì)教師其實(shí)為“雙證”教師或“雙職稱”教師，這些教師缺乏在真實(shí)企業(yè)環(huán)境下工作的經(jīng)歷，其“雙師”素質(zhì)還是有待提高的[5-6]。

(2) 校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地缺乏職場(chǎng)化環(huán)境。當(dāng)前高職院校由于缺乏實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地、設(shè)備、經(jīng)費(fèi)、管理模式等條件，無(wú)法建立“校中廠-廠中?！钡膶?shí)訓(xùn)教學(xué)模式。往往是處于單一的實(shí)訓(xùn)室內(nèi)，學(xué)生無(wú)法經(jīng)歷職場(chǎng)化的訓(xùn)練，因此，也無(wú)法滿足學(xué)生實(shí)際崗位能力培養(yǎng)的要求，達(dá)到職業(yè)教育的人才培養(yǎng)目標(biāo)[7]。

(3) 校外實(shí)訓(xùn)基地的管理問(wèn)題。在校外實(shí)訓(xùn)基地，學(xué)生所處的工作環(huán)境是真實(shí)的職場(chǎng)環(huán)境，工作過(guò)程按職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范執(zhí)行，實(shí)訓(xùn)的項(xiàng)目也均是模具專業(yè)學(xué)生今后所從事的工作任務(wù)，在這樣的環(huán)境中，能真正地培養(yǎng)學(xué)生崗位素養(yǎng)和技能。但校外實(shí)訓(xùn)基地由于處于校外，學(xué)校對(duì)學(xué)生的管理比較難，容易引起教學(xué)和安全方面等問(wèn)題[8]。

上述種種情況，制約著高職教育的發(fā)展。由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的獨(dú)特感官真實(shí)性，可以彌補(bǔ)實(shí)踐教學(xué)的不足，縮小甚至消除學(xué)校與企業(yè)、教室與車間、學(xué)生與技師之間的距離，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的崗位與學(xué)校的課程之間的真正融合。

2 高職模具專業(yè)虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)構(gòu)建的基礎(chǔ)探索

虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于模具專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的基礎(chǔ)工作應(yīng)包括以下三個(gè)方面：

2.1 根據(jù)職業(yè)崗位制定虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)計(jì)劃

首先，應(yīng)該對(duì)模具企業(yè)進(jìn)行調(diào)研分析，掌握模具企業(yè)的人才需求，主要工作崗位群，分析崗位對(duì)入職的要求，明確培養(yǎng)目標(biāo)；其次，根據(jù)模具企業(yè)適合本專業(yè)畢業(yè)生所從事的工作崗位的典型工作任務(wù)，選擇和組織模具專業(yè)崗位化實(shí)訓(xùn)內(nèi)容；最后，對(duì)本專業(yè)畢業(yè)生進(jìn)行跟蹤調(diào)研，對(duì)比企業(yè)相關(guān)工作崗位的具體要求和本專業(yè)畢業(yè)生所具有的能力，調(diào)整模具專業(yè)崗位化實(shí)訓(xùn)教學(xué)方案，保證虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的教學(xué)內(nèi)容實(shí)用性[9]。

課題組通過(guò)對(duì)中國(guó)模具之鄉(xiāng)“黃巖”進(jìn)行了調(diào)查分析，目前模具設(shè)計(jì)與制造企業(yè)的崗位群如圖1所示。工作崗位的技能要求：

(1) 產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師。從事產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)，包括產(chǎn)品的數(shù)字化概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)，建立有效的產(chǎn)品三維模型，保證產(chǎn)品定義的準(zhǔn)確性與完整性；

(2) 模具設(shè)計(jì)工程師。首先應(yīng)具有一定的機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)理論水平，具備各類模具設(shè)計(jì)的專業(yè)知識(shí)，熟練使用二維和三維設(shè)計(jì)軟件，能進(jìn)行模具調(diào)試以及故障排查的能力。

(3) 模具制造工程師。了解模具基本結(jié)構(gòu)，熟知模具制造的相關(guān)設(shè)備，如銑床，磨床，電火花，線切割等的加工類型及精度，掌握模具制造的相關(guān)流程工藝，能夠熟練運(yùn)用數(shù)控編程軟件；

(4) 注射成型工藝師。能夠熟練操作注塑機(jī)，熟知各種通用注塑材料特性；懂得注塑機(jī)和模具的維護(hù)，并能解決注塑產(chǎn)品的常見(jiàn)成型問(wèn)題，如短射、熔接痕、色差、翹曲變形；有著較強(qiáng)的產(chǎn)品分析和改善能力，善于對(duì)注塑過(guò)程中出現(xiàn)的復(fù)雜性工程調(diào)機(jī)問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)和提高。

(5) 模具鉗工。應(yīng)具備的基本操作技能包括：劃線，鋸削，銼削，鉆孔，擴(kuò)孔，锪孔，鉸孔，攻螺紋，套螺紋，矯正和彎形，鉚接，刮削，研磨，裝配，調(diào)試，維修，尺寸測(cè)量；此外，模具鉗工主要工作是模具制造、修理、維護(hù)以及設(shè)變更新。還需掌握各種夾具、鉆具、量具的設(shè)計(jì)、制作與維護(hù)。

2.2 根據(jù)崗位要求開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景

逼真的虛擬實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景，能夠讓學(xué)生快速?gòu)脑瓉?lái)的學(xué)生角色轉(zhuǎn)換到工作角色，并明確自己的崗位職責(zé)和工作任務(wù)。因此，虛擬實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景的布置需要盡可能與企業(yè)真實(shí)的生產(chǎn)流程布置工作情景相似。以注塑成型制品生產(chǎn)流程為例，目前注塑成型制品的開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)流程如圖2所示。

這里的場(chǎng)景布置指的是虛擬軟件中的環(huán)境布置，并按企業(yè)化布置虛擬場(chǎng)景的空間和企業(yè)化配置設(shè)施，在這個(gè)環(huán)境中，教師承擔(dān)該崗位的上級(jí)主管，而學(xué)生的角色則是處于某個(gè)崗位上的職員。工作情景如圖3所示。

2.3 根據(jù)企業(yè)管理制度規(guī)范要求，進(jìn)行實(shí)訓(xùn)管理

在實(shí)訓(xùn)的過(guò)程中, 參照企業(yè)對(duì)該崗位員工的管理制度對(duì)學(xué)生進(jìn)行管理。當(dāng)然由于企業(yè)和學(xué)校在時(shí)間和人員配備等問(wèn)題上有所不同，管理制度難免會(huì)在實(shí)施和操作中不能很好地執(zhí)行, 因此，可以作一定的修改和調(diào)整, 保證實(shí)訓(xùn)管理的可操作性[10-11]。

2.4 組建高素質(zhì)、專業(yè)化的教師隊(duì)伍

教師是實(shí)訓(xùn)教學(xué)效能的主導(dǎo)者和教學(xué)活動(dòng)的具體實(shí)施者，教學(xué)的有效實(shí)施離不開(kāi)專業(yè)化強(qiáng)、綜合素質(zhì)高的教師。模具專業(yè)的虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)也離不開(kāi)掌握現(xiàn)代教學(xué)方法、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和嫻熟的專業(yè)技能的骨干教師。因此，教師的個(gè)體素質(zhì)要求較高[12]。

可以通過(guò)引進(jìn)企業(yè)技術(shù)人員來(lái)校從事教學(xué)工作，并開(kāi)展兼職教師培訓(xùn)工程，提升兼職教師的職業(yè)教育能力；選派專業(yè)教師到相關(guān)企業(yè)進(jìn)行鍛煉，參加技能培訓(xùn)和職業(yè)技能鑒定，提高了實(shí)踐能力；選派具備一定技術(shù)服務(wù)能力的專業(yè)教師，為企業(yè)提供技術(shù)咨詢、培訓(xùn)和技術(shù)服務(wù)[13-14]。使專任教師和合作企業(yè)里的師傅“雙向兼職”、“雙崗雙責(zé)”，經(jīng)常處于學(xué)校和企業(yè)“兩棲”狀態(tài)，切實(shí)提高教師的職業(yè)實(shí)踐能力和兼職教師的職業(yè)教育能力。

3 高職模具專業(yè)虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的構(gòu)建

模具實(shí)訓(xùn)虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的虛擬場(chǎng)景應(yīng)與崗位環(huán)境情景相符，每個(gè)崗位的工作任務(wù)及其素質(zhì)要求應(yīng)符合模具企業(yè)實(shí)際要求，能夠逼真的反映工作崗位內(nèi)容。并邀請(qǐng)企業(yè)專業(yè)技術(shù)人員共同參與虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，使虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)與企業(yè)崗位無(wú)界化。

根據(jù)上述的模具專業(yè)的崗位技能特點(diǎn)和職責(zé)，構(gòu)建支持模具產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)與制造平臺(tái)的系統(tǒng)框架，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為5部分，分別為界面層、管理層、功能層、數(shù)據(jù)層和支持層[15-16]，如圖4所示。

模具專業(yè)虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)框架分為5層，各層功能如下。

3.1 界面層

界面層是實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的交互界面，通過(guò)界面層接口實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，并于與系統(tǒng)平臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。交互的數(shù)據(jù)文件類型可以是文本文件、圖形文件、數(shù)據(jù)手套、頭盔式顯示器以及視頻跟蹤系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件等，通過(guò)多種形式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與不同用戶實(shí)現(xiàn)不同方式交互的目的。

3.2 管理層

采用分布式對(duì)象標(biāo)準(zhǔn)CORBA和組件等技術(shù)，全面管理虛擬實(shí)訓(xùn)的全過(guò)程。主要管理功能如圖5所示。

圖4 模具專業(yè)虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的基本框架

3.3 功能層

功能層是平臺(tái)的核心，包含支持產(chǎn)品的虛擬開(kāi)發(fā)、模具的虛擬設(shè)計(jì)、虛擬裝配、虛擬注塑成型仿真各階段的應(yīng)用模塊，為實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程提供從產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)、概念設(shè)計(jì)、數(shù)字建模到虛擬注塑成型建模、基于物理的虛擬注塑設(shè)備建模及仿真分析試驗(yàn)各階段的應(yīng)用功能，這些模塊通過(guò)同一的用戶界面與用戶交流。

3.4 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層用于存儲(chǔ)支撐平臺(tái)運(yùn)行各種數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)層包括算法庫(kù)、用戶信息庫(kù)、模型庫(kù)。各庫(kù)為模具虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)提供數(shù)據(jù)支持，其中算法庫(kù)包含了實(shí)現(xiàn)各功能所采用的算法模型；模型庫(kù)包含平臺(tái)所需要的所有的幾何模型以及相對(duì)應(yīng)的仿真模型；用戶信息庫(kù)包含教師和學(xué)生信息、考核成績(jī)查詢等。

3.5 支持層

支持層主要是硬件設(shè)施，由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器和虛擬現(xiàn)實(shí)外設(shè)等組成，為平臺(tái)的功能實(shí)現(xiàn)提供數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)通信和虛擬交互等。在Windows操作系統(tǒng)上配置虛擬模具設(shè)計(jì)的各種功能。

4 虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)施案例

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的模具專業(yè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，課題組根據(jù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)框架已初步構(gòu)建了模具專業(yè)學(xué)生虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，模具三維虛擬裝配，如圖6所示。

圖6 模具設(shè)計(jì)與制造虛擬裝配平臺(tái)

圖7 模具設(shè)計(jì)與裝配

學(xué)生在虛擬裝配實(shí)訓(xùn)平臺(tái)內(nèi)，先擇虛擬裝配技能崗位，閱讀崗位職責(zé)，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，從而獲取技能與知識(shí)。實(shí)訓(xùn)平臺(tái)向?qū)W生提供觀察實(shí)訓(xùn)過(guò)程的視頻窗口、圖文并茂的實(shí)訓(xùn)設(shè)備知識(shí)、豐富多彩的實(shí)訓(xùn)相關(guān)資料，操作靈活的實(shí)訓(xùn)交互過(guò)程，無(wú)需教師在場(chǎng)，學(xué)生就可以通過(guò)自己的努力完成各項(xiàng)內(nèi)容，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。

以圖7的肥皂盒產(chǎn)品的模具設(shè)計(jì)為例。學(xué)生進(jìn)入虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)后，首先選擇自己的工作崗位為模具設(shè)計(jì)工程師，接著系統(tǒng)將給出不同類型的塑件。此時(shí)學(xué)生可選擇肥皂盒，系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)入模具設(shè)計(jì)頁(yè)面，根據(jù)肥皂盒的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和精度要求，進(jìn)行型腔數(shù)的確定，獲得型腔和凸模，之后進(jìn)入模具零件的組裝、干涉檢驗(yàn)和試模，直至合理的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成。當(dāng)然系統(tǒng)也會(huì)給出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，供學(xué)生參考。

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)模具專業(yè)崗位素質(zhì)和技能的要求，合理構(gòu)建虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，讓學(xué)生沉浸于闖關(guān)式的實(shí)訓(xùn)游戲中，添加了實(shí)訓(xùn)樂(lè)趣，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，同時(shí)也彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的校內(nèi)、校外實(shí)訓(xùn)基地模式的不足。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬實(shí)訓(xùn)將會(huì)不斷得到完善，成為實(shí)訓(xùn)教學(xué)不可或缺的現(xiàn)代化教學(xué)工具。

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