基于虛擬仿真技術(shù)的數(shù)控職業(yè)技能培訓(xùn)教學(xué)模式探討及實踐

劉智飛 馬少華

【摘 要】對高等院校工科在校生結(jié)合專業(yè)特色進(jìn)行數(shù)控加工技術(shù)的職業(yè)技能培訓(xùn)，以及技能鑒定考核成為當(dāng)前非常迫切、非常重要的工程實訓(xùn)工作。本文分析了數(shù)控技能考核的教學(xué)模式及發(fā)展趨勢，以及虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用教學(xué)實踐，指出了數(shù)控實訓(xùn)中引入仿真技術(shù)的諸多優(yōu)勢，以及數(shù)控技能培訓(xùn)的教學(xué)技術(shù)重點(diǎn)、難點(diǎn)，提出兼顧專業(yè)特色以傳統(tǒng)數(shù)控實訓(xùn)教學(xué)為主，仿真數(shù)控實訓(xùn)為輔的綜合性數(shù)控技能鑒定教學(xué)方案，并根據(jù)自身的教學(xué)實踐提出了解決建議。

【關(guān)鍵詞】職業(yè)技能鑒定；數(shù)控技術(shù)；雙證制

中圖分類號： TG519.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）27-0100-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.27.044

目前，高等院校工科專業(yè)工程技術(shù)實踐教育正處在不斷變革、不斷推進(jìn)的時期。各高校大力開展工程實踐教育改革以培養(yǎng)工程素質(zhì)高、學(xué)科知識厚、職業(yè)適應(yīng)廣、創(chuàng)新能力強(qiáng)的現(xiàn)代工程實踐技術(shù)人才。在數(shù)控技術(shù)方面， 如何作好數(shù)控技術(shù)實習(xí)、實訓(xùn)教學(xué)，以適應(yīng)相關(guān)工科專業(yè)本科生技術(shù)取證、創(chuàng)新的需要，把現(xiàn)代加工技術(shù)工程訓(xùn)練真正發(fā)展成為專業(yè)性職業(yè)技能培訓(xùn)，這是我們應(yīng)該認(rèn)真思考和解決的問題。

隨著新的教學(xué)媒體技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，一種借助于計算機(jī)技術(shù)及硬件設(shè)備，使人們可以通過視、聽、觸、嗅等感官感應(yīng)所產(chǎn)生的虛擬空間，以獲得身臨其境的體會和感受的新型教學(xué)多媒體技術(shù)——虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality）正以其獨(dú)具一格的技術(shù)特點(diǎn)不斷應(yīng)用于各類工程技術(shù)實踐教育培訓(xùn)。借助計算機(jī)虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立各種虛擬實訓(xùn)演練場和實訓(xùn)設(shè)備，生成與實際現(xiàn)場設(shè)備完全一致的仿真教學(xué)平臺進(jìn)行數(shù)控技能訓(xùn)練，是實踐工程訓(xùn)練發(fā)展的特色和趨勢。

目前各高校工訓(xùn)中心不斷加大數(shù)控技術(shù)教學(xué)的硬件的投入，建設(shè)應(yīng)用于數(shù)控技能培訓(xùn)的微機(jī)房，并配套相關(guān)實訓(xùn)仿真軟件，如宇龍數(shù)控仿真軟件（網(wǎng)絡(luò)版60節(jié)點(diǎn)）、AutoCAD、Master-CAM等三維軟件，應(yīng)用于數(shù)控技能鑒定教學(xué)。這些教學(xué)系統(tǒng)既能單機(jī)、局域網(wǎng)運(yùn)行，又能實現(xiàn)遠(yuǎn)程在線運(yùn)行，系統(tǒng)中各類數(shù)控機(jī)床的模擬操作都可在仿真面板上進(jìn)行，通過三維動畫演示零件在機(jī)床模型的切削過程，同時通過（DNC）連接技術(shù)將教學(xué)系統(tǒng)與實際機(jī)床操作面板連接并傳輸加工程序?qū)崿F(xiàn)零件切削加工，這樣基于現(xiàn)實加工的虛擬仿真訓(xùn)練實現(xiàn)了“虛”“實”結(jié)合，極大拓展了數(shù)控技能鑒定教學(xué)的發(fā)展。

1 數(shù)控實訓(xùn)中引入虛擬仿真技術(shù)的必要性

由于各類數(shù)控機(jī)床價格都比較昂貴，而各高校在科研背景下的采購計劃和采購審批流程限制了數(shù)控機(jī)床的購買量，從而導(dǎo)致數(shù)控設(shè)備在教學(xué)中的應(yīng)用普及受限；同時，從教學(xué)實踐經(jīng)驗來看，初學(xué)的學(xué)生因為機(jī)床操作流程尚未熟悉，現(xiàn)場加工工藝掌握甚少，加工程序處理缺乏安全工藝檢查，在沒有任何操作技能積累的情況下操作數(shù)控機(jī)床，容易發(fā)生對刀、編程等錯誤，從而導(dǎo)致撞刀、超行程等安全事故的發(fā)生。

數(shù)控加工虛擬仿真系統(tǒng)的使用，不僅可以對學(xué)生編制的數(shù)控程序進(jìn)行模擬運(yùn)行檢測并且具體指出程序的錯誤以減少實際操作出錯的概率，而且虛擬機(jī)床操作場景的沉浸性和交互性，可使學(xué)生能夠全力投入到學(xué)習(xí)和訓(xùn)練的環(huán)境中去，有效的避免了人身傷害或因為學(xué)生的錯誤操作而損壞機(jī)床等惡性事故的發(fā)生，學(xué)生可以放心、大膽、獨(dú)立的進(jìn)行學(xué)習(xí)和反復(fù)演練，直到掌握操作技能要領(lǐng)為止，這也降低了培訓(xùn)教師的教學(xué)工作強(qiáng)度。

2 虛擬仿真教學(xué)在數(shù)控技能培訓(xùn)中的應(yīng)用實踐

利用虛擬仿真軟件平臺進(jìn)行教學(xué)，應(yīng)該充分熟悉計算機(jī)仿真環(huán)境下相應(yīng)數(shù)控機(jī)床的虛擬操作模型、加工模式環(huán)境、刀具庫等，在教學(xué)過程中使學(xué)生能夠在虛擬環(huán)境下進(jìn)行數(shù)控加工操作的各類性質(zhì)操作的模擬仿真，同時利用虛擬加工功能檢驗各種數(shù)控指令、程序是否正確，并提供與真實機(jī)床完全相同的操作面板練習(xí)，在機(jī)床調(diào)試、程序編輯、修改和跟蹤執(zhí)行等功能完全一致。中國石油大學(xué)（華東）石油工業(yè)訓(xùn)練中心在實踐教學(xué)中進(jìn)行了大膽嘗試，自2004年起對已有實習(xí)背景的工科類學(xué)生開設(shè)《數(shù)控加工技術(shù)（證書制）》公選課，學(xué)生在取得相應(yīng)學(xué)分的基礎(chǔ)上，鼓勵學(xué)生考取數(shù)控加工技術(shù)中級工職業(yè)資格證書，具體從以下幾方面著手：

2.1 改革數(shù)控實習(xí)教學(xué)計劃拓展基礎(chǔ)實習(xí)內(nèi)容

作為一門實踐性很強(qiáng)的工程技術(shù)類課程，數(shù)控技術(shù)的每一個教學(xué)環(huán)節(jié)都必須有相應(yīng)的實踐操作訓(xùn)練來加深理論教學(xué)效果。學(xué)生通過實踐，才能切實提高自己的動手操作能力、工程現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)問題、分析問題并解決問題的能力以及創(chuàng)新能力。因此，我們把實習(xí)教學(xué)安排在每學(xué)期、每個專業(yè)進(jìn)行，對教學(xué)單元內(nèi)容作出合理安排，根據(jù)實際的機(jī)床設(shè)備數(shù)量不斷增加數(shù)控技術(shù)實習(xí)的學(xué)時（我校的數(shù)控實習(xí)占總實習(xí)學(xué)時的1/3），同時將通用數(shù)控技術(shù)與數(shù)控電加工技術(shù)（特種加工）區(qū)分，突出數(shù)控車、數(shù)控銑的操作技能訓(xùn)練、線切割的思維創(chuàng)新訓(xùn)練，將數(shù)控理論知識的學(xué)習(xí)深度加深到技能學(xué)習(xí)的初步，并將數(shù)控仿真軟件引入實習(xí)教學(xué)中。

2.2 精心設(shè)計教學(xué)內(nèi)容拓展數(shù)控仿真實訓(xùn)

在增大實習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)比例后，通過優(yōu)化課程體系結(jié)構(gòu)、調(diào)整教學(xué)計劃來保證實習(xí)所學(xué)知識不斷的擴(kuò)展，積極開展數(shù)控職業(yè)技能鑒定教學(xué)，招收實習(xí)過的學(xué)生進(jìn)行課外實訓(xùn)，充分發(fā)揮虛擬仿真教學(xué)優(yōu)勢，在教學(xué)項目的選擇和教學(xué)環(huán)境的營造上做到逼近真實情況，對機(jī)床設(shè)備進(jìn)行實操訓(xùn)練和驗證加工，培訓(xùn)過程中充分保證完整性和技能訓(xùn)練的完全真實再現(xiàn)。

針對各個實訓(xùn)項目，選擇建立數(shù)控系統(tǒng)的仿真環(huán)境，例如：模擬如圖1所示零件的數(shù)控加工操作過程，

達(dá)到以下教學(xué)目標(biāo)：（1）學(xué)習(xí)FUNAC數(shù)控系統(tǒng)的基本操作流程；（2）熟悉數(shù)控車床基本加工操作過程；（3）通過仿真軟件環(huán)境模擬零件的加工過程，使學(xué)生掌握車削回轉(zhuǎn)體類零件的加工工藝編排、程序的編制要點(diǎn)與機(jī)床的刀具、夾具、量具的正確安裝與操作等；教師在教學(xué)示范階段的講解應(yīng)注重對虛擬機(jī)床設(shè)備使用的方法進(jìn)行詳細(xì)的介紹，通過一個完整工件的加工突出訓(xùn)練項目的重點(diǎn)和難點(diǎn)、以及所注意的技能知識操作點(diǎn)、同時強(qiáng)調(diào)安全操作規(guī)范等，每一個仿真實訓(xùn)科目教學(xué)教師都要精心設(shè)計組織自己的示范過程，安全、準(zhǔn)確的模擬現(xiàn)場操作的步驟。

中國石油大學(xué)（華東）石油工業(yè)訓(xùn)練中心自2004年開展數(shù)車技能教學(xué)以來，全校共有12個專業(yè)1000人次參加實訓(xùn)并取得省一級的中級專業(yè)技能證書（如下圖2、3所示），數(shù)控技術(shù)的技能培訓(xùn)深受廣大工科學(xué)生的歡迎。

2.3 完善實習(xí)、實訓(xùn)教材充實教學(xué)內(nèi)涵

針對虛擬仿真教學(xué)的特點(diǎn)，以現(xiàn)代技術(shù)教育為手段，完善多媒體教學(xué)課件的設(shè)計與制作，體現(xiàn)高新技術(shù)的技能教學(xué)特色。統(tǒng)一規(guī)劃、分步實施，逐步建立、健全一個以先進(jìn)制造技術(shù)為主導(dǎo)，高目標(biāo)、高起點(diǎn)、高要求的教學(xué)與操作、應(yīng)用與培訓(xùn)相結(jié)合的數(shù)控教學(xué)實習(xí)體系，并且建設(shè)與省接軌的技能仿真實訓(xùn)室。并組織相關(guān)人員認(rèn)真研究實習(xí)實訓(xùn)教學(xué)大綱，編寫出適合的培訓(xùn)教材和題庫，針對現(xiàn)在用到的SIEMENS系列和FANUC-oi系列的系統(tǒng)著重進(jìn)行介紹和訓(xùn)練。

2.4 加強(qiáng)雙師型教師培訓(xùn)

教師的教學(xué)理念及本專業(yè)的操作技能是影響教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵因素。一方面，要不斷提高教師的學(xué)歷層次，不斷提高教師的知識結(jié)構(gòu)。另一方面，要加大教師的實際操作技能的培訓(xùn)，教數(shù)控專業(yè)課的教師必須具備數(shù)控機(jī)床實際操作高級技能。在教學(xué)過程中，要求教師不斷的學(xué)習(xí)科學(xué)知識，而且鼓勵教師把知識轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，鼓勵指導(dǎo)教師多從事生產(chǎn)科研活動，進(jìn)行教學(xué)研究向指導(dǎo)型教師轉(zhuǎn)化，以適應(yīng)教學(xué)方法和教學(xué)目標(biāo)改革的需要。

3 虛擬仿真培訓(xùn)教學(xué)存在的問題

3.1 虛擬環(huán)境與真實生產(chǎn)的差異

虛擬仿真教學(xué)平臺不能完全替代具體的操作技能訓(xùn)練，在虛擬的環(huán)境中學(xué)習(xí)，由于虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)里的設(shè)備都是接近理想化，同時虛擬教學(xué)中可以累積犯錯，容易對學(xué)生造成一種誤導(dǎo)，這與真實加工的生產(chǎn)現(xiàn)場有所不同，面對現(xiàn)實操作環(huán)境里存在的各種各樣問題應(yīng)注意在教學(xué)過程中予以強(qiáng)調(diào)。

3.2 虛擬現(xiàn)實的效果還有待加強(qiáng)

目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)側(cè)重于模型幾何表示，缺乏逼真度高的的物理行為模型，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在感知方面，視覺合成研究的較多，這就造成真實性與實時性不足，使本來直接的、面對面的師生交流削弱了，影響了教學(xué)效果。

3.3 虛擬仿真教學(xué)中教師對教學(xué)進(jìn)程的控制力受到挑戰(zhàn)

虛擬仿真培訓(xùn)教學(xué)要求學(xué)生要有良好的學(xué)習(xí)自覺性，在整個仿真培訓(xùn)教學(xué)的過程中教師的連續(xù)引導(dǎo)作用逐步減少，其主導(dǎo)作用會被減弱，如果自由度太大，容易使學(xué)生的學(xué)習(xí)偏離預(yù)定的教學(xué)目標(biāo)，而且削弱職業(yè)道德與素質(zhì)教育。

4 小結(jié)

隨著計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的硬件與軟件成本不斷降低，虛擬仿真培訓(xùn)教學(xué)法作為一種新型的教學(xué)手段，已廣泛應(yīng)用于高效工程實踐教學(xué)中并發(fā)揮重要作用。在高校中推行“職業(yè)資格培訓(xùn)”，鼓勵學(xué)生參加職業(yè)技能培訓(xùn)，通過課程體系與模式的改革以實現(xiàn)工程實習(xí)實訓(xùn)教學(xué)辦學(xué)思路的轉(zhuǎn)變，開展不同層次的培訓(xùn)，以綜合素質(zhì)培養(yǎng)為基礎(chǔ)，全面提高學(xué)生質(zhì)量，使大學(xué)生具備相應(yīng)職業(yè)技能的競爭優(yōu)勢形成新的工程實踐教學(xué)機(jī)制，突出職業(yè)技能培養(yǎng)為特色，實行“雙證制”教育，從根本上解決現(xiàn)代加工技術(shù)實習(xí)與實訓(xùn)的教學(xué)需要。

【參考文獻(xiàn)】

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