基于增強現(xiàn)實技術(shù)的數(shù)控加工實訓(xùn)教學(xué)改革探索

張席 許家寶 于華 劉玉飛

摘要：結(jié)合本校工程教育專業(yè)認(rèn)證背景和數(shù)控加工實訓(xùn)課程的特點，分析該課程傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的問題，提出了基于增強現(xiàn)實技術(shù)的課程教學(xué)改革模式，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控加工實訓(xùn)環(huán)節(jié)的在機(jī)模擬和過程監(jiān)測，通過虛實融合的教學(xué)方式有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性，提高教師的現(xiàn)場授課效果，為數(shù)控加工實訓(xùn)的教學(xué)改革提供一定借鑒。

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工實訓(xùn)；增強現(xiàn)實技術(shù)；教學(xué)改革；OBE理念

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）12-0125-02

一、引言

當(dāng)前，作為《華盛頓協(xié)議》簽約成員，我國的高校工程教育改革有了明確標(biāo)準(zhǔn)。其中，成果導(dǎo)向教育理念（Outcome Based Education，簡稱OBE）是美國、英國、加拿大等國家教育改革的主流理念，以成果導(dǎo)向教育理念引導(dǎo)工程教育改革具有重要的現(xiàn)實意義，《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)（2015）版》中明確了畢業(yè)要求應(yīng)覆蓋的12個指標(biāo)內(nèi)容，而畢業(yè)要求的達(dá)成需要課程體系作為支持。工程訓(xùn)練作為新時期我國高校培養(yǎng)創(chuàng)新型工程人才的重要實踐教育方式，已成為專業(yè)課程體系的重要實踐性環(huán)節(jié)，讓學(xué)生通過實踐了解實際生產(chǎn)、認(rèn)識工藝及其發(fā)展歷程，訓(xùn)練基本操作技能，拓寬工程知識，提高綜合素質(zhì)，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程和從事相關(guān)專業(yè)技術(shù)工作奠定必要的工程實踐基礎(chǔ)。因此，在新形勢和工程教育改革引領(lǐng)下，工程訓(xùn)練的創(chuàng)新發(fā)展必須革新傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)節(jié)存在的弊端，采用不同于傳統(tǒng)的教學(xué)場地和教學(xué)工具，以適應(yīng)社會對創(chuàng)新型工程人才的需求變化。

二、數(shù)控加工實訓(xùn)傳統(tǒng)教學(xué)模式問題分析

數(shù)控加工是重要的工程實訓(xùn)模塊，主要包括編程和加工兩個主要環(huán)節(jié)。編程的關(guān)鍵是讀圖識圖，隨著高校工程訓(xùn)練的普及，部分學(xué)生來自非工科專業(yè)或在參加工程訓(xùn)練課程時尚未接觸到機(jī)械制圖等相關(guān)專業(yè)課程，因而存在缺乏自主讀圖識圖的能力，同時由于教學(xué)時間的限制，教師在實訓(xùn)場地?zé)o法對圖紙相關(guān)的理論知識進(jìn)行系統(tǒng)深入的講解，這樣對于空間想象能力較差的同學(xué)，無法根據(jù)加工圖紙想象轉(zhuǎn)化成三維模型，從而降低了學(xué)生的編程效果。對于加工部分來說，傳統(tǒng)的教學(xué)模式是教師操作、講解、演練，這種方式往往存在一定的滯后性和危險性，步驟較多時，學(xué)生在短時間內(nèi)難以消化吸收，同時教師在有限的教學(xué)時間內(nèi)要反復(fù)強調(diào)加工環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的問題，教學(xué)效率明顯降低。對于操作能力和理解能力差的學(xué)生，因操作不當(dāng)，極易造成刀具、工件和機(jī)床的損壞，影響后續(xù)的實訓(xùn)學(xué)習(xí)、工件加工制作和班級整體的教學(xué)效果。學(xué)生在課程之余，離開實訓(xùn)場地，不具備操作練習(xí)的條件，學(xué)習(xí)的知識得不到及時鞏固加強，進(jìn)一步降低學(xué)習(xí)效率和積極性，不利于激發(fā)OBE理念所倡導(dǎo)的“具有自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識”。

三、基于增強現(xiàn)實技術(shù)的教學(xué)模式探索

（一）增強現(xiàn)實技術(shù)的可行性分析

通過以上數(shù)控加工教學(xué)模式問題分析可以看出，傳統(tǒng)的教學(xué)模式無法適應(yīng)學(xué)生專業(yè)和已學(xué)知識的差異性，明顯制約課堂教學(xué)效果以及學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和積極性。增強現(xiàn)實技術(shù)是一種能夠?qū)⒄鎸嵤澜缧畔⒑吞摂M世界信息“無縫”集成的新技術(shù)，把在現(xiàn)實世界一定時間空間范圍內(nèi)難以體驗到的實體信息（視覺信息、聲音等）通過電腦等科學(xué)技術(shù)應(yīng)用到真實世界，被感官所感知，達(dá)到超越現(xiàn)實的感官體驗，已被逐步應(yīng)用于教學(xué)改革環(huán)節(jié)。將數(shù)控加工實訓(xùn)環(huán)節(jié)與增強現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合，能夠解決數(shù)控實訓(xùn)環(huán)節(jié)存在的概念抽象和效率低下問題，同時“超越現(xiàn)實的感官體驗”能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性，能夠有助于有利貫徹OBE理念，激發(fā)學(xué)生“具有自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識，有不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)發(fā)展的能力”。

（二）基于增強現(xiàn)實技術(shù)的數(shù)控加工教學(xué)改革

為了提高數(shù)控實訓(xùn)環(huán)節(jié)的教學(xué)效果以及學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和安全操作，采用增強現(xiàn)實技術(shù)與傳統(tǒng)實踐教學(xué)相結(jié)合的方式，將數(shù)控加工讀圖識圖和編程加工環(huán)節(jié)與增強現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合，解決數(shù)控實訓(xùn)環(huán)節(jié)的概念抽象問題?；谠鰪姮F(xiàn)實技術(shù)的數(shù)控加工教學(xué)模式的實現(xiàn)流程如圖1所示。

在該教學(xué)模式下，學(xué)生只需使用手機(jī)掃描圖紙的二維碼，利用增強現(xiàn)實技術(shù)在機(jī)模擬、監(jiān)測數(shù)控機(jī)床的加工過程，實現(xiàn)虛實融合。（1）將二維的零件圖紙立體化，幫助學(xué)生“看到”加工零件的三維模型，學(xué)生可對模型進(jìn)行手指操控。讓學(xué)生在理解加工工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行有效編程。（2）對于加工實踐環(huán)節(jié)利用增強現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行數(shù)控加工虛擬仿真，讓學(xué)生置身虛擬三維空間加工環(huán)境中，身臨其境地“真實”感覺零件加工的完整過程，熟悉工件和刀具的裝載、量具使用等各種操作，驗證、優(yōu)化加工指令和加工工藝，領(lǐng)會加工過程中需要注意的各種問題，從而提高學(xué)生操作的效率和安全性。（3）利用增強現(xiàn)實的數(shù)控加工虛擬仿真技術(shù)，學(xué)生可以在課后對課堂知識進(jìn)行及時“回看”和鞏固，對知識點進(jìn)行查缺補漏，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，同時在上課前也可以對新的課程內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)，有效激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識和能力。

四、結(jié)論

本文分析了傳統(tǒng)數(shù)控加工教學(xué)環(huán)節(jié)存在的問題，提出基于增強現(xiàn)實技術(shù)的數(shù)控加工教學(xué)模式，能夠突破時間、空間、硬件條件的限制，實現(xiàn)在機(jī)模擬、實時監(jiān)測加工過程，達(dá)到虛實融合、以虛助實的教學(xué)效果。根據(jù)我校工程教育專業(yè)認(rèn)證背景，所提出的這種教學(xué)模式能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，有利于貫徹OBE理念，提高學(xué)生在課上和課下學(xué)習(xí)的真實感，提高教師的現(xiàn)場授課效果，為數(shù)控加工實訓(xùn)環(huán)節(jié)的教學(xué)改革提供有效指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

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Research on Teaching Reform of NC Machining Practice Based on Augmented Reality Technology

ZHANG Xi，1，XU Jia-bao 1，YU Hua，2，LIU Yu-fei 2

（1. Engineering Research and Training Center，Anhui Polytechnic University，Anhui，Wuhu 241000，China）；

2. School of Mechanical and Automotive Engineering，Anhui Polytechnic University，Anhui，Wuhu 241000，China）

Abstract：according to the characteristics of the school of engineering education background and professional certification of CNC training courses，analyzes the traditional teaching mode of the course of the problem，put forward the reform of teaching mode based on augmented reality technology，can realize the NC Machining Training in computer simulation and process monitoring，effectively stimulate students' learning enthusiasm and initiative through the integration of teaching methods，improve teachers' teaching field，providing some reference for the teaching reform of CNC machining training.

Key words：NC Machining Training；augmented reality technology；teaching reform；OBE concept