機(jī)械制造專業(yè)虛擬仿真教學(xué)環(huán)境建設(shè)與應(yīng)用研究

李晶　陳軍

1 引言

虛擬仿真（VR）技術(shù)是一種融合了微傳感器技術(shù)、人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和生物工程技術(shù)的全新技術(shù)。它通過多種傳感器和終端設(shè)備模擬出一個(gè)虛擬仿真空間，使用者在此空間中可以獲得和真實(shí)世界類似的體驗(yàn)。VR技術(shù)具有沉浸性、交互性和異構(gòu)性三大特征，它可以讓使用者具有身臨其境的感覺，并可以和虛擬環(huán)境中的事務(wù)進(jìn)行交互溝通，也可以異構(gòu)出現(xiàn)實(shí)世界中并不存在的的環(huán)境以滿足使用者的實(shí)際需要。VR技術(shù)自其誕生以來變以其低成本高效率和適用性廣等特點(diǎn)在教育教學(xué)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

隨著近年來我國加大對(duì)職業(yè)教育的投入，包括VR技術(shù)在內(nèi)的許多新技術(shù)被逐步引入到高職教育中。但在機(jī)械制造專業(yè)虛擬仿真教學(xué)環(huán)境建設(shè)與應(yīng)用中目前還存在諸多問題，本文主要對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行了深入研究，并提出了應(yīng)對(duì)策略。

VR技術(shù)在我國教育產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)有很多年的發(fā)展歷史，最初是被國內(nèi)的某些游戲?qū)I(yè)的大學(xué)還有研究所作為一種游戲開發(fā)輔助硬件引入的。但隨著VR技術(shù)軟硬件的逐步完善，功能日趨強(qiáng)大，人開始著手將其應(yīng)用到不同的教育領(lǐng)域。例如化工和消防專業(yè)這些具有危險(xiǎn)性質(zhì)的專業(yè)。如何讓學(xué)生可以身臨其境的體會(huì)他們畢業(yè)后將要面對(duì)的復(fù)雜環(huán)境是相關(guān)專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)老師的一大難題。在過去，很難實(shí)現(xiàn)到真正的學(xué)校培養(yǎng)與企業(yè)要求完全接軌，學(xué)校畢業(yè)的學(xué)生到達(dá)相關(guān)企業(yè)后還需要進(jìn)行很長時(shí)間的規(guī)范化培訓(xùn)，極大的增加了用人企業(yè)的教育成本。而在這些專業(yè)中引入VR技術(shù)后，在相關(guān)專業(yè)教學(xué)中同學(xué)們就可以完全模擬工作后將要面臨的各種危險(xiǎn)環(huán)境，可以從理性和感性兩個(gè)層面體驗(yàn)所學(xué)專業(yè)的真實(shí)要求，從而達(dá)到真正的理實(shí)一體。

最近幾年，VR專業(yè)在機(jī)械制造和數(shù)控等傳統(tǒng)專業(yè)中也有很深入和廣泛的應(yīng)用。由于機(jī)械制造和數(shù)控專業(yè)所涉及的專業(yè)知識(shí)多，人才培養(yǎng)鏈條較長，過去在高職教育中常存在人才培養(yǎng)成本高，效果差的問題。隨著VR等一系列新技術(shù)的加入，人們發(fā)現(xiàn)許多在傳統(tǒng)教育模式下無解的問題，采用最新的VR技術(shù)都可以迎刃而解。例如高職實(shí)訓(xùn)教學(xué)中長期困擾老師的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容多，實(shí)訓(xùn)教學(xué)條件不足、示范操作效果不佳和教學(xué)成本高，設(shè)備更新慢等問題都可以很好的被解決。

2 機(jī)械制造專業(yè)教學(xué)環(huán)境建設(shè)存在的問題

2.1實(shí)訓(xùn)內(nèi)容多，實(shí)訓(xùn)教學(xué)條件不足

機(jī)械制造專業(yè)是一個(gè)包含眾多專業(yè)課的傳統(tǒng)老牌專業(yè)，其專業(yè)課程包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工、測(cè)量、裝配和調(diào)試等眾多實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)。僅僅以產(chǎn)品裝調(diào)為例，就包括軸類零件、箱體軸承孔、軸承、齒輪、導(dǎo)軌等機(jī)構(gòu)的裝調(diào)和維護(hù)。教學(xué)所需涉及的內(nèi)容較多，很難有高職學(xué)校能夠提供完整的實(shí)訓(xùn)條件，許多學(xué)校只能進(jìn)行教師演示而不能讓每個(gè)學(xué)生都進(jìn)行實(shí)際操作，教學(xué)效果不理想。

2.2示范操作效果不佳

機(jī)械制造專業(yè)是一個(gè)結(jié)合抽象與具體知識(shí)的專業(yè)，許多課程需要由教師進(jìn)行實(shí)物操作演示，如產(chǎn)品的生產(chǎn)和測(cè)量等課程在教學(xué)時(shí)就需要教師親自演示。但由于高職學(xué)生的師生配比通常較低，導(dǎo)致一個(gè)教師在設(shè)備聲嘈雜的實(shí)訓(xùn)環(huán)境中很難給眾多學(xué)生教好的演示。也很難保證每個(gè)學(xué)生都可以清楚的看見或聽見老師的關(guān)鍵操作，導(dǎo)致部分學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性受影響。

2.3教學(xué)成本高，設(shè)備更新慢

機(jī)械制造專業(yè)的教學(xué)由于需要大量設(shè)備導(dǎo)致其教學(xué)成本偏高，對(duì)于許多最新的高檔機(jī)床動(dòng)輒上百萬，這顯然是許多高職院校難以承受的。而且機(jī)床和設(shè)備的種類繁多，使得機(jī)制專業(yè)教學(xué)成本居高不下。特別是實(shí)訓(xùn)耗材的消耗也是實(shí)訓(xùn)室一比不小的日常開支。此外，隨著科技的進(jìn)步，機(jī)械行業(yè)的要求和技術(shù)的更新較快使得學(xué)校設(shè)備跟不上社會(huì)用工要求的換代速度，導(dǎo)致學(xué)生不能學(xué)習(xí)最新技術(shù)，無法滿足企業(yè)的要求。

3 虛擬仿真教學(xué)在機(jī)械制造專業(yè)教學(xué)環(huán)境建設(shè)與應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

3.1改善實(shí)訓(xùn)條件，降低實(shí)訓(xùn)成本。

利用虛擬仿真技術(shù)可以有效降低機(jī)械制造專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)成本，因?yàn)橄嚓P(guān)仿真實(shí)訓(xùn)室不需要購買機(jī)床等實(shí)訓(xùn)設(shè)備，也就省下了維護(hù)和耗材的大量費(fèi)用，極大的降低了實(shí)訓(xùn)成本。此外過去傳統(tǒng)機(jī)械實(shí)訓(xùn)環(huán)境通常環(huán)境較差，具有噪音和粉塵等污染，甚至存在一定環(huán)境危險(xiǎn)性，而采用虛擬仿真技術(shù)則可以極大的改善學(xué)生的實(shí)訓(xùn)條件，使學(xué)生在微機(jī)室等教室內(nèi)就可以完成相關(guān)學(xué)習(xí)內(nèi)容。

3.2改變教學(xué)模式，提高教學(xué)質(zhì)量

采用虛擬仿真技術(shù)可以改變傳統(tǒng)的機(jī)械制造專業(yè)學(xué)生的教學(xué)模式，學(xué)生不再需要在現(xiàn)場(chǎng)圍觀教師的演示，只需要在VR設(shè)備中各自統(tǒng)一觀看事先錄制好的演示視頻，并根據(jù)NPC的指導(dǎo)自己動(dòng)手進(jìn)行操作即可。以機(jī)制專業(yè)經(jīng)常進(jìn)行的齒輪箱的拆裝教學(xué)為例，學(xué)生可以在VR設(shè)備中直觀的認(rèn)識(shí)齒輪箱中各個(gè)零件的名字，形狀和特點(diǎn)，并可以動(dòng)手進(jìn)行虛擬裝配，極大的強(qiáng)化的實(shí)訓(xùn)效果，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)質(zhì)量。

3.3降低教學(xué)成本，及時(shí)更新技術(shù)和設(shè)備

利用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建教學(xué)環(huán)境可以極大的降低機(jī)械制造專業(yè)的教學(xué)成本，極大的縮小所需的教學(xué)空間，采用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行教學(xué)時(shí)只需要建立和微機(jī)房類似的VR實(shí)訓(xùn)室即可，相比于建立實(shí)訓(xùn)基地和購買機(jī)床、機(jī)器人和加工中心等設(shè)備，VR實(shí)訓(xùn)時(shí)的建設(shè)成本都要低很多，極大的降低了一次性投入成本，此外，VR實(shí)訓(xùn)室的維護(hù)成本同樣較低，不需要購買昂貴的耗材，因此它還具有高效環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)點(diǎn)。

利用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建教學(xué)環(huán)境還可以緊跟各種實(shí)訓(xùn)設(shè)備的更新?lián)Q代速度，通過對(duì)VR設(shè)備進(jìn)行軟件升級(jí)就可以模擬出企業(yè)正在使用的最新型號(hào)的機(jī)床設(shè)備，讓學(xué)生在學(xué)校也能與社會(huì)需求接軌，學(xué)到真正有用的技術(shù)。

4 總結(jié)

以VR和AR為代表的一大批現(xiàn)代電子技術(shù)在高職實(shí)訓(xùn)教育中的應(yīng)用日益廣泛和深入，對(duì)于制造專業(yè)的虛擬仿真環(huán)境建設(shè)而言，引入新技術(shù)既是機(jī)遇也是要求。相關(guān)技術(shù)應(yīng)用的好可以極大的降低教學(xué)成本提高教學(xué)質(zhì)量，反之則會(huì)被教育發(fā)展的時(shí)代浪潮無情拋下。本文主要回顧了傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境建設(shè)存在的問題，以及如何采用VR技術(shù)對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行解決。本文的研究結(jié)論對(duì)機(jī)械制造專業(yè)虛擬仿真教學(xué)環(huán)境建設(shè)與應(yīng)用研究有一定的促進(jìn)作用。

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作者簡(jiǎn)介

李晶，女，碩士，江蘇淮安人，工程師，主要從事計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教育方面的工作。