基于云計算環(huán)境下的數(shù)控加工虛擬仿真教學(xué)模式研究

李姍姍

摘要：從實(shí)驗(yàn)教學(xué)角度出發(fā)，深入探討了學(xué)生重理論輕實(shí)踐的現(xiàn)象及原因，結(jié)合本學(xué)院的發(fā)展目標(biāo)并參考國內(nèi)外其他高校關(guān)于虛擬網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的成功案例，提出了基于云計算環(huán)境下提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐能力的虛擬教學(xué)模式研究。這種教學(xué)模式特別適合當(dāng)前的疫情環(huán)境，它不僅改善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，同時增強(qiáng)了學(xué)生對理論知識的理解和工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，彌補(bǔ)了當(dāng)前現(xiàn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的不足。

Abstract： From the perspective of the experimental teaching of "Numerical Control Technology"， the phenomenon and reasons why students emphasize theory and neglect practice are discussed in depth， combined with the development goals of the college and referring to the successful cases of virtual network teaching in other universities at home and abroad， this paper proposes a cloud computing environment Research on virtual teaching mode to improve students' ability to link theory with practice. This teaching mode is particularly suitable for the current epidemic environment. It not only improves the experimental teaching environment， but also enhances students' understanding of theoretical knowledge and the cultivation of engineering practice capabilities， and makes up for the current deficiencies in current experimental teaching.

關(guān)鍵詞：先進(jìn)制造;數(shù)控模擬;綜合實(shí)驗(yàn)

Key words： advanced manufacturing;numerical control simulation;comprehensive experiment

中圖分類號：G642.0???????????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A???? ???????????????????????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0245-03

0? 引言

近年來通過云計算構(gòu)建的虛擬系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域，但基于數(shù)控加工中心方面的實(shí)踐教學(xué)還很少，筆者申請教改項(xiàng)目的想法是基于互聯(lián)網(wǎng)下的廣泛應(yīng)用，通過網(wǎng)絡(luò)將智能手機(jī)、電腦等智能設(shè)備與學(xué)院服務(wù)器連接起來，構(gòu)建一個適應(yīng)于實(shí)踐教學(xué)的信息化平臺。在這個平臺上支持老師視頻教學(xué)、網(wǎng)上布置作業(yè)、在線答疑等，學(xué)生可以通過課余時間進(jìn)行學(xué)習(xí)、與老師或同學(xué)間在線討論、也可以通過學(xué)院服務(wù)器進(jìn)行后臺高效率的計算等一系列操作，這將是一種全新的上課模式，它相比于傳統(tǒng)上課方式具有以下幾個優(yōu)勢：學(xué)生上課時間更加彈性化、可針對自身感興趣的課程自主深入學(xué)習(xí);同時老師可以采用在線學(xué)分制對學(xué)生進(jìn)行考核，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與學(xué)生主觀能動性的有效結(jié)合，這種教學(xué)方式不僅提升了學(xué)生對課程的理解同時培養(yǎng)了學(xué)生間的協(xié)作能力，從而達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的[1]。

1? 數(shù)控加工綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

數(shù)控加工綜合實(shí)驗(yàn)是機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)、車輛工程專業(yè)必修內(nèi)容之一，一般設(shè)有FANUC系統(tǒng)數(shù)控車床編程與模擬、FANUC系統(tǒng)數(shù)控銑床編程與模擬及CAM后處理三部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求。

三部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是數(shù)控機(jī)床實(shí)際操作的基礎(chǔ)，可以讓學(xué)生初步掌握數(shù)控編程基本方法和技能，同時對數(shù)控機(jī)床的基本操作有一定了解。但由于上課的時間、地點(diǎn)、儀器的數(shù)量等有許多限制性的要求，學(xué)生不能開放思維，只是單純的為了修學(xué)分慣性的記憶和接收從中獲得感性認(rèn)識，對提升學(xué)生獨(dú)立思考和分析能力有一定限制。

2? 云平臺的搭建

云計算平臺簡稱云平臺，它是基于計算和數(shù)據(jù)存儲處理并行的綜合型計算平臺，云計算虛擬實(shí)驗(yàn)平臺主要由SaaS層、PaaS層、IaaS層、Custom層4層組成，整體構(gòu)架如圖1所示。可以看出在云平臺上教學(xué)資源信息、虛擬應(yīng)用與計算、安全存儲與監(jiān)控等一系列功能通過互聯(lián)網(wǎng)連接起來構(gòu)成一個虛擬環(huán)境，在虛擬空間中將本地、異地的實(shí)驗(yàn)用戶與虛擬實(shí)驗(yàn)室連接起來，從而實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程管理的目的。通過在線教學(xué)與課堂教學(xué)的相結(jié)合，使學(xué)生在進(jìn)一步掌握和鞏固理論知識的同時，充分發(fā)揮學(xué)生獨(dú)立思考、協(xié)同合作、應(yīng)用拓展等能力，使之成為一門綜合型、設(shè)計性、實(shí)用性的實(shí)驗(yàn)課程[2]。

2.1 IaaS層

IaaS層的含義是基礎(chǔ)設(shè)施及服務(wù)，它是云服務(wù)的最底層，主要提供計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源以及必要的電力資源、IP資源等一系列基礎(chǔ)資源實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施的使用邏輯;與此同時IaaS層還要針對不同客戶的需求形成特定類型的產(chǎn)品。

用戶在智能設(shè)備上通過賬號進(jìn)行身份確認(rèn)，構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)場景與結(jié)構(gòu)，對實(shí)驗(yàn)過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲與管理，為后期的實(shí)驗(yàn)效果評估提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，與此同時可以通過視頻錄制的方式記錄操作過程，便于后期查找問題。

2.2 PaaS層

PaaS層的含義是平臺即服務(wù)，它構(gòu)建在IaaS層之上，面向虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)人員，為開發(fā)各類基于云計算的虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用軟件提供基礎(chǔ)，與此同時可以實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，跟蹤實(shí)驗(yàn)過程，通過對采集的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行分析和推理給出智能指導(dǎo)等[3]。

2.3 SaaS層

SaaS層的含義是軟件即服務(wù)，它構(gòu)建在PaaS層之上，學(xué)生可以進(jìn)行如下功能操作：①虛擬實(shí)驗(yàn)平臺：在該平臺中有課程體系選擇、課程（實(shí)踐）測試、知識競賽等界面。比如學(xué)生選擇數(shù)控加工中心模擬仿真課程體系，學(xué)生通過課堂講授、在線視頻的學(xué)習(xí)后，進(jìn)入實(shí)踐測試環(huán)節(jié)進(jìn)行可視化的仿真和后處理等操作。②實(shí)驗(yàn)管理平臺：對所有實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行系統(tǒng)管理，布置作業(yè)、批改實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評估等，老師定期根據(jù)評估意見調(diào)整上課模式并對大多數(shù)學(xué)生理解不好的地方再次進(jìn)行深入講解。③在線交流平臺，為學(xué)生進(jìn)行答疑解惑[4]。

2.4 Custom層

在客戶端為用戶進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)提供的接口。

3? 虛擬教學(xué)環(huán)節(jié)的應(yīng)用

學(xué)生只需要一臺電腦/手機(jī)以及有效的網(wǎng)絡(luò)連接，在指定網(wǎng)站上通過身份認(rèn)證就可以進(jìn)入到虛擬實(shí)踐教學(xué)平臺。在網(wǎng)上學(xué)生可以免費(fèi)下載各個領(lǐng)域的教學(xué)視頻、相關(guān)專業(yè)的電子書、大型工程應(yīng)用軟件等，也可以在虛擬平臺上討論自己在科研中所遇到的問題或分享學(xué)習(xí)心得，相互鼓勵與借鑒達(dá)到共同進(jìn)步的目的[5-6]。

同時虛擬平臺也可以進(jìn)行在線的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，通過圖2可以看到它包含：課程選擇、實(shí)驗(yàn)管理、在線交流三個功能模塊。學(xué)生進(jìn)入系統(tǒng)后先選擇必修的實(shí)驗(yàn)課程，可以看到虛擬仿真軟件中有許多個模塊，如CA6140機(jī)床內(nèi)部結(jié)構(gòu)傳動與拆裝、數(shù)控機(jī)床模擬與加工、CAM程序后處理等。學(xué)生完成課程選擇后，需要進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，了解本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊约跋嚓P(guān)知識點(diǎn)，然后開展仿真實(shí)驗(yàn)。以“數(shù)控機(jī)床模擬與加工”模塊為例，學(xué)生可根據(jù)圖紙設(shè)定毛坯、定義刀具、通過毛坯試切的方式建立工件坐標(biāo)系原點(diǎn)、程序的編輯與傳輸以及最后的模擬加工，學(xué)生都可以在線進(jìn)行反復(fù)的操作與練習(xí)，在這個過程中提高熟練程度。最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)考核，實(shí)驗(yàn)完成后系統(tǒng)自動生成實(shí)驗(yàn)報告并給出實(shí)驗(yàn)成績，學(xué)生可在個人中心查看自己的實(shí)驗(yàn)報告和歷史成績。

該平臺的優(yōu)勢在于：學(xué)生在線學(xué)習(xí)過程中遇到問題可隨時與線上教師進(jìn)行遠(yuǎn)程文字/語音/視頻求助，這樣實(shí)現(xiàn)了學(xué)生-老師之間的一對一的輔導(dǎo)，同時也避免了有些較為內(nèi)向的學(xué)生不愿當(dāng)面解惑的窘境。老師通過學(xué)生的在線反饋快速了解教學(xué)難點(diǎn)在哪兒，在課堂上可有針對性的進(jìn)行更為深入詳細(xì)的講解。這種遠(yuǎn)程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺有效的改善了傳統(tǒng)教學(xué)中存在的“重理論、輕實(shí)踐”的問題，通過理論與實(shí)踐有效的結(jié)合，使學(xué)生達(dá)到學(xué)以致用的目的，也為后期的現(xiàn)場實(shí)踐教學(xué)打下堅實(shí)的基礎(chǔ)?？梢钥闯?，云平臺是課堂教學(xué)的補(bǔ)充和延伸，是保證實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)安全的保障。

4? 虛擬與實(shí)踐的結(jié)合

基于前期的虛擬仿真，實(shí)踐過程環(huán)節(jié)將以小組的形式進(jìn)行責(zé)任分擔(dān)，制定詳細(xì)的加工工藝計劃，出現(xiàn)問題集體討論并且由老師從中協(xié)助，從而得到最優(yōu)的加工方案。通過這一系列的操作有效的將以前所學(xué)的專業(yè)知識如幾何量公差與測量、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)控技術(shù)等一系列的課題有機(jī)的結(jié)合在一起，使學(xué)生將所學(xué)的知識與實(shí)踐有效的結(jié)合起來，形成一個較為深刻系統(tǒng)的認(rèn)識，并對學(xué)生協(xié)作動手能力的提高有一定的幫助。

在零件實(shí)際加工過程中，由于有了之前的反復(fù)模擬練習(xí)，學(xué)生在實(shí)際操作中顯得更加的得心應(yīng)手，不僅提升了學(xué)習(xí)興趣還增強(qiáng)實(shí)踐動手能力的培養(yǎng)。避免了以往老師害怕學(xué)生不熟練出現(xiàn)誤操作，而采取的機(jī)床演示性教學(xué)的模式，這種模式學(xué)生參與感差，學(xué)習(xí)效果不好。

加工完成后組織學(xué)生進(jìn)行零件的加工質(zhì)量評估，它包括了加工精度和表面質(zhì)量，具體流程如圖3所示，最后填寫檢測報告[7]。

5? 結(jié)語

數(shù)控加工綜合實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生更加深入細(xì)致地學(xué)習(xí)數(shù)控機(jī)床加工的相關(guān)知識，在實(shí)驗(yàn)動手能力、獨(dú)立思考能力、分析總結(jié)能力、團(tuán)隊協(xié)作能力上都得到了綜合的訓(xùn)練。同時提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，以及對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解和掌握，使學(xué)生在機(jī)械制造專業(yè)素質(zhì)上得到了有效提升，為我國裝備制造業(yè)輸送高水平專業(yè)人才。

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