VR技術(shù)在中職學(xué)校數(shù)控加工教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要：隨著虛擬技術(shù)的廣泛普及，目前VR技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在醫(yī)護、教學(xué)以及機械工程制造等領(lǐng)域?；诼殬I(yè)院校數(shù)控加工專業(yè)的教學(xué)需求，VR技術(shù)已經(jīng)逐漸成為理實一體、項目教學(xué)趨勢下的一種重要教學(xué)手段。在數(shù)控加工教學(xué)中引進VR技術(shù)，不但會解決數(shù)控加工實訓(xùn)教學(xué)過程中可能遇到的設(shè)備型號不一致、教學(xué)安全等問題，而且還可以在很大程度上起到節(jié)約教學(xué)材料和保護環(huán)境等作用，極大地推動了數(shù)控加工專業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù);數(shù)控加工;教學(xué)應(yīng)用

中圖分類號：G71? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1673-9132（2022）17-0029-03

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2022.17.010

中職學(xué)校擔(dān)負(fù)著培養(yǎng)初中級專業(yè)技能人才的任務(wù)。培養(yǎng)學(xué)生良好的專業(yè)技能，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力是職業(yè)院校人才培養(yǎng)的主要目標(biāo)。隨著各地職業(yè)教育規(guī)模的不斷壯大，職業(yè)院校更加重視數(shù)控加工技術(shù)專業(yè)的發(fā)展，投入到數(shù)控加工技術(shù)專業(yè)的設(shè)備、人力越來越多，數(shù)控加工技術(shù)專業(yè)獲得了較好的發(fā)展，但同時一些問題也隨之顯露出來。職業(yè)院校應(yīng)當(dāng)積極引進以虛擬應(yīng)用管理平臺為基點的VR技術(shù)，利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段來彌補教學(xué)中的諸多不足，從而推動數(shù)控加工專業(yè)不斷得到發(fā)展和進步。

一、虛擬仿真技術(shù)在數(shù)控加工教學(xué)的應(yīng)用優(yōu)勢

數(shù)控加工技術(shù)人才培養(yǎng)的關(guān)鍵點在于以復(fù)合型技工人才為目標(biāo)，全面提升學(xué)生的實際動手能力和創(chuàng)新能力。對此，虛擬仿真技術(shù)憑借計算機信息技術(shù)，尤其是圖形、影像顯示手段搭建起了集視、聽、觸于一體的虛擬仿真環(huán)境，實現(xiàn)對數(shù)控加工過程的全環(huán)節(jié)、全方位真實模擬，在實訓(xùn)教學(xué)中凸顯了多緯度、多元化優(yōu)勢。在數(shù)控加工教學(xué)過程中，依托VR技術(shù)能將數(shù)控機床組成、邏輯關(guān)系以及機械運行模式等數(shù)控加工技術(shù)以3D虛擬形象全方位地展現(xiàn)在學(xué)生面前，可以廣泛應(yīng)用到數(shù)控加工技術(shù)的教學(xué)環(huán)節(jié)立體化展示、數(shù)控模擬實驗、實訓(xùn)仿真教學(xué)、專業(yè)教學(xué)與實踐生產(chǎn)加工的融合等方面，達到有效簡化實訓(xùn)教學(xué)過程、提升實訓(xùn)教學(xué)效率效果。

二、數(shù)控加工教學(xué)中存在的問題

新形勢下，中職學(xué)校要立足學(xué)校專業(yè)特點和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，凸顯學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)，自主地依據(jù)課程教學(xué)要求和人才培養(yǎng)擬訂或調(diào)節(jié)有關(guān)內(nèi)容，全面提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。現(xiàn)階段一部分職業(yè)院校數(shù)控加工教學(xué)中仍然存在教學(xué)質(zhì)量與人才培養(yǎng)目標(biāo)差距較大的問題，特別是在數(shù)控加工的實訓(xùn)課程當(dāng)中仍存在以下幾點問題，在很大程度上制約著專業(yè)教學(xué)的發(fā)展。

（一）教師示范操作效果不佳

在數(shù)控加工課程教學(xué)的實訓(xùn)階段中，需要科任教師親自動手示范數(shù)控加工相關(guān)技術(shù)要領(lǐng)和方法技巧，讓學(xué)生能夠理解和掌握其中的基本要素和環(huán)節(jié)。但實訓(xùn)教學(xué)往往由于教學(xué)人數(shù)較多，加工操作過程比較長，導(dǎo)致教師在數(shù)控加工演示過程中時間受限、環(huán)節(jié)受限，很難確保在場的每位學(xué)生都能夠聽清和看清每個關(guān)鍵操作，進而影響教學(xué)質(zhì)量。

（二）教學(xué)成本較高，設(shè)備更新慢

數(shù)控加工課程絕大多數(shù)內(nèi)容都需要學(xué)生在數(shù)控機床上進行實際操作，因此，學(xué)校為本專業(yè)配置齊多種型號的機床是一件非常困難的事。并且，隨著機械加工行業(yè)的不斷發(fā)展，學(xué)校數(shù)控機床的更新速度遠(yuǎn)比不上生產(chǎn)企業(yè)的機床更新速度。另外，用于數(shù)控加工的實訓(xùn)耗材價格都較高，實訓(xùn)耗材的配備常常無法有效保障學(xué)生能夠進行足夠的操作實訓(xùn)，課堂教學(xué)中很難確保所有學(xué)生都可以擁有充足的操作機會。以上因素，影響了數(shù)控實訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量，造成學(xué)生在校所學(xué)的技術(shù)無法有效地應(yīng)用到企業(yè)的生產(chǎn)操作當(dāng)中。

（三）學(xué)生易發(fā)生誤操作，造成安全隱患

數(shù)控加工課程的理論知識部分通常是枯燥無味的，導(dǎo)致一部分學(xué)生疏于理論知識的有效學(xué)習(xí)和鞏固，這樣會導(dǎo)致學(xué)生在實訓(xùn)前有可能未能全面了解和熟知實訓(xùn)步驟，在實訓(xùn)過程中缺乏準(zhǔn)確的理論判斷，從而引發(fā)操作失誤。如果操作事故發(fā)生在教師監(jiān)管不到的地方，輕則會損壞實訓(xùn)設(shè)備，重則會造成教學(xué)安全事故，甚至造成學(xué)生人身傷害。

三、VR技術(shù)在數(shù)控加工實訓(xùn)中的應(yīng)用

現(xiàn)代職業(yè)教育背景下的職業(yè)院校在專業(yè)教學(xué)中都很關(guān)注學(xué)生的實際動手能力，教師在技能實訓(xùn)教學(xué)中要切實用好VR技術(shù)，利用VR技術(shù)提供的資源庫作為數(shù)控加工教學(xué)的素材，以滿足實訓(xùn)教學(xué)的需要。結(jié)合實際，VR技術(shù)在數(shù)控加工教學(xué)中的應(yīng)用主要有以下幾點。

（一）模擬新技術(shù)機床

數(shù)控加工技術(shù)專業(yè)課程的教學(xué)目的主要是更好地提升學(xué)生的理論基礎(chǔ)和實踐能力。在專業(yè)教學(xué)中設(shè)立了一些基礎(chǔ)性的實訓(xùn)項目，這些項目有益于促進學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容和基礎(chǔ)性實訓(xùn)要領(lǐng)進行記憶，需要反復(fù)操作和練習(xí)才能理解和掌握。而這一部分技能實踐內(nèi)容比較枯燥乏味、教學(xué)方法也較為單一，極不利于學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。在機械工程領(lǐng)域中，機械機床更新?lián)Q代的速度相對較快，一般的學(xué)校承擔(dān)不起頻繁的更新，因此絕大多數(shù)學(xué)校所使用的機床都比較老舊，無法將行業(yè)上的新技術(shù)、新知識通過機床實訓(xùn)教學(xué)傳遞給學(xué)生，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不高，進而影響數(shù)控加工教學(xué)的質(zhì)量。

在教學(xué)中采用VR系統(tǒng)，利用好數(shù)控加工技術(shù)VR系統(tǒng)中的幾何建模，憑借NC代碼的驅(qū)動，就可以實現(xiàn)運動建模，確保托板運動邏輯、軸運動定義、換刀邏輯和切屑生成邏輯等都能始終處于可視可控狀態(tài)，讓學(xué)生能夠在虛擬狀態(tài)下觀察工件的切削過程，了解數(shù)控加工過程中各個模塊的互換，達到全面了解數(shù)控機床工作原理、內(nèi)部構(gòu)造、部件約束關(guān)系及裝配關(guān)系等。這樣，VR技術(shù)不但可以將最先進的機床操作新技術(shù)傳輸?shù)綄W(xué)生面前，還可以模擬出當(dāng)下最為先進的機床設(shè)備，讓學(xué)生可以更加全面地掌握領(lǐng)先的技術(shù)。

（二）擴充人才儲備

從現(xiàn)階段數(shù)控加工行業(yè)的發(fā)展而言，數(shù)控加工企業(yè)仍然面臨著技術(shù)人才短缺的問題，或者從事該崗位的員工普遍存在實踐經(jīng)驗不足或是動手能力較弱的缺陷。通過VR技術(shù)手段對學(xué)生進行數(shù)控虛擬設(shè)計、加工和裝配等教學(xué)，可以讓更多的學(xué)生擁有實訓(xùn)實踐的機會，將平時學(xué)到的理論知識充分融入實際操作中去，進而起到鍛煉學(xué)生實際動手能力的目的，強化學(xué)生的專業(yè)技能操作水平，為行業(yè)企業(yè)培養(yǎng)出更多的專業(yè)人才。

（三）改變教學(xué)模式

傳統(tǒng)的數(shù)控加工教學(xué)模式一般是授課講師作為課程的核心，而受教的學(xué)生更多的是被動學(xué)習(xí)，從而導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情不高，很難激發(fā)出學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力。當(dāng)數(shù)控教學(xué)課堂中引入VR技術(shù)之后，教師可通過的編排將此項技術(shù)融入原有的教學(xué)中去，形成專業(yè)知識與現(xiàn)代虛擬技術(shù)相融合的教學(xué)方式，進而改變原有的教學(xué)理念和教學(xué)方法，達到讓學(xué)生主動學(xué)習(xí)熱愛學(xué)習(xí)的目的，從而全面提高學(xué)生對數(shù)控加工技術(shù)學(xué)習(xí)的積極性，更好地培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力和自學(xué)能力。在降低了對實訓(xùn)設(shè)備、加工材料的要求的同時，VR技術(shù)還可以仿真機械構(gòu)件加工的全過程，從不同的視角下展現(xiàn)刀具切削與加工效果，而且加工功能齊全，有良好的可擴展性、通用的平臺效應(yīng)以及逼真的仿真效果，保證學(xué)生能夠真實充分地掌握數(shù)控加工操作技巧。除此之外，一些VR數(shù)控技術(shù)平臺還可以對學(xué)生模擬操作過程中的操作環(huán)節(jié)、加工結(jié)果等實現(xiàn)自動評估和實時記錄，教師和學(xué)生通過系統(tǒng)可以對加工工件的規(guī)范程度進行檢視，能夠幫助學(xué)生及時發(fā)現(xiàn)自己操作過程中的缺陷和不足。系統(tǒng)還可以對歷次操作過的工件數(shù)據(jù)予以保存，學(xué)生可進行二次加工和反復(fù)操練，極大地提高數(shù)控加工的教學(xué)效率。

（四）消除安全隱患

VR技術(shù)還具備良好的兼容性，可以將各類教學(xué)機床技術(shù)融入該系統(tǒng)當(dāng)中，進而避免出現(xiàn)學(xué)生因誤操作而導(dǎo)致機床設(shè)備損壞現(xiàn)象的發(fā)生，更不會對學(xué)生的人身安全造成威脅。并且，VR系統(tǒng)中具有大量的加工工具可供學(xué)生挑選，可以讓學(xué)生自主選擇學(xué)習(xí)和使用，還能對學(xué)生的實際操作進行實時監(jiān)控，出現(xiàn)問題時能夠及時指出學(xué)生的錯誤操作，從而規(guī)范學(xué)生的數(shù)控加工操控手法，避免學(xué)生在進入到實際的工作中后因操作問題導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。學(xué)生和教師也不必?fù)?dān)心設(shè)備損壞、耗材損耗、場地限制等問題。采用VR技術(shù)進行工件加工操作練習(xí)，不會消耗實訓(xùn)材料和能源，能夠有效滿足學(xué)生學(xué)習(xí)需求和教師教學(xué)要求，還能夠極大地降低學(xué)校實訓(xùn)教學(xué)成本，可謂一舉多得。

（五）激發(fā)學(xué)習(xí)主動性

將VR技術(shù)充分融入數(shù)控加工實訓(xùn)教學(xué)中，可以完全打破傳統(tǒng)的以教師為主體的灌輸式教學(xué)模式，通過技術(shù)手段建立起虛擬教學(xué)環(huán)境，使學(xué)生充分地沉浸到學(xué)習(xí)中去，從內(nèi)心深處激發(fā)出學(xué)生對知識的渴求。傳統(tǒng)的實訓(xùn)教學(xué)因為種種原因只能停留在表面，無法教授學(xué)生更深層次的知識，導(dǎo)致學(xué)生在進行數(shù)控加工實踐過程中最多只是進行簡單調(diào)節(jié)機床導(dǎo)軌、尾座，以及對機床進行日常的維護工作、簡單加工等內(nèi)容。而在VR技術(shù)搭建的虛擬平臺下，學(xué)生可以通過虛擬技術(shù)對機床主軸箱、刀架等關(guān)鍵部件進行拆裝組裝，全面深入了解數(shù)控機床的內(nèi)部構(gòu)造，從而對設(shè)備會有更加全面直觀的認(rèn)知，極大地擴寬學(xué)生視野。在學(xué)生了解了數(shù)控機床的內(nèi)部構(gòu)造和工作原理后，一些加工技術(shù)要求的學(xué)習(xí)內(nèi)容就會變得容易和直觀。加之，數(shù)控技術(shù)的線上教學(xué)課程經(jīng)過了接近十年的研發(fā)，集成了國內(nèi)主流品牌的數(shù)控機械面板，將復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)三維具象地展現(xiàn)在學(xué)習(xí)者面前，可以幫助學(xué)生以及科研技術(shù)人員進一步了解數(shù)控機床結(jié)構(gòu)，同時也為技術(shù)人員進行數(shù)控機床系統(tǒng)的二次開發(fā)提供了必要條件。該裝置盡其所能地將所配數(shù)控系統(tǒng)的精髓用最直觀的方法展示給用戶，使用戶能最大限度地參與并獲得深切的體會以達到融會貫通的效果。

（六）增強學(xué)生認(rèn)知

在現(xiàn)代數(shù)控加工專業(yè)理論知識教學(xué)中，VR技術(shù)的廣泛應(yīng)用已經(jīng)打破傳統(tǒng)的低效教學(xué)模式。在VR技術(shù)支持下，教師只需利用一臺計算機即可操作VR系統(tǒng)，并建立起與真實的數(shù)控設(shè)備相同的數(shù)字化3D模擬圖像，將數(shù)控機床、各緊密元件、加工所用的器具直觀體現(xiàn)出來。從而可以使學(xué)生無須深入實訓(xùn)場地也可以從不同的視角直觀清晰地對數(shù)控機床的外觀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和構(gòu)件等進行觀察，進而使數(shù)控機床及加工原理深刻地留在學(xué)生的腦海當(dāng)中。不僅如此，該技術(shù)還可以選定一臺計算機作為核心獨立運行，將虛擬仿真操作的全過程充分地展現(xiàn)在顯示器面板上，并可以將數(shù)控切削過程以動畫的形式顯示出來。另外，該技術(shù)也可以將其放置到局域網(wǎng)上進行運行，將其與機床實件進行連接，學(xué)生可借助相同的局域網(wǎng)絡(luò)向加工機床發(fā)出控制指示指令，并在顯示器上真實觀察到機床的實際運行過程，使學(xué)生可以隨時隨地了解數(shù)控方面的知識。配合線上課程資源部署，使用該裝置的學(xué)生可以通過面板操作以及虛擬三維在線課程掌握數(shù)控車床系統(tǒng)控制原理、電氣設(shè)計方法、元器件的選擇、車床電氣安裝及調(diào)試、故障診斷維修、零件程序編制及圖形模擬加工過程等多項實驗內(nèi)容，達到工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場實習(xí)效果。

（七）優(yōu)化考核方式

由于數(shù)控機床運行維修成本較高，且操作實踐時間較長，導(dǎo)致部分學(xué)生雖然在畢業(yè)時拿到了相關(guān)證件，但仍然存在專業(yè)操作技能與自身掌握的知識并不匹配的現(xiàn)象。因此，職業(yè)院校應(yīng)當(dāng)繼續(xù)加強數(shù)控加工專業(yè)畢業(yè)生的專業(yè)技能考核工作，找出教學(xué)過程中存在的不足，進而提升數(shù)控專業(yè)的教學(xué)質(zhì)量。傳統(tǒng)教學(xué)中大量使用考試成績來評價學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果和教師的教學(xué)績效效率，對于專業(yè)技能實訓(xùn)檢測通常靠教師實訓(xùn)過程的中對學(xué)生的印象來開展評價，這種評價未將學(xué)生的專業(yè)實踐動手能力和創(chuàng)新能力予以很好的體現(xiàn)。在VR虛擬應(yīng)用管理平臺支持下，專業(yè)教師可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)控加工相關(guān)技能的動態(tài)和序列考核工作，可以借助VR技術(shù)平臺設(shè)定考核內(nèi)容，實現(xiàn)多進程的教學(xué)質(zhì)量考核評估。另外，考核教師還可以利用視頻回放功能實現(xiàn)對每個學(xué)生的操作監(jiān)控，同時也以此為依據(jù)為學(xué)生提供相應(yīng)的學(xué)習(xí)指導(dǎo)。

四、VR技術(shù)應(yīng)用于職業(yè)教育技能教學(xué)過程中的不足與展望

從現(xiàn)階段我國職業(yè)院校在專業(yè)教學(xué)中使用VR技術(shù)的水平而言，該技術(shù)與專業(yè)理論教學(xué)的有效融合仍處于起步階段，VR技術(shù)的總體研究還是顯得過于碎片化，無法建立起一個較為完整的理論體系，從而導(dǎo)致職業(yè)院校中的VR技術(shù)自主研發(fā)能力相對較弱，導(dǎo)致VR技術(shù)還無法全面深入地普及到教育教學(xué)中來。另外，因為職業(yè)學(xué)校的學(xué)生基礎(chǔ)知識薄弱，且理論學(xué)習(xí)和計算機操作等方面的能力都比較弱，所以虛擬操作系統(tǒng)不應(yīng)當(dāng)過于高端，操作難度過大同樣也會打擊學(xué)生的積極性，進而降低對學(xué)習(xí)的興趣。為此，研發(fā)人員應(yīng)當(dāng)積極結(jié)合職業(yè)院校、專業(yè)、學(xué)生的實際情況來設(shè)計VR技術(shù)的操作系統(tǒng)，從而促進VR技術(shù)更加有效地深入到專業(yè)教學(xué)領(lǐng)域當(dāng)中。

五、結(jié)語

總而言之，隨著行業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控加工技術(shù)領(lǐng)域隨之拓展，軟件、硬件技術(shù)得以革新，為數(shù)控VR技術(shù)提供了很好的機遇。將VR技術(shù)引入到數(shù)控加工教學(xué)過程中去，完全可以增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，避免實訓(xùn)過程中的安全隱患，達到節(jié)能環(huán)保的教學(xué)效果，可以更好地促進數(shù)控加工及其他領(lǐng)域的專業(yè)教學(xué)。

參考文獻：

[1] 魏智慧.VR在教育中的應(yīng)用及存在的問題與對策[J].信息與電腦，2017（13）：232.

[2] 張有強，廖結(jié)安，趙勁飛，等.“數(shù)控技術(shù)”理論、虛擬、實踐一體化課程的構(gòu)建[J].教育教學(xué)論壇，2018（11）：169.

[3] 陳長全，符龍生.VR技術(shù)在高職院校實訓(xùn)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2022（18）：129.

[4] 郝二濤.應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)提升中職數(shù)控教學(xué)效率的研究[J].南方農(nóng)機，2018（19）：118.

[責(zé)任編輯 趙頌花]

作者簡介：陳琳（1985.9— ），男，漢族，甘肅民樂人，一級教師，研究方向：機械加工技術(shù)、數(shù)控加工技術(shù)。