虛擬仿真技術(shù)在機(jī)械制造類課程中的應(yīng)用探討

王卉軍 劉虎 曹銳 王偉

武昌工學(xué)院 湖北省武漢市 430065

引言：自從國家研發(fā)出虛擬仿真技術(shù)后，被眾多教師積極運(yùn)用到課堂教學(xué)中來。目前部分教師在組織機(jī)械類課程教學(xué)時(shí)，會(huì)運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)為學(xué)生呈現(xiàn)教材上的知識(shí)點(diǎn)，力求通過虛擬仿真技術(shù)，解決機(jī)械設(shè)備操作危險(xiǎn)、設(shè)備貴以及機(jī)械課程技術(shù)集成程度高等方面的問題。為了發(fā)揮出虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，教師在機(jī)械制造類課程上應(yīng)以學(xué)生學(xué)習(xí)需求為導(dǎo)向，圍繞每個(gè)課時(shí)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)特征設(shè)置應(yīng)用方式，使學(xué)生在虛擬仿真技術(shù)輔助下能夠充分理解教學(xué)知識(shí)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)效率。

1 虛擬仿真技術(shù)概述

虛擬仿真技術(shù)又被稱作虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和模擬技術(shù)，需要人們運(yùn)用計(jì)算機(jī)，在虛擬的系統(tǒng)行模擬真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)。從廣義層面來看，虛擬仿真技術(shù)是在人類對(duì)自然世界變化規(guī)律形成基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)后，運(yùn)用模仿的方式仿照自然規(guī)律，現(xiàn)今隨著計(jì)算機(jī)出現(xiàn)，人們開始運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)論證、實(shí)驗(yàn)客觀世界產(chǎn)生的各類現(xiàn)象，根據(jù)實(shí)踐數(shù)據(jù)分析自然世界的變化規(guī)律，當(dāng)下已經(jīng)成為人們認(rèn)識(shí)、變革和創(chuàng)新客觀世界的虛擬性技術(shù)；從狹義層面來看，虛擬仿真技術(shù)是在計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生的與試驗(yàn)研究有關(guān)的信息技術(shù)。由于機(jī)械制造類課程對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力要求較高，但是目前部分設(shè)備價(jià)格昂貴、操作危險(xiǎn)，院校無法為學(xué)生提供，當(dāng)教師在課堂上運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)組織教學(xué)時(shí)，可以運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)手段處理這節(jié)問題，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中通過學(xué)習(xí)實(shí)踐，充分掌握相關(guān)機(jī)械的性能和使用技巧，提高聽課效率。

2 目前機(jī)械制造類課程教學(xué)中存在的問題

2.1 虛擬仿真技術(shù)仍處在初期應(yīng)用階段

這幾年我國信息技術(shù)發(fā)展成熟，教育領(lǐng)域開始運(yùn)用智能化設(shè)備講解教學(xué)知識(shí)，現(xiàn)今多數(shù)院校已經(jīng)利用虛擬仿真技術(shù)組織機(jī)械制造類課程教學(xué)，使課堂教學(xué)質(zhì)量得到明顯提高，彰顯出院校的現(xiàn)代化教學(xué)發(fā)展步伐。但是在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，雖然部分院校已經(jīng)配置了部分與虛擬仿真技術(shù)有關(guān)的設(shè)備，但是由于教師對(duì)該項(xiàng)技術(shù)了解程度較低，在課堂上很少運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)解釋教學(xué)知識(shí)的含義，仍習(xí)慣沿用口頭講課的方法，圍繞教材上的文字內(nèi)容講解知識(shí)點(diǎn)，沒有將虛擬仿真技術(shù)全面運(yùn)用到課堂教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，導(dǎo)致虛擬仿真技術(shù)成為了一種浮于表面的教學(xué)設(shè)備，阻礙了虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)程。

2.2 教學(xué)方式有待完善

雖然近年多數(shù)院校在機(jī)械類課程教學(xué)中，鼓勵(lì)教師運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行講課，然而在具體實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，教師使用的教學(xué)方式有待完善。目前受到教學(xué)資源影響，大多數(shù)教師在運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)時(shí)，需要組織學(xué)生前往多媒體教室，課堂上也是運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)中的視頻和圖像播放功能，為學(xué)生展示教材上的文字內(nèi)容，教師通過輔助講解的方式，幫助學(xué)生理解相關(guān)素材的含義，講課方式比較單一，沒有圍繞學(xué)生學(xué)習(xí)需求探尋新型教學(xué)模式，課堂教學(xué)方法比較固定，導(dǎo)致部分學(xué)生在面對(duì)機(jī)械類課程時(shí)，喪失了濃厚的學(xué)習(xí)興趣，弱化了虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。

2.3 課堂教學(xué)趣味性較低

院校在機(jī)械類課程中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的目的，就是為了用虛擬仿真技術(shù)處理操作過程中出現(xiàn)的實(shí)踐危險(xiǎn)和解決設(shè)備昂貴等問題，將教材上抽象的文字內(nèi)容，借助影視和圖畫直觀展示給學(xué)生，幫助學(xué)生充分了解教材上的理論知識(shí)，掌握相關(guān)機(jī)械的操作技術(shù)。但是在具體應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的過程中，大多數(shù)教師基本上是以PPT 課件的方式進(jìn)行授課，沒有為學(xué)生設(shè)計(jì)游戲類或者實(shí)踐類活動(dòng)，課堂教學(xué)趣味性較低，從而使得學(xué)生無法以良好心態(tài)投入到課堂學(xué)習(xí)中來。

2.4 學(xué)生學(xué)習(xí)能力較差

學(xué)生的學(xué)習(xí)能力決定了聽課質(zhì)量，如果學(xué)生具備良好的學(xué)習(xí)能力，可以在較短時(shí)間內(nèi)充分理解教學(xué)知識(shí)的內(nèi)涵，并可以在實(shí)踐中達(dá)到舉一反三的效果。但是由于我國學(xué)生學(xué)習(xí)能力較差，大多數(shù)學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)械類課程中的理論知識(shí)時(shí)，無法選擇恰當(dāng)?shù)姆椒ㄌ綄は嚓P(guān)知識(shí)點(diǎn)的含義，不能充分利用虛擬仿真技術(shù)探索相關(guān)機(jī)械的操作方式，在學(xué)習(xí)中存在盲目的學(xué)習(xí)現(xiàn)象，這種情形導(dǎo)致學(xué)生在今后實(shí)際工作中接觸相關(guān)機(jī)械時(shí)，只能按照相關(guān)機(jī)械提供的指導(dǎo)書進(jìn)行實(shí)踐，自學(xué)質(zhì)量較差。

3 虛擬仿真技術(shù)在機(jī)械制造類課程中的應(yīng)用策略

3.1 制定差異化教學(xué)目標(biāo)，增強(qiáng)教學(xué)質(zhì)量

教學(xué)目標(biāo)是教育體系中的首要環(huán)節(jié)，教學(xué)目標(biāo)是否合理直接決定了課堂教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量。過去教師在機(jī)械制造類課程中設(shè)置教學(xué)目標(biāo)時(shí)，是以每個(gè)課時(shí)教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)，為全班同學(xué)設(shè)計(jì)同樣的聽課要求。但是在具體開展教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，每個(gè)學(xué)生理解能力都不同，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)相同的理論知識(shí)時(shí)，產(chǎn)生的學(xué)習(xí)效果也不一致。因此，當(dāng)教師在該課中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)時(shí)，應(yīng)立足學(xué)生主體制定差異化教學(xué)目標(biāo)，在備課時(shí)期系統(tǒng)鉆研每個(gè)課時(shí)教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗(yàn)分析重難點(diǎn)講解方法，預(yù)估學(xué)生在聽課中可能會(huì)出現(xiàn)的疑惑，圍繞學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)情況制定要求制定差異化教學(xué)目標(biāo)，增強(qiáng)教學(xué)質(zhì)量，確保全班同學(xué)在課堂學(xué)習(xí)中都能充分掌握教學(xué)知識(shí)。

例如，在講到《五軸數(shù)控編程》時(shí)，這門課程涉及到機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)床設(shè)計(jì)和計(jì)算技術(shù)等內(nèi)容，對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力要求極高。為了在教學(xué)中實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，教師應(yīng)積極運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)組織教學(xué)，推動(dòng)新工科建設(shè)步伐。在課堂上教師可以運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)學(xué)工具，工程CAD/CAM 軟件和仿真軟件VERICUT 設(shè)計(jì)，為學(xué)生創(chuàng)建實(shí)際制造過程的五軸數(shù)控機(jī)床虛擬實(shí)驗(yàn)，這樣可以解決院校實(shí)踐設(shè)備不足、操作危險(xiǎn)性高的問題，確保學(xué)生安全。在制定教學(xué)目標(biāo)時(shí)，教師可以將學(xué)生分成學(xué)習(xí)速度較快和一般兩種類型。通常情況下，學(xué)習(xí)速度較快的學(xué)生領(lǐng)悟能力較強(qiáng)，教師可以要求學(xué)生在課堂上利用VERICUT 軟件學(xué)習(xí)機(jī)床創(chuàng)建、工裝夾具設(shè)計(jì)和多工位設(shè)置方法，模擬加工操作步驟；學(xué)習(xí)速度一般的學(xué)生在聽課中容易出現(xiàn)無方向感的情況，教師可以在應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)展示這節(jié)知識(shí)之前，告訴學(xué)生學(xué)習(xí)重點(diǎn)，要求學(xué)生了解機(jī)床運(yùn)動(dòng)過程，學(xué)習(xí)刀位數(shù)據(jù)后處理為數(shù)控代碼的理論知識(shí)，分析不同切削參數(shù)設(shè)置方法，使學(xué)生在了解基礎(chǔ)知識(shí)中，能夠主動(dòng)探索虛擬仿真技術(shù)中的內(nèi)容，提高學(xué)習(xí)效率。

3.2 借助現(xiàn)有資源，實(shí)施立體化教學(xué)

由于機(jī)械制造類課程中涉及到大量的實(shí)踐操作，部分實(shí)踐設(shè)備價(jià)格比較昂貴，院校無法為學(xué)生配置完善的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。因此，教師在教學(xué)中可以運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)解決這一問題，深入了解該項(xiàng)技術(shù)的使用方法，綜合考量該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用方式，并將其與教材和網(wǎng)絡(luò)資源融合起來，圍繞學(xué)生學(xué)習(xí)需求設(shè)計(jì)指導(dǎo)方式，在網(wǎng)上搜尋與機(jī)械制造類課程有關(guān)的教學(xué)視頻，然后運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行播放，這樣學(xué)生可以在教學(xué)視頻的輔助下全面了解教學(xué)知識(shí)，提升聽課質(zhì)量。

例如，在講到《氣動(dòng)與液壓》時(shí)，這節(jié)要求學(xué)生掌握液壓換向閥的工作原理和符號(hào)表示含義，學(xué)習(xí)機(jī)械中常見的三位四通換向閥的中位機(jī)能，教師可以在課前，在互聯(lián)網(wǎng)上選擇與這節(jié)內(nèi)容有關(guān)的視頻，將換向閥工作原理與圖形符號(hào)有關(guān)的視頻下載下來，課堂上利用虛擬仿真技術(shù)為學(xué)生還原三位四通換向閥的中位機(jī)能，通過視頻進(jìn)行原理演示和動(dòng)畫仿真，為學(xué)生搭建一個(gè)虛擬真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境。在視頻播放的過程中，教師可以讓學(xué)生分析視頻中哪些地方使用了換向回路，讓學(xué)生通過觀察閥芯尺寸變化總結(jié)中位機(jī)能的三位四通閥的特點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生參與到課堂學(xué)習(xí)中來，積極改變過去滿堂灌的教學(xué)方法。當(dāng)視頻展示完畢時(shí)，教師可以讓學(xué)生解釋自身對(duì)視頻內(nèi)容的見解，教師可以在學(xué)生回答的基礎(chǔ)上，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)為學(xué)生詳細(xì)呈現(xiàn)教學(xué)知識(shí)，通過輔助解說的方式，告訴學(xué)生三位四通換向閥的中位機(jī)能以及換向閥的工作原理和圖形符號(hào)，保證每位學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中都能全面理解這節(jié)內(nèi)容。

3.3 通過搭建實(shí)踐平臺(tái)，增強(qiáng)教學(xué)趣味性

由于機(jī)械制造類課程操作性比較強(qiáng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)，還應(yīng)鍛煉個(gè)人實(shí)踐能力。當(dāng)前院校為了培養(yǎng)技能型人才，提倡教學(xué)研結(jié)合的教學(xué)理念，要求教師在組織教學(xué)中，積極將理論與實(shí)踐教學(xué)融合起來，注重學(xué)生綜合能力培育。因此，當(dāng)教師在機(jī)械制造類課程中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)時(shí)，應(yīng)緊跟教育發(fā)展方向，圍繞該課教學(xué)要求設(shè)計(jì)教學(xué)模式，通過搭建實(shí)踐平臺(tái)，增強(qiáng)教學(xué)趣味性，借助科研項(xiàng)目、學(xué)科競(jìng)賽和創(chuàng)新項(xiàng)目訓(xùn)練的方法，為學(xué)生留有自主試驗(yàn)設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)，這樣學(xué)生可以在實(shí)踐平臺(tái)，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，并在虛擬環(huán)境下對(duì)個(gè)人創(chuàng)造的產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)試和改良，使學(xué)生在參與實(shí)踐中能夠全面發(fā)展各項(xiàng)能力。

例如，在學(xué)完智能制造虛擬仿真平臺(tái)后，教師可以向?qū)W校申請(qǐng)?jiān)趯?shí)驗(yàn)室搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在實(shí)踐課上組織學(xué)生去實(shí)驗(yàn)室，借助虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)。目前智能制造虛擬仿真平臺(tái)可以圍繞用戶需求，提供多種處理方案，現(xiàn)有的處理方案主要包含基礎(chǔ)版、標(biāo)準(zhǔn)版和增強(qiáng)版，具有展示智能制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)、自由建設(shè)設(shè)備庫、提供多種設(shè)備庫模型等功能，這些功能能夠有效滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。在組織自主實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師可以將全班同學(xué)進(jìn)行分隊(duì)，讓學(xué)生通過分隊(duì)合作的方式，共同完成實(shí)踐任務(wù)。在學(xué)生將產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后，教師可以讓每個(gè)隊(duì)伍利用虛擬仿真技術(shù)展示設(shè)計(jì)好的產(chǎn)品，教師可以根據(jù)學(xué)生的示范表現(xiàn)，告訴學(xué)生在相關(guān)設(shè)備上應(yīng)輸入哪些運(yùn)行參數(shù)，控制該設(shè)備的運(yùn)作過程和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并當(dāng)堂組織學(xué)生重新調(diào)試相關(guān)產(chǎn)品，讓學(xué)生通過模擬系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果，總結(jié)設(shè)置參數(shù)和注意事項(xiàng)，這樣學(xué)生在反復(fù)修改實(shí)踐中，提升自身對(duì)制造的認(rèn)識(shí)和操作水平。

3.4 采用學(xué)生講課的方式，培養(yǎng)學(xué)習(xí)能力

虛擬仿真技術(shù)需要教師運(yùn)用實(shí)物和計(jì)算機(jī)軟件建設(shè)出真實(shí)的情境，讓學(xué)生在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行學(xué)習(xí)。目前大多數(shù)院校在開設(shè)機(jī)械制造類課程時(shí)，通常是根據(jù)該行業(yè)的社會(huì)發(fā)展情況，為學(xué)生挑選學(xué)習(xí)教材，教材內(nèi)容的針對(duì)性較強(qiáng)，教師可以在機(jī)械制造類課程上運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)時(shí)，結(jié)合該行業(yè)對(duì)人才質(zhì)量的要求探尋教學(xué)模式，采用學(xué)生講課的方式，培養(yǎng)學(xué)習(xí)能力，要求學(xué)生根據(jù)自身對(duì)虛擬仿真技術(shù)模擬出的實(shí)驗(yàn)過程的理解，自主設(shè)計(jì)講課內(nèi)容，使學(xué)生在講解教學(xué)內(nèi)容中，能夠轉(zhuǎn)變過去的聽課思維，主動(dòng)學(xué)習(xí)教學(xué)知識(shí)。

例如，在講到《數(shù)控機(jī)床編程與操作》時(shí)，這節(jié)需要學(xué)生掌握數(shù)控加工工藝分析和設(shè)計(jì)方式，了解數(shù)控工藝文件的編寫技巧。教師可以在導(dǎo)入環(huán)節(jié)為學(xué)生闡述這節(jié)學(xué)習(xí)要點(diǎn)，并將全班同學(xué)劃分成多個(gè)陣營，讓學(xué)生在陣營中圍繞虛擬仿真技術(shù)展示的實(shí)驗(yàn)過程，相互探討講課內(nèi)容，要求學(xué)生深入分析數(shù)控加工工藝內(nèi)容的選擇方式和路線設(shè)計(jì)要求，在學(xué)生交流完畢時(shí)，教師可以讓每個(gè)陣營輪流講課，要求學(xué)生在講課中運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)展示技術(shù)文件的編寫過程，這樣教師可以通過觀察學(xué)生的講課情況，分析學(xué)生對(duì)這節(jié)內(nèi)容存在的理解缺陷。當(dāng)全班同學(xué)講課結(jié)束后，教師應(yīng)贊賞講課效果優(yōu)質(zhì)的陣營，點(diǎn)評(píng)該陣營的講課優(yōu)點(diǎn)，并指出其它陣營在解釋實(shí)驗(yàn)過程中存在的問題，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)帶領(lǐng)學(xué)生詳細(xì)學(xué)習(xí)這節(jié)內(nèi)容，使學(xué)生在聽課中能夠系統(tǒng)學(xué)習(xí)這節(jié)內(nèi)容。

4 虛擬仿真技術(shù)在機(jī)械制造類課程中的應(yīng)用要求

首先，教師應(yīng)聚焦學(xué)生學(xué)習(xí)需求開展教學(xué)。根據(jù)以往教學(xué)發(fā)現(xiàn)，每個(gè)學(xué)生面對(duì)相同的教學(xué)知識(shí)產(chǎn)生的學(xué)習(xí)需求都不同，部分學(xué)生需要花費(fèi)大量時(shí)間學(xué)習(xí)理論知識(shí)，部分學(xué)生希望通過虛擬仿真技術(shù)，培養(yǎng)個(gè)人實(shí)踐能力。因此，教師在機(jī)械制造類課程中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)時(shí)，應(yīng)在每節(jié)課堂都以學(xué)生為中心，聚焦學(xué)生學(xué)習(xí)需求開展教學(xué)，積極變革教學(xué)觀念，根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)探尋多樣教學(xué)模式，確保虛擬仿真技術(shù)能夠在教育領(lǐng)域發(fā)揮出應(yīng)有的教學(xué)水平。

其次，教師應(yīng)選擇適宜的教學(xué)內(nèi)容。近年自從我國科技水平發(fā)展成熟后，網(wǎng)絡(luò)上的學(xué)習(xí)資源和教學(xué)視頻也逐漸增多，同個(gè)教學(xué)知識(shí)在不同網(wǎng)站上有風(fēng)格不同的講解視頻，教師在設(shè)置虛擬仿真技術(shù)教學(xué)內(nèi)容時(shí)，應(yīng)根據(jù)機(jī)械制造類行業(yè)對(duì)人才能力的要求，立足教材上的知識(shí)點(diǎn)，向外拓展教學(xué)內(nèi)容，圍繞重難點(diǎn)選擇國內(nèi)外前沿的操作視頻，并在課堂上根據(jù)學(xué)生的聽課反應(yīng)，靈活調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，力求全班學(xué)生都能在虛擬仿真的環(huán)境中，快速掌握需要學(xué)習(xí)的教學(xué)知識(shí)。

5 結(jié)語

綜上，由于機(jī)械制造類課程實(shí)踐性較強(qiáng)，在教學(xué)中需要用到大量實(shí)踐設(shè)備，但是部分設(shè)備價(jià)格較高，院?，F(xiàn)有經(jīng)費(fèi)無法滿足教學(xué)需求，教師可以利用虛擬仿真技術(shù)組織教學(xué)，解決操作過程中的危險(xiǎn)、解決設(shè)備昂貴、分步簡(jiǎn)化技術(shù)讓學(xué)習(xí)者由淺及深的學(xué)習(xí)技術(shù)。然而在實(shí)際教學(xué)中，仍存在部分問題需要改進(jìn)，需要教師在應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)中，綜合考量學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，設(shè)計(jì)合理的教學(xué)模式，使學(xué)生在參與學(xué)習(xí)中全面發(fā)展綜合能力。