張良

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VR技術(shù)在數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用研究＊

張良

（蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104）

為了解決數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中遇到的安全性和環(huán)保性等問題，采用VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)改善實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境。通過分析數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)傳統(tǒng)教學(xué)中存在的一系列問題，提出VR技術(shù)在數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的需求，分析了將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用到數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)中的優(yōu)勢。分析結(jié)果顯示，將VR技術(shù)運(yùn)用到數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)中能夠消除實(shí)訓(xùn)過程中安全隱患，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

安全環(huán)保；數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)；VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；教學(xué)需求

1 引言

近年來，我國對于職業(yè)教育的發(fā)展越發(fā)重視，投入到職業(yè)院校的資金越來越多，職業(yè)教育的規(guī)模不斷擴(kuò)大。然而，目前我國的職業(yè)教育仍存在諸多的問題，比如專業(yè)課程教學(xué)過于傳統(tǒng)、教學(xué)成本較高、安全隱患頗多、教師示范操作演示效果不佳等[1]。VR技術(shù)的出現(xiàn)能夠很好解決職業(yè)教育中遇到的諸多問題，VR技術(shù)利用一個虛擬的系統(tǒng)模仿并代替一個真實(shí)的系統(tǒng)，讓使用者能夠身臨其境，對系統(tǒng)中的情景有直觀的感受。

虛擬仿真教學(xué)是一種理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方法，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更是未來教育教學(xué)智能化的一個縮影。然而，目前在我國，VR技術(shù)在高職院校教學(xué)中的應(yīng)用十分罕見。將VR技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械專業(yè)數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)的教學(xué)中是一次大膽的創(chuàng)新，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)采用3D模仿數(shù)控機(jī)床，以實(shí)現(xiàn)機(jī)床拆裝、數(shù)控產(chǎn)品加工等操作，通過直觀形象展示和操作，完成了傳統(tǒng)教學(xué)無法完成的任務(wù)，拓展了學(xué)生的認(rèn)知領(lǐng)域。相信在不久的將來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)必將在職業(yè)教育中得到普及。

2 VR技術(shù)概述

VR（Virtual Reality）技術(shù)，也被稱為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，它是一種將信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等各個領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的計算機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)。VR技術(shù)最早起源于19世紀(jì)50年代，當(dāng)時人們?yōu)榱烁淖儌鹘y(tǒng)的二維屏幕體驗(yàn)，讓電影、動畫更加逼真，更具臨場感，做了一系列大膽的嘗試。但是礙于技術(shù)限制，并沒有形成很大的影響。1992年美國國家科學(xué)基金資助的交互式系統(tǒng)項(xiàng)目工作組的報告中對VR提出了較系統(tǒng)的論述，并確定和建議了未來虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境領(lǐng)域的研究方向。2016年被稱為VR技術(shù)元年[2]，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)成為電子領(lǐng)域的消費(fèi)熱點(diǎn)。

VR技術(shù)主要有三大特征，即感知性、交互性和沉浸性，其系統(tǒng)根據(jù)不同的交互程度一般可以分為沉浸式、桌面式、增強(qiáng)式和分布式[3]四類。VR技術(shù)具有易于實(shí)現(xiàn)、靈活多變、效率高、成本低、消耗少等特點(diǎn)，因此，將VR技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)的優(yōu)勢十分明顯。

3 數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)現(xiàn)狀分析

3.1 數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程及內(nèi)容

數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)過程中所涉及的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容如圖1所示。一般來說，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容可以分為5部分：①先讓學(xué)生對數(shù)控車床的基本知識有所了解，熟悉機(jī)床加工技能和加工工藝，通過普通機(jī)床的教學(xué)讓學(xué)生有整體的相關(guān)概念；②講解數(shù)控編程的相關(guān)內(nèi)容，包括M指令、T指令和G指令等，在講解指令過程中分析零件的加工工藝順序，讓學(xué)生對零件的加工有一個初步的了解；③教師示范數(shù)控車床的基本操作，比如程序輸入、對刀、程序模擬等內(nèi)容，并指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的練習(xí)。④對學(xué)生進(jìn)行分組，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行簡單零件的車削加工練習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作能力和創(chuàng)新精神。⑤進(jìn)行組合件的分組考核，考察學(xué)生的學(xué)習(xí)情況[4]。

圖1 數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容

3.2 數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在的問題

目前我國大部分職業(yè)院校的教學(xué)設(shè)備和辦學(xué)條件并不盡如人意，特別是在數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)課程中，存在以下問題。

3.2.1 教師示范操作效果不佳

數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)課程在學(xué)生操作之前，需要教師親自講解演示，由于學(xué)生人數(shù)較多，實(shí)訓(xùn)場地較為嘈雜，教師在數(shù)控機(jī)床上機(jī)示范時，難以保證所有學(xué)生都能夠聽清楚教師演示的每個關(guān)鍵操作，教學(xué)效果會受到極大的影響。

3.2.2 教學(xué)成本頗高，設(shè)備更新慢

課程內(nèi)容需要學(xué)生在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行操作，機(jī)床種類繁多，實(shí)訓(xùn)所用的機(jī)床設(shè)備很難配套齊全。實(shí)訓(xùn)耗材價格高昂，物力人力成本過高，難以保證所有學(xué)生都有充足的操作機(jī)會。機(jī)械行業(yè)飛速發(fā)展，學(xué)校數(shù)控機(jī)床的更新?lián)Q代遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上企業(yè)，導(dǎo)致學(xué)生所學(xué)的技術(shù)無法與企業(yè)接軌。

3.2.3 學(xué)生易發(fā)生誤操作，造成安全隱患

大部分學(xué)生在開始課程之前，對數(shù)控機(jī)床的操作了解甚少，沒有相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)積累，很容易發(fā)生誤操作。一旦有誤操作發(fā)生，會損壞設(shè)備，甚至?xí)斐砂踩鹿?，?dǎo)致人身傷害。安全隱患也會增加教師的心理負(fù)擔(dān)，不利于正常教學(xué)。

4 VR技術(shù)在數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用

4.1 VR技術(shù)在數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的需求

高職院校的教學(xué)注重培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，VR系統(tǒng)提供的資源庫作為教學(xué)素材正好能夠滿足實(shí)訓(xùn)教學(xué)的需求。數(shù)控實(shí)訓(xùn)教學(xué)對于VR技術(shù)的需求主要有以下幾點(diǎn)[5]。

4.1.1 模擬新技術(shù)機(jī)床

在機(jī)械行業(yè)中，機(jī)床的更新?lián)Q代速度較快，學(xué)校所用的機(jī)床一般比較老舊，VR系統(tǒng)能夠模擬出最先進(jìn)的機(jī)床設(shè)備，從而讓學(xué)生掌握國際領(lǐng)先的技術(shù)。

4.1.2 擴(kuò)充人才儲備

目前，我國數(shù)控加工方面的人才短缺，該方面的學(xué)生普遍缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致技能訓(xùn)練不足，采用VR技術(shù)可以讓更多的學(xué)生有實(shí)踐的機(jī)會，為國家培養(yǎng)更多的專業(yè)人才。

4.1.3 改變教學(xué)模式

傳統(tǒng)的數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)往往是以授課教師作為課程的主導(dǎo)，學(xué)生更多的是被動學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)熱情不高，創(chuàng)新能力不足。引入VR技術(shù)能夠改變原有的教學(xué)模式，讓學(xué)生主動學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力和自學(xué)能力。

4.1.4 推動課程建設(shè)，轉(zhuǎn)化教學(xué)成果

將VR技術(shù)應(yīng)用到數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)中，能夠很好將數(shù)控專業(yè)與其他專業(yè)相結(jié)合，通過積累各專業(yè)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，推動各學(xué)科的教學(xué)資源庫建設(shè)，最大限度完成教學(xué)成果轉(zhuǎn)化。

4.2 VR技術(shù)在數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的優(yōu)勢

將VR技術(shù)應(yīng)用在數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)中能夠突破傳統(tǒng)教學(xué)的許多瓶頸，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的自主能動性，改善教學(xué)環(huán)境，促進(jìn)課程建設(shè)。

4.2.1 彌補(bǔ)教學(xué)條件不足

利用VR系統(tǒng)構(gòu)建虛擬教學(xué)系統(tǒng)，能夠降低教學(xué)成本，節(jié)省教學(xué)空間，實(shí)現(xiàn)低能耗、高效率、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展。而且機(jī)床的種類和型號也可以根據(jù)實(shí)際的需要及時更新，讓學(xué)生學(xué)習(xí)最先進(jìn)的數(shù)控加工技術(shù)。

4.2.2 消除安全隱患

VR系統(tǒng)不會因?yàn)閷W(xué)生的誤操作而造成機(jī)床設(shè)備的損壞，更不會對學(xué)生的人身安全造成威脅。系統(tǒng)中不僅有更多的加工工具供學(xué)生挑選，更能對學(xué)生的操作進(jìn)行實(shí)時檢測，及時指出學(xué)生的錯誤操作，大大減少了教師的工作量。

4.2.3 激發(fā)學(xué)習(xí)主動性

在數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)中使用VR技術(shù)能夠打破以往以教師為主導(dǎo)的傳統(tǒng)教學(xué)模式，構(gòu)建虛擬的教學(xué)環(huán)境能夠激發(fā)學(xué)生的求知欲，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)只能停留在表面，學(xué)生最多就是調(diào)節(jié)機(jī)床導(dǎo)軌、尾座，對機(jī)床進(jìn)行日常的維護(hù)等內(nèi)容。而在虛擬的環(huán)境中，學(xué)生能夠?qū)C(jī)床主軸箱、刀架等部件進(jìn)行拆裝，了解機(jī)床的內(nèi)部構(gòu)造，讓學(xué)生對設(shè)備有更加深入的直觀感知，開拓了學(xué)生的視野。

4.2.4 實(shí)現(xiàn)無紙化考核

無紙化辦公一直都是國家大力倡導(dǎo)的環(huán)保節(jié)能途徑，使用VR技術(shù)能夠真正實(shí)現(xiàn)學(xué)生的考核無紙化。VR系統(tǒng)可以以聯(lián)網(wǎng)的方式呈現(xiàn)教師演示的教學(xué)內(nèi)容，而且能讓教師通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時監(jiān)測學(xué)生的操作情況，發(fā)生誤操作時能夠及時進(jìn)行指導(dǎo)并更正，提供更規(guī)范的評價系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一考核。

5 總結(jié)

VR技術(shù)在數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用研究中，首先介紹了VR技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展方向，然后對數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程及內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)，指出了傳統(tǒng)教學(xué)中存在的一系列問題，接著提出了VR技術(shù)在數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的需求，最后分析了將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用到數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)中的優(yōu)勢。綜上所述，將VR技術(shù)運(yùn)用到數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)中能夠增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，消除安全隱患，達(dá)到節(jié)能減排的效果。從上述角度考慮的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能夠成功地應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中，對于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用研究具有一定的參考價值。

［1］陳長全，符龍生.VR技術(shù)在高職院校實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用［J］.電子技術(shù)與軟件工程，2018（18）：129-131.

［2］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（14）：232-234.

［3］舒忠.VR技術(shù)在職業(yè)教育領(lǐng)域應(yīng)用場景及展望探討［J］.經(jīng)貿(mào)實(shí)踐，2018（18）：344-345.

［4］張偉，王婧.淺談數(shù)控車床編程與加工課的一體化教學(xué)［J］.科技資訊，2018（17）：148-149．

［5］倪珉.基于VR/AR技術(shù)的數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)需求與對策研究［J］.科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力，2018（7）：112-114．

張良（1988—），男，江蘇蘇州人，碩士研究生，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。

2018—2019年度蘇州市現(xiàn)代裝備制造職業(yè)教育集團(tuán)教育教學(xué)改革研究課題“虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)在‘機(jī)械加工’實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用研究”（編號：zbzj201808）；2018—2019年度蘇州市“高技能人才培養(yǎng)研發(fā)”市級重點(diǎn)課題“虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)在‘機(jī)械加工’實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用研究”（編號：GJNZ201805）

2095－6835（2019）02－0066－02

TG659

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.066

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕