陳鵬武

[摘? ? ? ? ? ?要]? 現(xiàn)在社會(huì)正進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)代，各高校的金工實(shí)習(xí)設(shè)備升級(jí)，引進(jìn)的先進(jìn)制造設(shè)備數(shù)量少、價(jià)格昂貴，維修保養(yǎng)成本高，學(xué)生未能動(dòng)手實(shí)踐。金工實(shí)習(xí)上課內(nèi)容比較抽象、枯燥，學(xué)生難以理解，興趣不高，教學(xué)效果一般。虛擬仿真技術(shù)是一個(gè)時(shí)代新物，應(yīng)用廣泛，應(yīng)用到金工實(shí)習(xí)中，將是一個(gè)新的教學(xué)方式，有效解決先進(jìn)設(shè)備的問題和金工場(chǎng)地，同時(shí)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)金工實(shí)習(xí)的不足。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 金工實(shí)習(xí);虛擬仿真技術(shù);教學(xué)方式

[中圖分類號(hào)]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號(hào)]? 2096-0603（2022）19-0122-03

虛擬仿真技術(shù)是一門科技含量較高的學(xué)科，依托計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，交叉了多媒體技術(shù)、機(jī)械工程技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、傳感與測(cè)量技術(shù)、仿真與人工智能等多學(xué)科融合為一體，構(gòu)建一個(gè)與現(xiàn)實(shí)相同的虛擬環(huán)境，沉浸式的體驗(yàn)，人機(jī)交流，與現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)相同。越來越多高校的實(shí)訓(xùn)教學(xué)正在引入虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)。

虛擬仿真技術(shù)即虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（簡(jiǎn)稱VR），在20世紀(jì)40年代被歐美國(guó)家發(fā)明，目前其核心技術(shù)掌握在發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、日本等。最先應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，21世紀(jì)正是一個(gè)高速發(fā)展的科學(xué)技術(shù)時(shí)代，對(duì)人類影響發(fā)生極大的變化，人對(duì)生活、思想不斷提高需求，虛擬仿真技術(shù)被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中，如醫(yī)學(xué)的虛擬現(xiàn)實(shí)手術(shù)培訓(xùn)，汽車、船舶、飛機(jī)的虛擬現(xiàn)實(shí)駕駛，VR影視，VR游戲，虛擬仿真教學(xué)等。我們國(guó)家對(duì)虛擬仿真技術(shù)掌握相對(duì)薄弱，由于起步晚，教育部頒發(fā)《關(guān)于開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》（教高司函[2013]94號(hào)），興起大批學(xué)者對(duì)虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行研究。

一、金工實(shí)習(xí)的目的和現(xiàn)狀

（一）金工實(shí)習(xí)教學(xué)目的

金工實(shí)習(xí)是一門以實(shí)踐教學(xué)為主的公共基礎(chǔ)課，是工科類學(xué)生在校期間不可缺少的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，從前金工實(shí)習(xí)強(qiáng)調(diào)學(xué)生獨(dú)立操作，把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐教學(xué)結(jié)合，從而培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和掌握機(jī)械制造一般過程。隨著社會(huì)科學(xué)技術(shù)不斷更新，各高校已引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備，現(xiàn)在金工實(shí)習(xí)演變?yōu)楣こ逃?xùn)練，注重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，同時(shí)也在培養(yǎng)和提高學(xué)生的工程素質(zhì)、創(chuàng)新能力。它是高校對(duì)學(xué)生進(jìn)行工程教育與培養(yǎng)的主要環(huán)節(jié)和內(nèi)容，通過金工實(shí)習(xí)，學(xué)生初步掌握現(xiàn)代機(jī)加工的基本知識(shí)，對(duì)現(xiàn)代機(jī)加工建立生產(chǎn)概念，能夠?qū)?jiǎn)單零件作出初步工藝操作和分析。同時(shí)也是學(xué)生畢業(yè)前與社會(huì)無縫接軌的橋梁，培養(yǎng)學(xué)生熱愛勞動(dòng)、愛護(hù)設(shè)備、建立生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)觀，為其日后的機(jī)械制造類課程和從事機(jī)械工程類工作等打下良好的基礎(chǔ)。

（二）金工實(shí)習(xí)的教學(xué)現(xiàn)狀

大部高校的金工實(shí)習(xí)教學(xué)方式主要是利用多媒體或現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)或兩者結(jié)合。每個(gè)參加金工實(shí)習(xí)的學(xué)生都是初學(xué)者，對(duì)設(shè)備和操作都不熟，主要通過老師講解來獲取，內(nèi)容比較抽象和枯燥，難以理解和掌握，教學(xué)效果一般，不利于學(xué)生實(shí)習(xí)，操作設(shè)備容易發(fā)生事故，如普通車床實(shí)訓(xùn)時(shí)，車床是開放性加工，初學(xué)者對(duì)設(shè)備不熟，容易發(fā)生刀架撞車床、斷車刀等危險(xiǎn)事故。

各高校隨著社會(huì)的發(fā)展，更加重視金工實(shí)習(xí)的發(fā)展，加大資金投入，引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備，實(shí)習(xí)場(chǎng)地?cái)U(kuò)大。由于高校的資金和場(chǎng)地有限，先進(jìn)設(shè)備價(jià)格昂貴和維修保養(yǎng)貴，現(xiàn)如今的金工實(shí)習(xí)的設(shè)備特點(diǎn)是傳統(tǒng)設(shè)備保有量大、老舊且占地面積大，先進(jìn)設(shè)備少，更新緩慢。在實(shí)習(xí)先進(jìn)設(shè)備時(shí)，老師講解和操作，學(xué)生未能參與動(dòng)手實(shí)踐，不利于學(xué)生對(duì)現(xiàn)代機(jī)械制造的了解，學(xué)生興趣不高，難以提高學(xué)生的工程素質(zhì)和創(chuàng)新能力。如引進(jìn)一臺(tái)數(shù)控五軸銑床需要一百萬元左右，學(xué)生是初學(xué)者，對(duì)設(shè)備操作不熟練，容易發(fā)生操作失誤，從而撞壞主軸，維修費(fèi)高達(dá)十幾萬元，高校一般只引進(jìn)一兩臺(tái)，教師只能按教學(xué)要求帶領(lǐng)實(shí)習(xí)。

二、國(guó)內(nèi)外虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況

（一）國(guó)外建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況

國(guó)外掌握虛擬仿真的核心技術(shù)起源早，已在各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。虛擬仿真技術(shù)正引領(lǐng)各國(guó)對(duì)教育進(jìn)行提升和改革，也是培養(yǎng)現(xiàn)代高質(zhì)量人才的重要手段，備受各國(guó)重視。查資料了解到表1（見文末）是國(guó)外高校虛擬仿真教學(xué)的主要類別和基本形式。

（二）國(guó)內(nèi)建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況

根據(jù)教育部頒布的《關(guān)于開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》（教高司函[2013]94號(hào)文），我國(guó)組建大量專家學(xué)者對(duì)虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行研究，在教育部公布的數(shù)據(jù)中，了解到我國(guó)2017—2020年建立國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的情況如表2所示。

三、虛擬仿真技術(shù)融入金工實(shí)習(xí)教學(xué)的意義

虛擬仿真技術(shù)引入金工實(shí)習(xí)教學(xué)中，充分發(fā)揮作用、互相補(bǔ)充，給金工實(shí)習(xí)教學(xué)帶來了一個(gè)全新教學(xué)方式，同時(shí)也解決了自身教學(xué)缺陷，利用虛擬仿真技術(shù)創(chuàng)造一個(gè)與現(xiàn)實(shí)有相同體驗(yàn)的“沉浸式”教學(xué)環(huán)境，立體感強(qiáng)，多角度學(xué)習(xí)，提高了學(xué)生興趣與教學(xué)質(zhì)量，解決原有教學(xué)上存在的諸多問題和不足。有效地解決高校金工實(shí)習(xí)發(fā)展需要的場(chǎng)地、設(shè)備數(shù)、師生比等問題，提高設(shè)備利用率，加大對(duì)學(xué)生開放，學(xué)生可以隨時(shí)自主學(xué)習(xí)，更加充分地培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)、創(chuàng)新能力、實(shí)踐動(dòng)手能力，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量與現(xiàn)代企業(yè)發(fā)展需求接軌。響應(yīng)李克強(qiáng)總理提出的“中國(guó)制造2025”號(hào)召，為中國(guó)制造崛起提供高質(zhì)量人才，使金工實(shí)習(xí)在未來發(fā)展更好、更遠(yuǎn)、可持續(xù)。

四、虛擬仿真技術(shù)引入金工實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的優(yōu)點(diǎn)

（一）改變教學(xué)方式

據(jù)了解大部高校的金工實(shí)習(xí)采用多媒體教學(xué)或現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)或兩者相結(jié)合的方式，上課內(nèi)容比較抽象，學(xué)生興趣不高，作為初學(xué)者，較難掌握和理解實(shí)習(xí)設(shè)備的工作原理，容易操作失誤，對(duì)學(xué)生和設(shè)備安全存在較大危險(xiǎn)。特別是現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，實(shí)質(zhì)是傳幫帶式教學(xué)，十幾個(gè)學(xué)生圍繞一臺(tái)設(shè)備，聽指導(dǎo)老師講解，靠后站的學(xué)生聽不清，也看不見設(shè)備結(jié)構(gòu)，教學(xué)效果一般。虛擬仿真技術(shù)可以有效地改變金工實(shí)習(xí)的教學(xué)方式，帶來一次全新的教學(xué)改革，學(xué)生通過輔助工具，如眼鏡、智能穿戴等，進(jìn)入一個(gè)真實(shí)的教學(xué)環(huán)境中，沉浸式體驗(yàn)教學(xué)，全方位了解設(shè)備原理和操作，增強(qiáng)學(xué)生興趣，提高信心，進(jìn)一步提高教學(xué)效果。也利于安全教育開展，雖然老師上課時(shí)有講解安全知識(shí)，但無法演示，學(xué)生難以理解，安全意識(shí)不強(qiáng)，易發(fā)生事故，利用虛擬仿真安全事故教學(xué)模塊，學(xué)生能直觀地體驗(yàn)安全事故的發(fā)生，從而提高學(xué)生的安全意識(shí)。以下是虛擬仿真技術(shù)融合金工實(shí)習(xí)后的教學(xué)流程圖。

（二）加強(qiáng)考核，建立過程考核

我校的金工實(shí)習(xí)評(píng)分流程如下：20%平時(shí)成績(jī)+60%考核（加工零件作業(yè)）+20%實(shí)習(xí)報(bào)告考核成績(jī)。在車工實(shí)訓(xùn)時(shí)，兩個(gè)學(xué)生共用一臺(tái)車床，十幾臺(tái)車床同時(shí)實(shí)訓(xùn)，教師很難辨別加工零件是否該學(xué)生獨(dú)立完成的，記錄不了每個(gè)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐情況，考核有漏洞，部分學(xué)生可以趁機(jī)不動(dòng)手實(shí)訓(xùn)，教學(xué)質(zhì)量不高。特別是先進(jìn)設(shè)備的實(shí)訓(xùn)更難給予考核，設(shè)備數(shù)量少，學(xué)生興趣高，未能參與操作，會(huì)打擊學(xué)生的積極性。在虛擬仿真系統(tǒng)中設(shè)置好相應(yīng)的考核，學(xué)生進(jìn)行沉浸式練習(xí)時(shí)，系統(tǒng)記錄考核，教師清楚地看到每個(gè)學(xué)生操作，對(duì)學(xué)生進(jìn)行過程考核，給教師提供考核依據(jù)，使考核更加公平透明化和量化，加強(qiáng)考核有利于提高教學(xué)質(zhì)量。

（三）減少耗材，降低維護(hù)費(fèi)

近幾年國(guó)家提出青山綠水，資源越來越短缺，要節(jié)約能源，各高校也提倡綠色校園。金工實(shí)習(xí)前期，學(xué)生需要反復(fù)練習(xí)，消耗大量材料，才能掌握和操作設(shè)備，獨(dú)立完成作業(yè)。在練習(xí)過程中，學(xué)生是初學(xué)者，不熟悉操作設(shè)備，容易對(duì)設(shè)備造成損壞，特別先進(jìn)設(shè)備的價(jià)格昂貴、精度高，維修成本貴。虛擬仿真技術(shù)可以給金工實(shí)習(xí)提供一個(gè)無耗材、無設(shè)備被損壞、實(shí)訓(xùn)安全的真實(shí)教學(xué)環(huán)境，學(xué)生可以無限反復(fù)練習(xí)。

（四）提高近機(jī)類專業(yè)參與金工實(shí)習(xí)的教學(xué)質(zhì)量

近機(jī)類專業(yè)參與金工實(shí)習(xí)的時(shí)間短，如我校的船舶與海洋工程、能源與動(dòng)力工程、電氣工程及自動(dòng)化等近機(jī)類專業(yè)安排參與金工實(shí)習(xí)時(shí)間為1～2周。教學(xué)大綱要求實(shí)習(xí)項(xiàng)目多，包括先進(jìn)智能制造、車鉗焊、磨刨銑等項(xiàng)目，實(shí)訓(xùn)時(shí)間短，分到每個(gè)項(xiàng)目時(shí)間更少，導(dǎo)致整個(gè)實(shí)習(xí)過程是以教師為主導(dǎo)，學(xué)生認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)為主，基本未能動(dòng)手實(shí)踐，其中焊工和鉗工實(shí)訓(xùn)稍可以動(dòng)手實(shí)踐。對(duì)于近機(jī)類專業(yè)而言，學(xué)生片面了解金工實(shí)習(xí)，未能深入了解現(xiàn)代機(jī)械制造過程。虛擬仿真技術(shù)給近機(jī)類專業(yè)學(xué)生提供了一個(gè)仿真操作平臺(tái)，金工實(shí)習(xí)后，僅需對(duì)學(xué)生提供開放時(shí)間，教師不用擔(dān)心學(xué)生實(shí)習(xí)的安全，學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，深入了解金工實(shí)習(xí)，為其后面機(jī)械類相關(guān)課程和參加工作后與機(jī)械相關(guān)內(nèi)容打下良好的基礎(chǔ)。

（五）提高學(xué)生實(shí)習(xí)信心，減輕師生心理壓力

在金工實(shí)習(xí)時(shí)，常會(huì)發(fā)生一些教學(xué)事故，特別是車工實(shí)訓(xùn)，一方面車床是開放性加工，學(xué)生是初學(xué)者，操作不熟練，安全意識(shí)不高，容易發(fā)生事故，常見鐵屑飛濺、斷車刀、撞車床等事故，部分學(xué)生遇事故，心理緊張，失去信心，不敢再次練習(xí)。另一方面是兩位老師看管十幾臺(tái)車床實(shí)訓(xùn)，不能較好地照顧到每個(gè)學(xué)生，同時(shí)精神集中，時(shí)常擔(dān)心學(xué)生會(huì)發(fā)生事故。虛擬仿真技術(shù)融入金工實(shí)習(xí)教學(xué)，學(xué)生可以在虛擬仿真平臺(tái)先練習(xí)，通過考核，已經(jīng)熟練操作，有一定的經(jīng)驗(yàn)，再真實(shí)練習(xí)，老師少擔(dān)心學(xué)生會(huì)發(fā)生事故，有利于提高學(xué)生的實(shí)習(xí)信心，減輕師生心理壓力。

（六）以虛擬仿真技術(shù)為一種向?qū)В瑢BE理念融入金工實(shí)習(xí)教學(xué)中

OBE教育理論是“追求教育卓越的一個(gè)正確方向和值得借鑒的教育改革理念”，已得到全球公認(rèn)。各高校正在推進(jìn)OBE教育理論，是工程教育改革的正確方向。金工實(shí)習(xí)是一種工程教育過程，是不可缺少的教學(xué)環(huán)節(jié)。目前金工實(shí)習(xí)的教學(xué)方式以“傳幫帶式教學(xué)”為主，教師先示范教學(xué)，然后學(xué)生動(dòng)手操作，這種模式是教師為主導(dǎo)，教師指定實(shí)習(xí)內(nèi)容，學(xué)生按部就班，非常不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，教學(xué)效果差，學(xué)生興趣不高，想學(xué)習(xí)的學(xué)生覺得時(shí)間和機(jī)會(huì)不夠，不能自主發(fā)揮，學(xué)習(xí)熱情受到限制。OBE教育理論核心觀念以成果產(chǎn)出為目標(biāo)、以學(xué)生為教學(xué)中心、不斷持續(xù)保持高效這3個(gè)基本原則為主要標(biāo)準(zhǔn)，虛擬仿真金工實(shí)習(xí)教學(xué)理念與OBE教育理論比較相近，整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)施都緊緊以學(xué)生為中心，促進(jìn)學(xué)生達(dá)到學(xué)習(xí)成果，提供適合的教學(xué)環(huán)境，及時(shí)了解學(xué)生學(xué)什么和如何學(xué)（方式與策略），引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行有效學(xué)習(xí)，通過考核體系，隨時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)成效。

五、結(jié)語

綜上所述，虛擬仿真技術(shù)引進(jìn)金工實(shí)習(xí)教學(xué)有效地解決先進(jìn)設(shè)備數(shù)量不足和金工實(shí)習(xí)設(shè)備場(chǎng)地占地面積大等問題。與傳統(tǒng)的金工教學(xué)結(jié)合，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的缺點(diǎn)，教學(xué)效果明顯提高和有利于提高教學(xué)質(zhì)量。給金工實(shí)習(xí)帶來一次全新升級(jí)和教學(xué)改革，使高校培養(yǎng)的人才與社會(huì)企業(yè)需求越來越接軌。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣慶全.國(guó)外VR技術(shù)發(fā)展綜述[J].飛航導(dǎo)彈，

2002（1）：27-34，61.

[2]周丹.VR技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用領(lǐng)域研究實(shí)踐[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（17）：147-148.

[3]中華人民共和國(guó)教育部.關(guān)于開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作通知（高教司函[2013]94號(hào)）[Z]，2013.

[4]高琪，李穎，張飛.基于工程能力培養(yǎng)的“金工實(shí)習(xí)”教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015，34（1）：234-237.

[5]王衛(wèi)國(guó)，胡今鴻，劉宏.國(guó)外高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015，34（5）：214-219.

[6]曹英寒，楊龍，葉紅勇，等.基于OBE教育理念的實(shí)踐教學(xué)改革研究[J].江西化工，2018（5）：213-214.

◎編輯 張 慧