虛擬仿真技術(shù)在數(shù)控銑實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

關(guān) 欣

（遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 遼寧沈陽 110161）

0 引言

隨著職業(yè)教育水平的日漸提升和教育教學(xué)改革的逐步推進(jìn)，教育信息化被越來越多職業(yè)院校所重視，而在職業(yè)教育中融入信息化技術(shù)手段也是越發(fā)普遍[1]，尤其是在教學(xué)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能夠在極大程度上改變傳統(tǒng)單一的教學(xué)模式，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的不足，降低實(shí)訓(xùn)資源成本，提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)效率[2]。教師可以借助最新的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來輔助教學(xué)，極大地豐富了教學(xué)資源，提升了教師應(yīng)用信息技術(shù)的能力和意識(shí)，優(yōu)化了實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目，從而激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使實(shí)訓(xùn)課堂教學(xué)質(zhì)量明顯提升。

美國多所大學(xué)（如華盛頓大學(xué)、斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院等）以及科研類機(jī)構(gòu)最早對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行研發(fā)[3]，除此之外德國國家技術(shù)中心也開展了對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究，他們?cè)谔摂M世界的感知、虛擬現(xiàn)實(shí)在空間領(lǐng)域的應(yīng)用等方面貢獻(xiàn)突出[4]。在英國的牛津大學(xué)，學(xué)生也可以在信息產(chǎn)業(yè)中心對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行不斷的研究與試驗(yàn)。我國于20世紀(jì)80年代開始對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行研究，并逐步取得了一定的成效[5-6]。浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能夠?qū)⑦h(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)及設(shè)備進(jìn)行共享使用；由北京科技大學(xué)研發(fā)的交互式汽車模擬培訓(xùn)系統(tǒng)，投入使用后效果也非常好[7-8]。目前國內(nèi)對(duì)于虛擬實(shí)訓(xùn)和真實(shí)實(shí)訓(xùn)有效整合取得了一定的進(jìn)展，正朝著網(wǎng)絡(luò)化、專業(yè)化、智能化等方向大力發(fā)展[9-10]。

1 數(shù)控銑實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)現(xiàn)狀

高職院校數(shù)控銑實(shí)訓(xùn)課程為技能實(shí)踐課，課程多以教師實(shí)操演示，學(xué)生動(dòng)手訓(xùn)練方式進(jìn)行。雖然已有部分網(wǎng)絡(luò)課程同步教學(xué)資源供開放教育使用，但內(nèi)容相對(duì)單一，一些學(xué)生受學(xué)習(xí)場(chǎng)地、空間、時(shí)間等限制，學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性并不高。在授課過程中，部分教師引入信息化教學(xué)手段并不多，主要以技能實(shí)操訓(xùn)練為主，這就導(dǎo)致學(xué)生無法在課余時(shí)間進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，且沒有更多資料供學(xué)習(xí)參考。因此需改變傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)授課模式，將虛擬仿真技術(shù)引入到數(shù)控銑實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，并建立相對(duì)完整的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)課程體系，將教學(xué)知識(shí)點(diǎn)與問題或任務(wù)相掛鉤，讓學(xué)生通過遠(yuǎn)程線上學(xué)習(xí)和探究來解決問題進(jìn)而完成教學(xué)任務(wù)，并對(duì)學(xué)生開展個(gè)性化輔導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的技能和自主學(xué)習(xí)的能力[11-12]。

通過建設(shè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)課程資源并將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在開放教育和職業(yè)教育實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，能夠在很大程度上改善課堂教學(xué)效果，大幅度調(diào)動(dòng)課堂氛圍及學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，規(guī)范學(xué)生的學(xué)習(xí)行為，使學(xué)生對(duì)自身時(shí)間管理意識(shí)逐漸增強(qiáng)，實(shí)訓(xùn)課堂變動(dòng)豐富有趣，而且培養(yǎng)模式也符合教學(xué)目標(biāo)和專業(yè)人才培養(yǎng)需求[13-14]，更能讓實(shí)訓(xùn)課程（以數(shù)控銑實(shí)訓(xùn)課為例）教學(xué)改革得以發(fā)展。

2 虛擬仿真教學(xué)模式在數(shù)控銑實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

2.1 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)實(shí)施目的

數(shù)控多軸銑削加工實(shí)訓(xùn)課程是數(shù)控加工專業(yè)的核心課程，也是開放教育的重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，為培養(yǎng)數(shù)控加工專業(yè)人才提供必備的理論知識(shí)和專業(yè)技能，通過本課程學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)具備完成數(shù)控銑削零件加工工藝設(shè)計(jì)、工藝分析、數(shù)控編程與獨(dú)立操作設(shè)備的能力[15]。傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)手段相對(duì)單一、內(nèi)容相對(duì)固定，缺乏技術(shù)性創(chuàng)新，導(dǎo)致學(xué)生課堂參與度低，技能水平無法達(dá)到理想高度。將虛擬仿真實(shí)訓(xùn)技術(shù)有效融入到實(shí)訓(xùn)課堂，創(chuàng)新“虛擬仿真+實(shí)訓(xùn)操作”新模式，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、在線精品課程建設(shè)、課程問題庫建立、實(shí)操視頻微課錄制、現(xiàn)場(chǎng)直播教學(xué)等技術(shù)手段進(jìn)行有機(jī)整合，學(xué)生根據(jù)不同學(xué)習(xí)需求選擇相對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)模式，不再受限于傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)課堂，學(xué)習(xí)時(shí)間更自由，學(xué)習(xí)方式更靈活，可以很大程度上提升整體實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量。學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行反復(fù)實(shí)操訓(xùn)練，鍛煉了動(dòng)手操作、獨(dú)立思考問題和解決問題的能力，逐步降低錯(cuò)誤發(fā)生率，學(xué)習(xí)成就感顯著增強(qiáng)[16-17]。

2.2 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)實(shí)施方法

將虛擬仿真技術(shù)有效融入到實(shí)訓(xùn)課堂中，創(chuàng)新適合數(shù)控銑實(shí)訓(xùn)課程的“虛擬仿真+實(shí)訓(xùn)操作”教學(xué)新模式，利用信息化教學(xué)手段和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)方法，增設(shè)線上學(xué)習(xí)、現(xiàn)場(chǎng)直播、課程資源建設(shè)、視頻回顧等學(xué)習(xí)資源，提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)效率。

制作數(shù)控銑虛擬仿真實(shí)訓(xùn)課程線上學(xué)習(xí)資源（精品課、微課程、PPT制作、問題庫建設(shè)），線下授課引入直播教學(xué)手段。在課程中引入“情景式教學(xué)”新模式，根據(jù)真實(shí)的生產(chǎn)任務(wù)設(shè)計(jì)出不同的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，形成以項(xiàng)目為主導(dǎo)的驅(qū)動(dòng)式教學(xué)模式。模擬真實(shí)情景，形成學(xué)習(xí)小組，學(xué)生合作進(jìn)行組間研討和探究，解決實(shí)際問題，挖掘隱藏在項(xiàng)目中的知識(shí)點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)“情景式教學(xué)”新思路。

形成較成熟的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系，開展合理需求的個(gè)性化教學(xué)輔導(dǎo)，解放學(xué)生的學(xué)習(xí)時(shí)間和空間，進(jìn)而提升實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量。提高實(shí)訓(xùn)教師適應(yīng)時(shí)代發(fā)展與企業(yè)用人變化的需求，身體力行地探索新教育思想、新教學(xué)方式和新教學(xué)手段。

2.3 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)實(shí)施過程

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)流程堅(jiān)持“以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)”的原則，教學(xué)實(shí)施過程包括師生課堂活動(dòng)及下發(fā)各自任務(wù)，教學(xué)項(xiàng)目中的具體流程是：認(rèn)知實(shí)操環(huán)境—實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目分解—虛擬仿真訓(xùn)練—真實(shí)實(shí)操訓(xùn)練—實(shí)訓(xùn)總結(jié)反饋。

2.3.1 認(rèn)知實(shí)操環(huán)境

通過前期教師進(jìn)行的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)課程資源建設(shè)，在長江雨課堂、職教云等平臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)上傳，對(duì)學(xué)生進(jìn)行理論知識(shí)要點(diǎn)和技能操作要點(diǎn)講解。學(xué)生的主要學(xué)習(xí)內(nèi)容為觀看教師上傳的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)課程資源，認(rèn)知實(shí)操環(huán)境，了解實(shí)訓(xùn)基本流程及安全注意事項(xiàng)等。

2.3.2 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目分解

指導(dǎo)教師按照不同實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目劃分實(shí)訓(xùn)任務(wù)，再根據(jù)學(xué)生特點(diǎn)及自身優(yōu)勢(shì)合理進(jìn)行分組，并下發(fā)任務(wù)指導(dǎo)書。教師分別強(qiáng)調(diào)不同任務(wù)的各自特點(diǎn)，并啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行小組討論。小組間進(jìn)行交流研討，明確任務(wù)內(nèi)容及各自分工，為下步實(shí)訓(xùn)內(nèi)容奠定基礎(chǔ)。

2.3.3 虛擬仿真訓(xùn)練

教師根據(jù)教學(xué)任務(wù)為學(xué)生提供虛擬實(shí)訓(xùn)設(shè)備，并對(duì)虛擬實(shí)訓(xùn)設(shè)備的操作步驟進(jìn)行講解演示，學(xué)生以小組合作方式進(jìn)行練習(xí)，教師進(jìn)行巡視指導(dǎo)及檢查。在整個(gè)虛擬實(shí)操訓(xùn)練過程中，小組間可以進(jìn)行交流和談?wù)?，更換體驗(yàn)角色，合作完成訓(xùn)練內(nèi)容。與此同時(shí)教師對(duì)整個(gè)教學(xué)過程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)直播和錄制，并在課后進(jìn)行云端上傳，方便學(xué)生課后復(fù)習(xí)使用，并共享于開放教育。

2.3.4 真實(shí)實(shí)操訓(xùn)練

此階段教師的主要任務(wù)是為學(xué)生提供實(shí)訓(xùn)所需的材料和工、量、刃具等實(shí)訓(xùn)耗材，使學(xué)生完成真實(shí)情境下數(shù)控機(jī)床操作實(shí)訓(xùn)任務(wù)，教師示范技能操作要領(lǐng)并對(duì)學(xué)生提供相應(yīng)的技術(shù)指導(dǎo)。學(xué)生的主要任務(wù)是將在虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)中所掌握的技能操作要點(diǎn)和理論知識(shí)要點(diǎn)進(jìn)行遷移運(yùn)用，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的數(shù)控設(shè)備上進(jìn)行操作練習(xí)，完成教師規(guī)定的實(shí)訓(xùn)任務(wù)。

2.3.5 實(shí)訓(xùn)總結(jié)反饋

教師根據(jù)學(xué)生的實(shí)訓(xùn)綜合表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)和反饋，并逐一對(duì)小組進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，學(xué)生進(jìn)行組間自評(píng)和互評(píng)并根據(jù)教師的反饋結(jié)果進(jìn)行反思與改進(jìn)。若學(xué)生在課堂中沒能很好地理解教學(xué)內(nèi)容，則可通過虛擬實(shí)訓(xùn)網(wǎng)絡(luò)課程資源進(jìn)行補(bǔ)充學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)，直至達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，最后教師可根據(jù)學(xué)生對(duì)知識(shí)要點(diǎn)和技能要領(lǐng)的掌握情況布置課后實(shí)訓(xùn)任務(wù)。

3 虛擬仿真教學(xué)模式在數(shù)控銑實(shí)訓(xùn)教學(xué)中發(fā)揮出的重要作用

3.1 有助于改變高職院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)現(xiàn)狀

高職類院校旨在培養(yǎng)專業(yè)類技術(shù)型人才，注重學(xué)生的實(shí)操技能和職業(yè)素質(zhì)的養(yǎng)成。高職人才培養(yǎng)的定位，以適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需求為目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生具備適度的基礎(chǔ)理論知識(shí)和較強(qiáng)的技術(shù)應(yīng)用能力[18]。在傳統(tǒng)教育模式中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能夠極大豐富原有單一的教學(xué)方式，將虛擬仿真技術(shù)與現(xiàn)實(shí)教學(xué)活動(dòng)相結(jié)合，搭建虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，建立虛擬仿真實(shí)訓(xùn)課程，解決部分學(xué)校教學(xué)培訓(xùn)資源落后和校企合作匱乏等問題。虛擬實(shí)訓(xùn)利用了信息化技術(shù)手段模擬出現(xiàn)有企業(yè)中較為真實(shí)的生產(chǎn)環(huán)境，通過信息技術(shù)與人機(jī)交互技術(shù)等多種先進(jìn)集成技術(shù)，使學(xué)生可以在此環(huán)境中獲得真實(shí)的感官體驗(yàn)[19]，學(xué)生在學(xué)校學(xué)到的專業(yè)知識(shí)和技能，都能在日后企業(yè)實(shí)踐中得以應(yīng)用。

3.2 有助于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性

在高職類學(xué)校中，大多數(shù)學(xué)生能夠保持對(duì)新知的強(qiáng)烈好奇心以及對(duì)先進(jìn)技術(shù)的學(xué)習(xí)欲望，而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是高校引入到教學(xué)中的一項(xiàng)先進(jìn)的信息化技術(shù)手段，學(xué)生能夠在課堂中體會(huì)到虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)所在，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望與動(dòng)手操作興趣急劇增加。虛擬仿真技術(shù)能夠給學(xué)生提供出虛擬的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，其多變性能夠滿足學(xué)生在不同情境中的學(xué)習(xí)需求，大幅度提升了學(xué)生的發(fā)散思維和創(chuàng)新能力。

3.3 有助于降低傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)風(fēng)險(xiǎn)

在傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在一些易發(fā)生危險(xiǎn)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，一直以來這些實(shí)訓(xùn)危險(xiǎn)點(diǎn)是困擾教師教學(xué)的一大難題。建設(shè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)課程和引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)于危險(xiǎn)系數(shù)相對(duì)較高的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，學(xué)生可以自行進(jìn)行虛擬訓(xùn)練，通過對(duì)視頻資源的觀看和對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的解讀，學(xué)生可基本了解操作工種的崗位技能要領(lǐng)，之后再組織學(xué)生到真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行實(shí)操訓(xùn)練，這樣可以提升實(shí)訓(xùn)教學(xué)的安全性。對(duì)于接受開放教育的學(xué)生，也可以不再受時(shí)間和地點(diǎn)限制，通過網(wǎng)絡(luò)課程資源和虛擬實(shí)訓(xùn)技術(shù)完成線上課程的實(shí)踐訓(xùn)練，既完成了教學(xué)任務(wù)，又能保證初學(xué)者的實(shí)訓(xùn)安全，確保每名學(xué)生都能獲得相同的實(shí)訓(xùn)機(jī)會(huì)，解決了有些危險(xiǎn)系數(shù)高的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目難以開展的問題。虛擬仿真技術(shù)可以使學(xué)生更好地投入到每個(gè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，避免了個(gè)別學(xué)生因錯(cuò)誤操作而造成的人身或設(shè)備傷害。

3.4 有助于構(gòu)建較為真實(shí)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)情景

根據(jù)教學(xué)需求，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在先進(jìn)設(shè)備中，為學(xué)生搭建成一個(gè)“三感”世界，其中包括了觸覺、聽覺和視覺感官，這樣能夠讓學(xué)生快速地體會(huì)出在三維虛擬環(huán)境下進(jìn)行模擬實(shí)訓(xùn)的真實(shí)感受?，F(xiàn)在的虛擬技術(shù)主要是借助AR頭盔、眼鏡、立體環(huán)繞耳機(jī)等虛擬設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了人體在虛擬環(huán)境中做出的一系列操作動(dòng)作，如移動(dòng)、抓取、敲打、安裝等。學(xué)生的體驗(yàn)就能夠更加真實(shí)，更加具體，更加富有感染力，進(jìn)而沉浸在虛擬世界中進(jìn)行實(shí)際操作訓(xùn)練。根據(jù)虛擬設(shè)備提供的與真實(shí)教學(xué)環(huán)境和相似的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景，學(xué)生能夠?qū)崿F(xiàn)與真實(shí)環(huán)境間的相互隔絕，這對(duì)降低環(huán)境因素對(duì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的不利影響有很大作用[20]。

4 結(jié)束語

將虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式引入到高職院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)和開放教育實(shí)踐環(huán)節(jié)中，汲取虛擬技術(shù)的優(yōu)勢(shì)所在，對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行修改和完善，建立虛擬仿真實(shí)訓(xùn)課程線上教學(xué)資源，以適應(yīng)新時(shí)代高職院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)需求。學(xué)生通過虛擬技術(shù)模擬在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)，加深對(duì)數(shù)控銑實(shí)訓(xùn)操作的理解程度，在操作中鍛煉了思維，提高了自主學(xué)習(xí)能力，充分發(fā)揮出學(xué)生的主觀能動(dòng)性，弱化了教師在教學(xué)過程中的主導(dǎo)地位。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，提升了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的安全性，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和應(yīng)用創(chuàng)新能力，增強(qiáng)學(xué)生的就業(yè)競爭力，符合職教改革的新方向，能夠在職業(yè)教育和開放教育中發(fā)揮出極大作用，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。