虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中職數(shù)控專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用研究

王君

近些年我國(guó)的綜合實(shí)力不斷將增強(qiáng)，不僅提高了國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)也為民族復(fù)興大業(yè)奠定了一定的基礎(chǔ)，與此同時(shí)也應(yīng)該清晰地認(rèn)識(shí)到不足，需要針對(duì)社會(huì)深化改革細(xì)節(jié)研判。我國(guó)的教育體系正處于改革發(fā)展階段，而傳統(tǒng)的教育模式已不能滿足當(dāng)前的社會(huì)發(fā)展需求，中等職業(yè)院校是我國(guó)培養(yǎng)實(shí)用性人才的主要陣地，需要在教學(xué)過(guò)程中將理論與實(shí)踐相結(jié)合。數(shù)字化虛擬產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展給中職數(shù)控專業(yè)教學(xué)提供了更多可能性，同時(shí)也提出了相應(yīng)的挑戰(zhàn)，教育工作者需要緊跟時(shí)代脈搏，通過(guò)構(gòu)建立體化教學(xué)體系、模擬實(shí)驗(yàn)、仿真教學(xué)，將虛擬教學(xué)模式與實(shí)踐生產(chǎn)相銜接，為中職數(shù)控專業(yè)學(xué)生提供更符合其成長(zhǎng)的教學(xué)環(huán)境。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)內(nèi)容以及特點(diǎn)概述

中職教育的最大特點(diǎn)就是需要針對(duì)技能進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練，通過(guò)不斷的探索和創(chuàng)新，培養(yǎng)符合社會(huì)發(fā)展的實(shí)用型人才，因此中職教育中的技能培訓(xùn)一直都是重中之重，其中數(shù)控專業(yè)的實(shí)習(xí)成本比較昂貴，還需要統(tǒng)一組織，這也就給學(xué)校提出了較高要求。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)改變了這一現(xiàn)狀，學(xué)生的實(shí)踐操作可以不再受到時(shí)間與空間的限制，而是通過(guò)計(jì)算信息的交互環(huán)境進(jìn)行虛擬演練，進(jìn)一步改進(jìn)了中職數(shù)控專業(yè)的實(shí)訓(xùn)體驗(yàn)，在節(jié)約教學(xué)成本的基礎(chǔ)上提高教學(xué)效率和質(zhì)量。

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)優(yōu)勢(shì)

數(shù)控設(shè)備工作環(huán)境較為復(fù)雜，學(xué)生不僅要了解數(shù)控機(jī)床的工作運(yùn)行流程，還要學(xué)習(xí)其中的編程原理，而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則是利用計(jì)算機(jī)模擬數(shù)控設(shè)備的真實(shí)環(huán)境及過(guò)程，不僅以實(shí)踐技術(shù)為基礎(chǔ)，同時(shí)也集合了人工智能網(wǎng)絡(luò)以及多媒體圖形技術(shù)，在虛擬的條件下可對(duì)數(shù)控設(shè)備全面地操作，還不具備危險(xiǎn)性，對(duì)任何一個(gè)環(huán)節(jié)都可以記錄備案，對(duì)于學(xué)生和教師審視整個(gè)操作流程都具有積極意義。一直以來(lái)中職院校實(shí)習(xí)成本較高，尤其是機(jī)械類數(shù)控類的技能培訓(xùn)，需要投入大量的設(shè)備材料，而且無(wú)法讓每一個(gè)學(xué)生都能擁有平均的實(shí)踐機(jī)會(huì)。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用到數(shù)控實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式中，不僅可以減少材料消耗，同時(shí)也能給學(xué)生更多的實(shí)踐均等機(jī)會(huì)。

（二）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展歷程

虛擬現(xiàn)實(shí)最早起源于上個(gè)世紀(jì)60年代中期的美國(guó)IFIP會(huì)議，但是由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)局限性，只是提出了通過(guò)虛擬世界窗口觀察的理論，直到上個(gè)世紀(jì)80年代都處于瓶頸發(fā)展期，進(jìn)入90年代后由于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力成倍增長(zhǎng)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也有了重要的發(fā)展路徑。虛擬系統(tǒng)基本特征包括沉浸、互交和想象，一般計(jì)算機(jī)技術(shù)所具有視覺感知外，還需要配合其他系統(tǒng)設(shè)備讓使用者拓展立力覺、觸覺、聽覺以及運(yùn)動(dòng)感知等，能在虛擬世界中完成現(xiàn)實(shí)世界中具有危險(xiǎn)的工作任務(wù)，具有真實(shí)體驗(yàn)的同時(shí)也可以隨意構(gòu)想客觀不存在的環(huán)境，一方面能幫助使用者拓寬認(rèn)知范圍，同時(shí)也可以進(jìn)行思維創(chuàng)新工作。

（三）數(shù)控虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用軟件

我國(guó)是數(shù)控生產(chǎn)大國(guó)，而且數(shù)控加工過(guò)程非常復(fù)雜，需要考慮金屬削切面的彈性形變、塑性形變、切削溫度以及摩擦生熱等多項(xiàng)影響因素，數(shù)控精度也代表著制造業(yè)的水平，近些年來(lái)市場(chǎng)對(duì)于精密零件需求量不斷增加，因此在數(shù)控專業(yè)教學(xué)過(guò)程中也應(yīng)充分考慮社會(huì)及未來(lái)的市場(chǎng)變化，加強(qiáng)該專業(yè)的技能訓(xùn)練。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在數(shù)控專業(yè)實(shí)操訓(xùn)練教程當(dāng)中，可以讓學(xué)生在正式上機(jī)床實(shí)踐前熟練掌握編程技巧，同時(shí)也可以有效避免安全事故，根據(jù)學(xué)生的實(shí)際操作進(jìn)行評(píng)分，有助于改善學(xué)生的不足。

（四）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不足之處

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)雖然可以仿真數(shù)控機(jī)床操作，但是與實(shí)際操作仍存在一定差距，例如進(jìn)給量和削切深度設(shè)定正常的F10.00mm/r，但是當(dāng)超過(guò)這一數(shù)值時(shí)，甚至達(dá)到F10.00mm/r也并不會(huì)在軟件中報(bào)警，但是如果在實(shí)際數(shù)控機(jī)床上操作時(shí)，則可能出現(xiàn)較大問題。

二、中職數(shù)控專業(yè)傳統(tǒng)教學(xué)的弊端與問題

（一）設(shè)備少、學(xué)生多、成本高

眾所周知，中職教育非常強(qiáng)調(diào)技能的實(shí)踐應(yīng)用性，學(xué)生必須在反復(fù)的事件中不斷積累經(jīng)驗(yàn)、實(shí)現(xiàn)技能的提升，但是中職院校的設(shè)備有限，無(wú)法為每一個(gè)學(xué)生都安排同等的教學(xué)設(shè)備，因此常是若干個(gè)學(xué)生共用一臺(tái)機(jī)器。近些年來(lái)隨著社會(huì)對(duì)于技能型人才的需求不斷增加，中職院校為了更好地服務(wù)于社會(huì)，也在不斷擴(kuò)招，學(xué)生數(shù)量的增加更使得實(shí)訓(xùn)設(shè)備顯得“捉襟見肘”，實(shí)訓(xùn)設(shè)備本身就非常昂貴，加上實(shí)訓(xùn)配套還需要擴(kuò)建場(chǎng)地和房建，而中職院校大多難以負(fù)擔(dān)，因此設(shè)備少、學(xué)生多、成本高三類矛盾日益突出。另外，部分中職院校也在不斷地進(jìn)行設(shè)備投入，但是由于設(shè)備猶豫日常磨損需要定期保養(yǎng)、維修、更換零件，在一定程度上成本居高不下，這就很難讓院校維持運(yùn)行。

（二）實(shí)訓(xùn)教學(xué)的安全問題

雖然中職院校老師會(huì)在學(xué)生技能實(shí)踐操作前進(jìn)行安全講解，但是由于人數(shù)較多，老師無(wú)法平均分散精力去看管每一個(gè)學(xué)生，學(xué)生在初次接觸到數(shù)控機(jī)床時(shí)基本操作不夠熟練，常因錯(cuò)誤操作而損壞機(jī)床、刀具，甚至還會(huì)傷害到自己。另外當(dāng)中職院校學(xué)生具有一定的實(shí)踐基礎(chǔ)后，會(huì)嘗試自己編程操作，但是編寫程序需要與自身的經(jīng)驗(yàn)相匹配，如果經(jīng)驗(yàn)缺乏則很容易造成程序輸入不合理或有誤的情況，盲目執(zhí)行程序會(huì)產(chǎn)生撞車打刀等事故，甚至危害到學(xué)生的身體健康。

（三）數(shù)控專業(yè)教師工作任務(wù)量大

自改革開放以來(lái)，我國(guó)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足性進(jìn)展，與此同時(shí)也成為了全球第二大經(jīng)濟(jì)體，我國(guó)以制造業(yè)促成近些年來(lái)經(jīng)濟(jì)一體化發(fā)展，使得社會(huì)對(duì)于數(shù)控機(jī)房數(shù)控專業(yè)人才需求也在不斷增加。數(shù)控專業(yè)教師為了幫助學(xué)生更好地提高成績(jī)以及實(shí)踐能力，需對(duì)學(xué)生的編程進(jìn)行逐個(gè)檢查，但是在實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中，教師無(wú)法對(duì)每個(gè)學(xué)生進(jìn)行示范指導(dǎo)，而是以老師為主進(jìn)行操作演示，學(xué)生雖然在外圍觀察，但是也可能存在問題不清晰的情況。數(shù)控專業(yè)教師工作任務(wù)量大，無(wú)法幫助每一個(gè)學(xué)生進(jìn)行細(xì)致化講解，或者示范教學(xué)不理想，都無(wú)形中增加了教學(xué)難度，也無(wú)法達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果。

（四）院?？商峁┑南到y(tǒng)比較單一

由于數(shù)控實(shí)踐的培訓(xùn)系統(tǒng)投入較大，目前中職院校數(shù)控系統(tǒng)仍然以FANUC為主，而隨著當(dāng)前科技的快速發(fā)展以及市場(chǎng)產(chǎn)品需求量的增加，很多學(xué)生畢業(yè)后在工作單位中并不能快速適應(yīng)，尤其在系統(tǒng)操作方面需要重新學(xué)習(xí)，不僅增加了后期的人才培養(yǎng)成本，同時(shí)也無(wú)法提高中職院校自身的教學(xué)質(zhì)量，對(duì)于我國(guó)整個(gè)人才體系培養(yǎng)并不利?？晒W(xué)習(xí)的系統(tǒng)較為單一，無(wú)法讓學(xué)生接觸到更加多元化的系統(tǒng)操作模式。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中職數(shù)控專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

（一）通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行立體展示

數(shù)控設(shè)備造價(jià)昂貴且體型較大，因此學(xué)生主要通過(guò)書本或網(wǎng)絡(luò)資料查看數(shù)控設(shè)備及元件的圖形，中職院校具有部分?jǐn)?shù)控機(jī)床但是并不全面，未來(lái)學(xué)生需要接觸更多不同類型的數(shù)控機(jī)械，而且隨著當(dāng)前科技的快速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床也在不斷變化，因此需要進(jìn)行實(shí)際觀察外形獲得各種感性認(rèn)知。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以進(jìn)行數(shù)控設(shè)備及元器件的立體展示，主要通過(guò)計(jì)算機(jī)構(gòu)建與實(shí)物相同的3D零件或3D機(jī)床，通過(guò)建模方式將各種數(shù)據(jù)機(jī)床設(shè)備進(jìn)行虛化對(duì)比，讓學(xué)生能了解不同數(shù)控機(jī)床的變化以及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也可以從不同角度進(jìn)行觀察，認(rèn)識(shí)數(shù)控機(jī)床的操作系統(tǒng)以及零件結(jié)構(gòu)。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行立體展示，可以讓數(shù)控設(shè)備更加直觀地展現(xiàn)在學(xué)生眼前，不僅能夠提高學(xué)習(xí)質(zhì)量，同時(shí)也有助于理解數(shù)控設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)以及工作原理。

（二）通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行方針教學(xué)

由于數(shù)控機(jī)床成本較大，中職院校很難全套購(gòu)買，因此老師不得不以理論傳授為主，學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手操作實(shí)踐較少。按照正常的教育流程而言，理論與實(shí)踐應(yīng)達(dá)到1：1。很多時(shí)候?qū)W生在理論知識(shí)學(xué)習(xí)過(guò)后并沒有實(shí)踐機(jī)會(huì)，而隨著時(shí)間的推移，知識(shí)在不斷累積，早期的學(xué)習(xí)內(nèi)容由于沒有實(shí)踐過(guò)程，因此很容易遺忘，無(wú)法形成連續(xù)記憶，因此也影響了整體教學(xué)質(zhì)量。缺少了現(xiàn)實(shí)的數(shù)控教學(xué)很難達(dá)到預(yù)期效果，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生有身臨其境的操作體驗(yàn)，同時(shí)還能對(duì)數(shù)控設(shè)備的故障檢修、維修、連接、組裝等細(xì)節(jié)逐一進(jìn)行練習(xí)和考核。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，只需占用較小的物理空間，也沒有過(guò)多的成本消耗，更有利于學(xué)校進(jìn)行教學(xué)使用。

（三）可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)控教育培訓(xùn)考核

傳統(tǒng)的中職數(shù)控專業(yè)考試教學(xué)往往以理論知識(shí)為主，不僅內(nèi)容較為單一，同時(shí)也無(wú)法從綜合角度對(duì)學(xué)生進(jìn)行考查。我國(guó)正處于社會(huì)深化改革的重要階段，未來(lái)對(duì)于人才的培養(yǎng)更偏向于實(shí)用性和綜合性，傳統(tǒng)的培訓(xùn)及考核方法已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的社會(huì)需求，而是應(yīng)注重學(xué)生的理解創(chuàng)新能力。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅僅局限于利用系統(tǒng)功能進(jìn)行虛擬實(shí)踐操作，而是可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)功能實(shí)現(xiàn)雙向互動(dòng)遠(yuǎn)程教學(xué)，包括批改作業(yè)、考查操作、成績(jī)查詢以及不足分析等多個(gè)環(huán)節(jié)，能針對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)以及虛擬現(xiàn)實(shí)操作能力進(jìn)行綜合打分，并為老師提供更重要的教學(xué)優(yōu)化參考數(shù)據(jù)。另外，網(wǎng)絡(luò)數(shù)控教育培訓(xùn)考核，還可以根據(jù)當(dāng)前市場(chǎng)對(duì)于數(shù)控專業(yè)人才的需求進(jìn)行調(diào)整，不滿足于現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床技術(shù)，而是針對(duì)市場(chǎng)化需求，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行自主創(chuàng)新、培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力，為我國(guó)的綜合化人才發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

（四）有效解決教學(xué)與生產(chǎn)之間聯(lián)系的難題

虛現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅可以聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，同時(shí)也可以獨(dú)立仿真，單機(jī)獨(dú)立運(yùn)行的數(shù)控虛擬系統(tǒng)只需一臺(tái)計(jì)算機(jī)加上模擬軟件進(jìn)行操作，能通過(guò)立體動(dòng)態(tài)圖形展示，讓學(xué)生深入學(xué)習(xí)具有更好的體驗(yàn)感;而在聯(lián)網(wǎng)情況下，可以將虛擬數(shù)控系統(tǒng)與實(shí)際機(jī)床連接通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)驗(yàn)證后對(duì)程序進(jìn)行復(fù)核分析，然后再傳遞到真實(shí)機(jī)床上，以此實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有效地解決了教學(xué)與生產(chǎn)之間關(guān)聯(lián)性的難題，同時(shí)也可以借助系統(tǒng)對(duì)編程數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，尤其是當(dāng)前大數(shù)據(jù)的廣泛應(yīng)用，能夠根據(jù)以往的數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行比對(duì)，防止出現(xiàn)編程錯(cuò)誤或操作錯(cuò)誤的問題，能夠智能化地對(duì)用戶進(jìn)行提醒，能有效觀察虛擬機(jī)床的各類參數(shù)，結(jié)合設(shè)計(jì)后置處理的NC程序直接調(diào)入加工。

綜上所述，中職院校數(shù)控專業(yè)具有實(shí)踐需求性強(qiáng)的特點(diǎn)，但是目前中職院校數(shù)控專業(yè)傳統(tǒng)教學(xué)存在設(shè)備少、學(xué)生多、成本高以及實(shí)訓(xùn)安全保護(hù)難度大、任務(wù)量大等多項(xiàng)問題。相關(guān)教育者應(yīng)深入分析虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)內(nèi)容以及特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，針對(duì)目前的教學(xué)需求進(jìn)行模式創(chuàng)新。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)雖然可以有效地提高學(xué)生的實(shí)踐運(yùn)用能力，但是與實(shí)際加工仍存在差距，不可互相代替，但是在教學(xué)過(guò)程中合理使用能夠提高教學(xué)質(zhì)量，作為學(xué)生實(shí)踐與學(xué)習(xí)之間的過(guò)渡橋梁，可以起到較好的教學(xué)效果。