模 具 虚 拟 实 训 平 台 构 建

李金国， 林 康， 花丹红

(台州职业技术学院 模具工程研究所，浙江 台州 318000)

0 引 言

职业教育要“实行工学结合、校企合作、顶岗实习”，通过岗位实习以提高职业教育的人才培养质量，其意义在于实现高职教育与职业岗位的无界化[1]。

要实行工学结合，必须要构建相应的实训基地，模拟企业真实工作环境设置实训岗位。然而，近几年，由于高职院校招生人数的大幅度增加、实践教学经费缺乏、实训设备陈旧落后，以及真正建立企业实习基地难度大等原因，难以构建符合工学结合教学要求的实训场所，成为困扰高职院校推进工学结合、提升人才培养质量的新的普遍性难题[2-3]。虚拟现实技术是虚拟与现实的结合，它利用计算机技术构建出逼真的三维虚拟环境，可以使学生像在真实的环境中如游戏闯关一样完成各种预定的实训项目[4]。基于虚拟现实技术的实训教学方法，有利于调动学生积极性，让每个学生参与动手操作，从而达到预期教学目的。因此，构建虚拟现实技术的模具专业实训平台，创设学习型岗位和相应的岗位场景，实现实训教学与职业岗位的无界化是非常有意义的。

1 高职模具专业学生实训教学现状分析

当前，虽然地方性高职院校充分利用地方产业优势，与地方企业开展产学研合作，初步建立了校内外实践教学基地。但在教学手段和方法的改革上还处于探索阶段，所以从教师和实训教学方面来看，还存在以下几个问题：

(1) “双师”素质的教师缺乏。根据教育部2006年16号文件《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》的精神，大量聘请行业企业的专业人才和能工巧匠到学校担任兼职教师，目的在于提升培养学生的实战能力，但由于企业和学校教学的时间冲突，受到了一定的限制，兼职教师比例较低。各高校纷纷出台相关政策来提升“双师”素质教师比例，如天津职业技术大学让教师下企业实践锻炼至少3年才能评“双师”型教师，并要求5年一周期。当然也存在一些对“双师”素质教师理解的误区，例如部分“双师”素质教师其实为“双证”教师或“双职称”教师，这些教师缺乏在真实企业环境下工作的经历，其“双师”素质还是有待提高的[5-6]。

(2) 校内实训基地缺乏职场化环境。当前高职院校由于缺乏实训场地、设备、经费、管理模式等条件，无法建立“校中厂-厂中校”的实训教学模式。往往是处于单一的实训室内，学生无法经历职场化的训练，因此，也无法满足学生实际岗位能力培养的要求，达到职业教育的人才培养目标[7]。

(3) 校外实训基地的管理问题。在校外实训基地，学生所处的工作环境是真实的职场环境，工作过程按职业标准规范执行，实训的项目也均是模具专业学生今后所从事的工作任务，在这样的环境中，能真正地培养学生岗位素养和技能。但校外实训基地由于处于校外，学校对学生的管理比较难，容易引起教学和安全方面等问题[8]。

上述种种情况，制约着高职教育的发展。由于虚拟现实技术的独特感官真实性，可以弥补实践教学的不足，缩小甚至消除学校与企业、教室与车间、学生与技师之间的距离，实现企业的岗位与学校的课程之间的真正融合。

2 高职模具专业虚拟实训平台构建的基础探索

虚拟仿真技术应用于模具专业实训教学的基础工作应包括以下三个方面：

2.1 根据职业岗位制定虚拟实训教学计划

首先，应该对模具企业进行调研分析，掌握模具企业的人才需求，主要工作岗位群，分析岗位对入职的要求，明确培养目标；其次，根据模具企业适合本专业毕业生所从事的工作岗位的典型工作任务，选择和组织模具专业岗位化实训内容；最后，对本专业毕业生进行跟踪调研，对比企业相关工作岗位的具体要求和本专业毕业生所具有的能力，调整模具专业岗位化实训教学方案，保证虚拟实训平台的教学内容实用性[9]。

课题组通过对中国模具之乡“黄岩”进行了调查分析，目前模具设计与制造企业的岗位群如图1所示。工作岗位的技能要求：

(1) 产品设计工程师。从事产品的数字化设计，包括产品的数字化概念设计、详细设计，建立有效的产品三维模型，保证产品定义的准确性与完整性；

(2) 模具设计工程师。首先应具有一定的机械设计专业理论水平，具备各类模具设计的专业知识，熟练使用二维和三维设计软件，能进行模具调试以及故障排查的能力。

(3) 模具制造工程师。了解模具基本结构，熟知模具制造的相关设备，如铣床，磨床，电火花，线切割等的加工类型及精度，掌握模具制造的相关流程工艺，能够熟练运用数控编程软件；

(4) 注射成型工艺师。能够熟练操作注塑机，熟知各种通用注塑材料特性；懂得注塑机和模具的维护，并能解决注塑产品的常见成型问题，如短射、熔接痕、色差、翘曲变形；有着较强的产品分析和改善能力，善于对注塑过程中出现的复杂性工程调机问题进行改进和提高。

(5) 模具钳工。应具备的基本操作技能包括：划线，锯削，锉削，钻孔，扩孔，锪孔，铰孔，攻螺纹，套螺纹，矫正和弯形，铆接，刮削，研磨，装配，调试，维修，尺寸测量；此外，模具钳工主要工作是模具制造、修理、维护以及设变更新。还需掌握各种夹具、钻具、量具的设计、制作与维护。

2.2 根据岗位要求开发虚拟实训场景

逼真的虚拟实训场景，能够让学生快速从原来的学生角色转换到工作角色，并明确自己的岗位职责和工作任务。因此，虚拟实训场景的布置需要尽可能与企业真实的生产流程布置工作情景相似。以注塑成型制品生产流程为例，目前注塑成型制品的开发与生产流程如图2所示。

这里的场景布置指的是虚拟软件中的环境布置，并按企业化布置虚拟场景的空间和企业化配置设施，在这个环境中，教师承担该岗位的上级主管，而学生的角色则是处于某个岗位上的职员。工作情景如图3所示。

2.3 根据企业管理制度规范要求，进行实训管理

在实训的过程中, 参照企业对该岗位员工的管理制度对学生进行管理。当然由于企业和学校在时间和人员配备等问题上有所不同，管理制度难免会在实施和操作中不能很好地执行, 因此，可以作一定的修改和调整, 保证实训管理的可操作性[10-11]。

2.4 组建高素质、专业化的教师队伍

教师是实训教学效能的主导者和教学活动的具体实施者，教学的有效实施离不开专业化强、综合素质高的教师。模具专业的虚拟实训教学也离不开掌握现代教学方法、虚拟现实技术和娴熟的专业技能的骨干教师。因此，教师的个体素质要求较高[12]。

可以通过引进企业技术人员来校从事教学工作，并开展兼职教师培训工程，提升兼职教师的职业教育能力；选派专业教师到相关企业进行锻炼，参加技能培训和职业技能鉴定，提高了实践能力；选派具备一定技术服务能力的专业教师，为企业提供技术咨询、培训和技术服务[13-14]。使专任教师和合作企业里的师傅“双向兼职”、“双岗双责”，经常处于学校和企业“两栖”状态，切实提高教师的职业实践能力和兼职教师的职业教育能力。

3 高职模具专业虚拟实训平台的构建

模具实训虚拟现实平台的虚拟场景应与岗位环境情景相符，每个岗位的工作任务及其素质要求应符合模具企业实际要求，能够逼真的反映工作岗位内容。并邀请企业专业技术人员共同参与虚拟实训平台的设计与开发，使虚拟实训教学与企业岗位无界化。

根据上述的模具专业的岗位技能特点和职责，构建支持模具产品虚拟设计与制造平台的系统框架，该系统结构分为5部分，分别为界面层、管理层、功能层、数据层和支持层[15-16]，如图4所示。

模具专业虚拟实训平台框架分为5层，各层功能如下。

3.1 界面层

界面层是实训平台的交互界面，通过界面层接口实现人机交互，并于与系统平台服务器进行数据交互。交互的数据文件类型可以是文本文件、图形文件、数据手套、头盔式显示器以及视频跟踪系统产生的数据文件等，通过多种形式实现系统与不同用户实现不同方式交互的目的。

3.2 管理层

采用分布式对象标准CORBA和组件等技术，全面管理虚拟实训的全过程。主要管理功能如图5所示。

图4 模具专业虚拟实训平台的基本框架

3.3 功能层

功能层是平台的核心，包含支持产品的虚拟开发、模具的虚拟设计、虚拟装配、虚拟注塑成型仿真各阶段的应用模块，为实训教学过程提供从产品方案设计、概念设计、数字建模到虚拟注塑成型建模、基于物理的虚拟注塑设备建模及仿真分析试验各阶段的应用功能，这些模块通过同一的用户界面与用户交流。

3.4 数据层

数据层用于存储支撑平台运行各种数据，数据层包括算法库、用户信息库、模型库。各库为模具虚拟实训平台提供数据支持，其中算法库包含了实现各功能所采用的算法模型；模型库包含平台所需要的所有的几何模型以及相对应的仿真模型；用户信息库包含教师和学生信息、考核成绩查询等。

3.5 支持层

支持层主要是硬件设施，由计算机、数据服务器和虚拟现实外设等组成，为平台的功能实现提供数据计算、数据通信和虚拟交互等。在Windows操作系统上配置虚拟模具设计的各种功能。

4 虚拟实训教学系统的实施案例

基于虚拟现实技术的模具专业实训平台，课题组根据平台结构框架已初步构建了模具专业学生虚拟实训平台，模具三维虚拟装配，如图6所示。

图6 模具设计与制造虚拟装配平台

图7 模具设计与装配

学生在虚拟装配实训平台内，先择虚拟装配技能岗位，阅读岗位职责，进入虚拟空间后，根据职责完成目标岗位的全部工作步骤，从而获取技能与知识。实训平台向学生提供观察实训过程的视频窗口、图文并茂的实训设备知识、丰富多彩的实训相关资料，操作灵活的实训交互过程，无需教师在场，学生就可以通过自己的努力完成各项内容，并充分利用实训平台的导航、自测与自评的助学功能，达到岗位职责的要求，实现职业教育与工作岗位的无界化。

以图7的肥皂盒产品的模具设计为例。学生进入虚拟实训平台后，首先选择自己的工作岗位为模具设计工程师，接着系统将给出不同类型的塑件。此时学生可选择肥皂盒，系统将自动进入模具设计页面，根据肥皂盒的产品结构和精度要求，进行型腔数的确定，获得型腔和凸模，之后进入模具零件的组装、干涉检验和试模，直至合理的模具结构设计完成。当然系统也会给出最优的设计方案，供学生参考。

5 结 语

根据模具专业岗位素质和技能的要求，合理构建虚拟实训平台，让学生沉浸于闯关式的实训游戏中，添加了实训乐趣，激发了学生的学习主动性，同时也弥补了传统的校内、校外实训基地模式的不足。随着虚拟现实技术和计算机技术的不断发展，虚拟实训将会不断得到完善，成为实训教学不可或缺的现代化教学工具。

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