VR技术在数控加工实训教学中的应用研究＊

张良



VR技术在数控加工实训教学中的应用研究＊

张良

（苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104）

为了解决数控加工实训教学过程中遇到的安全性和环保性等问题，采用VR虚拟现实技术改善实训教学环境。通过分析数控加工实训传统教学中存在的一系列问题，提出VR技术在数控加工实训教学中的需求，分析了将虚拟现实技术运用到数控加工实训中的优势。分析结果显示，将VR技术运用到数控加工实训中能够消除实训过程中安全隐患，达到节能减排的效果。

安全环保；数控加工实训；VR虚拟现实技术；教学需求

1 引言

近年来，我国对于职业教育的发展越发重视，投入到职业院校的资金越来越多，职业教育的规模不断扩大。然而，目前我国的职业教育仍存在诸多的问题，比如专业课程教学过于传统、教学成本较高、安全隐患颇多、教师示范操作演示效果不佳等[1]。VR技术的出现能够很好解决职业教育中遇到的诸多问题，VR技术利用一个虚拟的系统模仿并代替一个真实的系统，让使用者能够身临其境，对系统中的情景有直观的感受。

虚拟仿真教学是一种理论与实践相结合的教学方法，能够激发学生的学习兴趣，更是未来教育教学智能化的一个缩影。然而，目前在我国，VR技术在高职院校教学中的应用十分罕见。将VR技术应用在机械专业数控加工实训的教学中是一次大胆的创新，虚拟现实技术采用3D模仿数控机床，以实现机床拆装、数控产品加工等操作，通过直观形象展示和操作，完成了传统教学无法完成的任务，拓展了学生的认知领域。相信在不久的将来，虚拟现实技术必将在职业教育中得到普及。

2 VR技术概述

VR（Virtual Reality）技术，也被称为虚拟现实技术，它是一种将信息技术、网络技术、多媒体技术等各个领域的先进技术相结合的计算机虚拟仿真系统。VR技术最早起源于19世纪50年代，当时人们为了改变传统的二维屏幕体验，让电影、动画更加逼真，更具临场感，做了一系列大胆的尝试。但是碍于技术限制，并没有形成很大的影响。1992年美国国家科学基金资助的交互式系统项目工作组的报告中对VR提出了较系统的论述，并确定和建议了未来虚拟现实环境领域的研究方向。2016年被称为VR技术元年[2]，虚拟现实技术成为电子领域的消费热点。

VR技术主要有三大特征，即感知性、交互性和沉浸性，其系统根据不同的交互程度一般可以分为沉浸式、桌面式、增强式和分布式[3]四类。VR技术具有易于实现、灵活多变、效率高、成本低、消耗少等特点，因此，将VR技术应用于实践教学的优势十分明显。

3 数控加工实训现状分析

3.1 数控加工实训教学过程及内容

数控加工实训过程中所涉及的相关教学内容如图1所示。一般来说，实训内容可以分为5部分：①先让学生对数控车床的基本知识有所了解，熟悉机床加工技能和加工工艺，通过普通机床的教学让学生有整体的相关概念；②讲解数控编程的相关内容，包括M指令、T指令和G指令等，在讲解指令过程中分析零件的加工工艺顺序，让学生对零件的加工有一个初步的了解；③教师示范数控车床的基本操作，比如程序输入、对刀、程序模拟等内容，并指导学生进行相关内容的练习。④对学生进行分组，指导学生进行简单零件的车削加工练习，培养学生的团队协作能力和创新精神。⑤进行组合件的分组考核，考察学生的学习情况[4]。

图1 数控加工实训教学内容

3.2 数控加工实训教学中存在的问题

目前我国大部分职业院校的教学设备和办学条件并不尽如人意，特别是在数控加工实训课程中，存在以下问题。

3.2.1 教师示范操作效果不佳

数控加工实训课程在学生操作之前，需要教师亲自讲解演示，由于学生人数较多，实训场地较为嘈杂，教师在数控机床上机示范时，难以保证所有学生都能够听清楚教师演示的每个关键操作，教学效果会受到极大的影响。

3.2.2 教学成本颇高，设备更新慢

课程内容需要学生在数控机床上进行操作，机床种类繁多，实训所用的机床设备很难配套齐全。实训耗材价格高昂，物力人力成本过高，难以保证所有学生都有充足的操作机会。机械行业飞速发展，学校数控机床的更新换代远远比不上企业，导致学生所学的技术无法与企业接轨。

3.2.3 学生易发生误操作，造成安全隐患

大部分学生在开始课程之前，对数控机床的操作了解甚少，没有相关的经验积累，很容易发生误操作。一旦有误操作发生，会损坏设备，甚至会造成安全事故，导致人身伤害。安全隐患也会增加教师的心理负担，不利于正常教学。

4 VR技术在数控加工实训中的应用

4.1 VR技术在数控加工实训教学中的需求

高职院校的教学注重培养学生的动手能力，VR系统提供的资源库作为教学素材正好能够满足实训教学的需求。数控实训教学对于VR技术的需求主要有以下几点[5]。

4.1.1 模拟新技术机床

在机械行业中，机床的更新换代速度较快，学校所用的机床一般比较老旧，VR系统能够模拟出最先进的机床设备，从而让学生掌握国际领先的技术。

4.1.2 扩充人才储备

目前，我国数控加工方面的人才短缺，该方面的学生普遍缺乏实践经验，导致技能训练不足，采用VR技术可以让更多的学生有实践的机会，为国家培养更多的专业人才。

4.1.3 改变教学模式

传统的数控加工实训教学往往是以授课教师作为课程的主导，学生更多的是被动学习，学习热情不高，创新能力不足。引入VR技术能够改变原有的教学模式，让学生主动学习，提高学生的积极性，培养学生的动手能力、创新能力和自学能力。

4.1.4 推动课程建设，转化教学成果

将VR技术应用到数控加工实训中，能够很好将数控专业与其他专业相结合，通过积累各专业的教学经验，推动各学科的教学资源库建设，最大限度完成教学成果转化。

4.2 VR技术在数控加工实训教学中的优势

将VR技术应用在数控加工实训教学中能够突破传统教学的许多瓶颈，培养学生的动手能力和创新能力，提高学生的自主能动性，改善教学环境，促进课程建设。

4.2.1 弥补教学条件不足

利用VR系统构建虚拟教学系统，能够降低教学成本，节省教学空间，实现低能耗、高效率、环保和可持续发展。而且机床的种类和型号也可以根据实际的需要及时更新，让学生学习最先进的数控加工技术。

4.2.2 消除安全隐患

VR系统不会因为学生的误操作而造成机床设备的损坏，更不会对学生的人身安全造成威胁。系统中不仅有更多的加工工具供学生挑选，更能对学生的操作进行实时检测，及时指出学生的错误操作，大大减少了教师的工作量。

4.2.3 激发学习主动性

在数控加工实训中使用VR技术能够打破以往以教师为主导的传统教学模式，构建虚拟的教学环境能够激发学生的求知欲，培养学生的创新能力。传统的实训只能停留在表面，学生最多就是调节机床导轨、尾座，对机床进行日常的维护等内容。而在虚拟的环境中，学生能够对机床主轴箱、刀架等部件进行拆装，了解机床的内部构造，让学生对设备有更加深入的直观感知，开拓了学生的视野。

4.2.4 实现无纸化考核

无纸化办公一直都是国家大力倡导的环保节能途径，使用VR技术能够真正实现学生的考核无纸化。VR系统可以以联网的方式呈现教师演示的教学内容，而且能让教师通过网络实时监测学生的操作情况，发生误操作时能够及时进行指导并更正，提供更规范的评价系统，实现统一考核。

5 总结

VR技术在数控加工实训教学中的应用研究中，首先介绍了VR技术的特点和发展方向，然后对数控加工实训教学过程及内容进行了总结，指出了传统教学中存在的一系列问题，接着提出了VR技术在数控加工实训教学中的需求，最后分析了将虚拟现实技术运用到数控加工实训中的优势。综上所述，将VR技术运用到数控加工实训中能够增加学生的学习兴趣，消除安全隐患，达到节能减排的效果。从上述角度考虑的虚拟现实系统能够成功地应用到实际当中，对于虚拟现实系统的应用研究具有一定的参考价值。

［1］陈长全，符龙生.VR技术在高职院校实训中的应用［J］.电子技术与软件工程，2018（18）：129-131.

［2］魏智慧.VR在教育中的应用及存在的问题与对策［J］.信息与电脑，2017（14）：232-234.

［3］舒忠.VR技术在职业教育领域应用场景及展望探讨［J］.经贸实践，2018（18）：344-345.

［4］张伟，王婧.浅谈数控车床编程与加工课的一体化教学［J］.科技资讯，2018（17）：148-149．

［5］倪珉.基于VR/AR技术的数控加工实训教学需求与对策研究［J］.科技创新与生产力，2018（7）：112-114．

张良（1988—），男，江苏苏州人，硕士研究生，实验师，研究方向为机械工程。

2018—2019年度苏州市现代装备制造职业教育集团教育教学改革研究课题“虚拟现实（VR）技术在‘机械加工’实训教学中的应用研究”（编号：zbzj201808）；2018—2019年度苏州市“高技能人才培养研发”市级重点课题“虚拟现实（VR）技术在‘机械加工’实训教学中的应用研究”（编号：GJNZ201805）

2095－6835（2019）02－0066－02

TG659

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.066

〔编辑：严丽琴〕