VR技术在中职学校数控加工教学中的应用

摘 要：随着虚拟技术的广泛普及，目前VR技术已经广泛应用在医护、教学以及机械工程制造等领域。基于职业院校数控加工专业的教学需求，VR技术已经逐渐成为理实一体、项目教学趋势下的一种重要教学手段。在数控加工教学中引进VR技术，不但会解决数控加工实训教学过程中可能遇到的设备型号不一致、教学安全等问题，而且还可以在很大程度上起到节约教学材料和保护环境等作用，极大地推动了数控加工专业的发展。

关键词：VR技术;数控加工;教学应用

中图分类号：G71          文献标识码：A          文章编号：1673-9132（2022）17-0029-03

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2022.17.010

中职学校担负着培养初中级专业技能人才的任务。培养学生良好的专业技能，提升学生的创新能力是职业院校人才培养的主要目标。随着各地职业教育规模的不断壮大，职业院校更加重视数控加工技术专业的发展，投入到数控加工技术专业的设备、人力越来越多，数控加工技术专业获得了较好的发展，但同时一些问题也随之显露出来。职业院校应当积极引进以虚拟应用管理平台为基点的VR技术，利用现代科学技术手段来弥补教学中的诸多不足，从而推动数控加工专业不断得到发展和进步。

一、虚拟仿真技术在数控加工教学的应用优势

数控加工技术人才培养的关键点在于以复合型技工人才为目标，全面提升学生的实际动手能力和创新能力。对此，虚拟仿真技术凭借计算机信息技术，尤其是图形、影像显示手段搭建起了集视、听、触于一体的虚拟仿真环境，实现对数控加工过程的全环节、全方位真实模拟，在实训教学中凸显了多纬度、多元化优势。在数控加工教学过程中，依托VR技术能将数控机床组成、逻辑关系以及机械运行模式等数控加工技术以3D虚拟形象全方位地展现在学生面前，可以广泛应用到数控加工技术的教学环节立体化展示、数控模拟实验、实训仿真教学、专业教学与实践生产加工的融合等方面，达到有效简化实训教学过程、提升实训教学效率效果。

二、数控加工教学中存在的问题

新形势下，中职学校要立足学校专业特点和产业发展需求，凸显学生创新能力培养，自主地依据课程教学要求和人才培养拟订或调节有关内容，全面提升人才培养质量。现阶段一部分职业院校数控加工教学中仍然存在教学质量与人才培养目标差距较大的问题，特别是在数控加工的实训课程当中仍存在以下几点问题，在很大程度上制约着专业教学的发展。

（一）教师示范操作效果不佳

在数控加工课程教学的实训阶段中，需要科任教师亲自动手示范数控加工相关技术要领和方法技巧，让学生能够理解和掌握其中的基本要素和环节。但实训教学往往由于教学人数较多，加工操作过程比较长，导致教师在数控加工演示过程中时间受限、环节受限，很难确保在场的每位学生都能够听清和看清每个关键操作，进而影响教学质量。

（二）教学成本较高，设备更新慢

数控加工课程绝大多数内容都需要学生在数控机床上进行实际操作，因此，学校为本专业配置齐多种型号的机床是一件非常困难的事。并且，随着机械加工行业的不断发展，学校数控机床的更新速度远比不上生产企业的机床更新速度。另外，用于数控加工的实训耗材价格都较高，实训耗材的配备常常无法有效保障学生能够进行足够的操作实训，课堂教学中很难确保所有学生都可以拥有充足的操作机会。以上因素，影响了数控实训教学质量，造成学生在校所学的技术无法有效地应用到企业的生产操作当中。

（三）学生易发生误操作，造成安全隐患

数控加工课程的理论知识部分通常是枯燥无味的，导致一部分学生疏于理论知识的有效学习和巩固，这样会导致学生在实训前有可能未能全面了解和熟知实训步骤，在实训过程中缺乏准确的理论判断，从而引发操作失误。如果操作事故发生在教師监管不到的地方，轻则会损坏实训设备，重则会造成教学安全事故，甚至造成学生人身伤害。

三、VR技术在数控加工实训中的应用

现代职业教育背景下的职业院校在专业教学中都很关注学生的实际动手能力，教师在技能实训教学中要切实用好VR技术，利用VR技术提供的资源库作为数控加工教学的素材，以满足实训教学的需要。结合实际，VR技术在数控加工教学中的应用主要有以下几点。

（一）模拟新技术机床

数控加工技术专业课程的教学目的主要是更好地提升学生的理论基础和实践能力。在专业教学中设立了一些基础性的实训项目，这些项目有益于促进学生对学习内容和基础性实训要领进行记忆，需要反复操作和练习才能理解和掌握。而这一部分技能实践内容比较枯燥乏味、教学方法也较为单一，极不利于学生的自主学习能力和创新思维能力的培养。在机械工程领域中，机械机床更新换代的速度相对较快，一般的学校承担不起频繁的更新，因此绝大多数学校所使用的机床都比较老旧，无法将行业上的新技术、新知识通过机床实训教学传递给学生，导致学生的学习兴趣不高，进而影响数控加工教学的质量。

在教学中采用VR系统，利用好数控加工技术VR系统中的几何建模，凭借NC代码的驱动，就可以实现运动建模，确保托板运动逻辑、轴运动定义、换刀逻辑和切屑生成逻辑等都能始终处于可视可控状态，让学生能够在虚拟状态下观察工件的切削过程，了解数控加工过程中各个模块的互换，达到全面了解数控机床工作原理、内部构造、部件约束关系及装配关系等。这样，VR技术不但可以将最先进的机床操作新技术传输到学生面前，还可以模拟出当下最为先进的机床设备，让学生可以更加全面地掌握领先的技术。

（二）扩充人才储备

从现阶段数控加工行业的发展而言，数控加工企业仍然面临着技术人才短缺的问题，或者从事该岗位的员工普遍存在实践经验不足或是动手能力较弱的缺陷。通过VR技术手段对学生进行数控虚拟设计、加工和装配等教学，可以让更多的学生拥有实训实践的机会，将平时学到的理论知识充分融入实际操作中去，进而起到锻炼学生实际动手能力的目的，强化学生的专业技能操作水平，为行业企业培养出更多的专业人才。

（三）改变教学模式

传统的数控加工教学模式一般是授课讲师作为课程的核心，而受教的学生更多的是被动学习，从而导致学生的学习热情不高，很难激发出学生的创新创造能力。当数控教学课堂中引入VR技术之后，教师可通过的编排将此项技术融入原有的教学中去，形成专业知识与现代虚拟技术相融合的教学方式，进而改变原有的教学理念和教学方法，达到让学生主动学习热爱学习的目的，从而全面提高学生对数控加工技术学习的积极性，更好地培养学生的自主创新能力和自学能力。在降低了对实训设备、加工材料的要求的同时，VR技术还可以仿真机械构件加工的全过程，从不同的视角下展现刀具切削与加工效果，而且加工功能齐全，有良好的可扩展性、通用的平台效应以及逼真的仿真效果，保证学生能够真实充分地掌握数控加工操作技巧。除此之外，一些VR数控技术平台还可以对学生模拟操作过程中的操作环节、加工结果等实现自动评估和实时记录，教师和学生通过系统可以对加工工件的规范程度进行检视，能够帮助学生及时发现自己操作过程中的缺陷和不足。系统还可以对历次操作过的工件数据予以保存，学生可进行二次加工和反复操练，极大地提高数控加工的教学效率。

（四）消除安全隐患

VR技术还具备良好的兼容性，可以将各类教学机床技术融入该系统当中，进而避免出现学生因误操作而导致机床设备损坏现象的发生，更不会对学生的人身安全造成威胁。并且，VR系统中具有大量的加工工具可供学生挑选，可以让学生自主选择学习和使用，还能对学生的实际操作进行实时监控，出现问题时能够及时指出学生的错误操作，从而规范学生的数控加工操控手法，避免学生在进入到实际的工作中后因操作问题导致安全事故的发生。学生和教师也不必担心设备损坏、耗材损耗、场地限制等问题。采用VR技术进行工件加工操作练习，不会消耗实训材料和能源，能够有效满足学生学习需求和教师教学要求，还能够极大地降低学校实训教学成本，可谓一举多得。

（五）激发学习主动性

将VR技术充分融入数控加工实训教学中，可以完全打破传统的以教师为主体的灌输式教学模式，通过技术手段建立起虚拟教学环境，使学生充分地沉浸到学习中去，从内心深处激发出学生对知识的渴求。传统的实训教学因为种种原因只能停留在表面，无法教授学生更深层次的知识，导致学生在进行数控加工实践过程中最多只是进行简单调节机床导轨、尾座，以及对机床进行日常的维护工作、简单加工等内容。而在VR技术搭建的虚拟平台下，学生可以通过虚拟技术对机床主轴箱、刀架等关键部件进行拆装组装，全面深入了解数控机床的内部构造，从而对设备会有更加全面直观的认知，极大地扩宽学生视野。在学生了解了数控机床的内部构造和工作原理后，一些加工技术要求的学习内容就会变得容易和直观。加之，数控技术的线上教学课程经过了接近十年的研发，集成了国内主流品牌的数控机械面板，将复杂的机械结构三维具象地展现在学习者面前，可以帮助学生以及科研技术人员进一步了解数控机床结构，同时也为技术人员进行数控机床系统的二次开发提供了必要条件。该装置尽其所能地将所配数控系统的精髓用最直观的方法展示给用户，使用户能最大限度地参与并获得深切的体会以达到融会贯通的效果。

（六）增强学生认知

在现代数控加工专业理论知识教学中，VR技术的广泛应用已经打破传统的低效教学模式。在VR技术支持下，教师只需利用一台计算机即可操作VR系统，并建立起与真实的数控设备相同的数字化3D模拟图像，将数控机床、各紧密元件、加工所用的器具直观体现出来。从而可以使学生无须深入实训场地也可以从不同的视角直观清晰地对数控机床的外观、内部结构和构件等进行观察，进而使数控机床及加工原理深刻地留在学生的脑海当中。不仅如此，该技术还可以选定一台计算机作为核心独立运行，将虚拟仿真操作的全过程充分地展现在显示器面板上，并可以将数控切削过程以动画的形式显示出来。另外，该技术也可以将其放置到局域网上进行运行，将其与机床实件进行连接，学生可借助相同的局域网络向加工机床发出控制指示指令，并在显示器上真实观察到机床的实际运行过程，使学生可以随时随地了解数控方面的知识。配合线上课程资源部署，使用该装置的学生可以通过面板操作以及虚拟三维在线课程掌握数控车床系统控制原理、电气设计方法、元器件的选择、车床电气安装及调试、故障诊断维修、零件程序编制及图形模拟加工过程等多项实验内容，达到工业生产现场实习效果。

（七）优化考核方式

由于数控机床运行维修成本较高，且操作实践时间较长，导致部分学生虽然在毕业时拿到了相关证件，但仍然存在专业操作技能与自身掌握的知识并不匹配的现象。因此，职业院校应当继续加强数控加工专业毕业生的专业技能考核工作，找出教学过程中存在的不足，进而提升数控专业的教学质量。传统教学中大量使用考试成绩来评价学生的学习结果和教师的教学绩效效率，对于专业技能实训检测通常靠教师实训过程的中对学生的印象来开展评价，这种评价未将学生的专业实践动手能力和创新能力予以很好的体现。在VR虚拟应用管理平台支持下，专业教师可以实现远程数控加工相关技能的动态和序列考核工作，可以借助VR技术平台设定考核内容，实现多进程的教学质量考核评估。另外，考核教师还可以利用视频回放功能实现对每个学生的操作监控，同时也以此为依据为学生提供相应的学习指导。

四、VR技术应用于职业教育技能教学过程中的不足与展望

从现阶段我国职业院校在专业教学中使用VR技术的水平而言，该技术与专业理论教学的有效融合仍处于起步阶段，VR技术的总体研究还是显得过于碎片化，无法建立起一个较为完整的理论体系，从而导致职业院校中的VR技术自主研发能力相对较弱，导致VR技术还无法全面深入地普及到教育教学中来。另外，因为职业学校的学生基础知识薄弱，且理论学习和计算机操作等方面的能力都比较弱，所以虚拟操作系统不应当过于高端，操作难度过大同样也会打击学生的积极性，进而降低对学习的兴趣。为此，研发人员应当积极结合职业院校、专业、学生的实际情况来设计VR技术的操作系统，从而促进VR技术更加有效地深入到专业教学领域当中。

五、结语

总而言之，随着行业技术的不断发展，数控加工技术领域随之拓展，软件、硬件技术得以革新，为数控VR技术提供了很好的机遇。将VR技术引入到数控加工教学过程中去，完全可以增加学生的学习兴趣，避免实训过程中的安全隐患，达到节能环保的教学效果，可以更好地促进数控加工及其他领域的专业教学。

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[责任编辑 赵颂花]

作者简介：陈琳（1985.9— ），男，汉族，甘肃民乐人，一级教师，研究方向：機械加工技术、数控加工技术。