虚拟现实技术在中职数控专业教学中的应用研究

王君

近些年我国的综合实力不断将增强，不仅提高了国际竞争力，同时也为民族复兴大业奠定了一定的基础，与此同时也应该清晰地认识到不足，需要针對社会深化改革细节研判。我国的教育体系正处于改革发展阶段，而传统的教育模式已不能满足当前的社会发展需求，中等职业院校是我国培养实用性人才的主要阵地，需要在教学过程中将理论与实践相结合。数字化虚拟产业的高速发展给中职数控专业教学提供了更多可能性，同时也提出了相应的挑战，教育工作者需要紧跟时代脉搏，通过构建立体化教学体系、模拟实验、仿真教学，将虚拟教学模式与实践生产相衔接，为中职数控专业学生提供更符合其成长的教学环境。

一、虚拟现实技术内容以及特点概述

中职教育的最大特点就是需要针对技能进行实践训练，通过不断的探索和创新，培养符合社会发展的实用型人才，因此中职教育中的技能培训一直都是重中之重，其中数控专业的实习成本比较昂贵，还需要统一组织，这也就给学校提出了较高要求。虚拟现实技术的出现改变了这一现状，学生的实践操作可以不再受到时间与空间的限制，而是通过计算信息的交互环境进行虚拟演练，进一步改进了中职数控专业的实训体验，在节约教学成本的基础上提高教学效率和质量。

（一）虚拟现实技术的教学优势

数控设备工作环境较为复杂，学生不仅要了解数控机床的工作运行流程，还要学习其中的编程原理，而虚拟现实技术则是利用计算机模拟数控设备的真实环境及过程，不仅以实践技术为基础，同时也集合了人工智能网络以及多媒体图形技术，在虚拟的条件下可对数控设备全面地操作，还不具备危险性，对任何一个环节都可以记录备案，对于学生和教师审视整个操作流程都具有积极意义。一直以来中职院校实习成本较高，尤其是机械类数控类的技能培训，需要投入大量的设备材料，而且无法让每一个学生都能拥有平均的实践机会。将虚拟现实技术运用到数控实训教学模式中，不仅可以减少材料消耗，同时也能给学生更多的实践均等机会。

（二）虚拟现实技术的发展历程

虚拟现实最早起源于上个世纪60年代中期的美国IFIP会议，但是由于当时的技术局限性，只是提出了通过虚拟世界窗口观察的理论，直到上个世纪80年代都处于瓶颈发展期，进入90年代后由于计算机数据处理能力成倍增长，虚拟现实技术也有了重要的发展路径。虚拟系统基本特征包括沉浸、互交和想象，一般计算机技术所具有视觉感知外，还需要配合其他系统设备让使用者拓展立力觉、触觉、听觉以及运动感知等，能在虚拟世界中完成现实世界中具有危险的工作任务，具有真实体验的同时也可以随意构想客观不存在的环境，一方面能帮助使用者拓宽认知范围，同时也可以进行思维创新工作。

（三）数控虚拟现实应用软件

我国是数控生产大国，而且数控加工过程非常复杂，需要考虑金属削切面的弹性形变、塑性形变、切削温度以及摩擦生热等多项影响因素，数控精度也代表着制造业的水平，近些年来市场对于精密零件需求量不断增加，因此在数控专业教学过程中也应充分考虑社会及未来的市场变化，加强该专业的技能训练。虚拟现实技术应用在数控专业实操训练教程当中，可以让学生在正式上机床实践前熟练掌握编程技巧，同时也可以有效避免安全事故，根据学生的实际操作进行评分，有助于改善学生的不足。

（四）虚拟现实技术的不足之处

虚拟现实技术虽然可以仿真数控机床操作，但是与实际操作仍存在一定差距，例如进给量和削切深度设定正常的F10.00mm/r，但是当超过这一数值时，甚至达到F10.00mm/r也并不会在软件中报警，但是如果在实际数控机床上操作时，则可能出现较大问题。

二、中职数控专业传统教学的弊端与问题

（一）设备少、学生多、成本高

众所周知，中职教育非常强调技能的实践应用性，学生必须在反复的事件中不断积累经验、实现技能的提升，但是中职院校的设备有限，无法为每一个学生都安排同等的教学设备，因此常是若干个学生共用一台机器。近些年来随着社会对于技能型人才的需求不断增加，中职院校为了更好地服务于社会，也在不断扩招，学生数量的增加更使得实训设备显得“捉襟见肘”，实训设备本身就非常昂贵，加上实训配套还需要扩建场地和房建，而中职院校大多难以负担，因此设备少、学生多、成本高三类矛盾日益突出。另外，部分中职院校也在不断地进行设备投入，但是由于设备犹豫日常磨损需要定期保养、维修、更换零件，在一定程度上成本居高不下，这就很难让院校维持运行。

（二）实训教学的安全问题

虽然中职院校老师会在学生技能实践操作前进行安全讲解，但是由于人数较多，老师无法平均分散精力去看管每一个学生，学生在初次接触到数控机床时基本操作不够熟练，常因错误操作而损坏机床、刀具，甚至还会伤害到自己。另外当中职院校学生具有一定的实践基础后，会尝试自己编程操作，但是编写程序需要与自身的经验相匹配，如果经验缺乏则很容易造成程序输入不合理或有误的情况，盲目执行程序会产生撞车打刀等事故，甚至危害到学生的身体健康。

（三）数控专业教师工作任务量大

自改革开放以来，我国在经济发展领域取得了长足性进展，与此同时也成为了全球第二大经济体，我国以制造业促成近些年来经济一体化发展，使得社会对于数控机房数控专业人才需求也在不断增加。数控专业教师为了帮助学生更好地提高成绩以及实践能力，需对学生的编程进行逐个检查，但是在实训教学过程中，教师无法对每个学生进行示范指导，而是以老师为主进行操作演示，学生虽然在外围观察，但是也可能存在问题不清晰的情况。数控专业教师工作任务量大，无法帮助每一个学生进行细致化讲解，或者示范教学不理想，都无形中增加了教学难度，也无法达到预期教学效果。

（四）院校可提供的系统比较单一

由于数控实践的培训系统投入较大，目前中职院校数控系统仍然以FANUC为主，而随着当前科技的快速发展以及市场产品需求量的增加，很多学生毕业后在工作单位中并不能快速适应，尤其在系统操作方面需要重新学习，不仅增加了后期的人才培养成本，同时也无法提高中职院校自身的教学质量，对于我国整个人才体系培养并不利。可供学习的系统较为单一，无法让学生接触到更加多元化的系统操作模式。

三、虚拟现实技术在中职数控专业教学中的应用

（一）通过虚拟现实技术进行立体展示

数控设备造价昂贵且体型较大，因此学生主要通过书本或网络资料查看数控设备及元件的图形，中职院校具有部分数控机床但是并不全面，未来学生需要接触更多不同类型的数控机械，而且随着当前科技的快速发展，数控机床也在不断变化，因此需要进行实际观察外形获得各种感性认知。通过虚拟现实技术可以进行数控设备及元器件的立体展示，主要通过计算机构建与实物相同的3D零件或3D机床，通过建模方式将各种数据机床设备进行虚化对比，让学生能了解不同数控机床的变化以及应用优势，同时也可以从不同角度进行观察，认识数控机床的操作系统以及零件结构。通過虚拟现实技术进行立体展示，可以让数控设备更加直观地展现在学生眼前，不仅能够提高学习质量，同时也有助于理解数控设备的组成结构以及工作原理。

（二）通过虚拟现实技术进行方针教学

由于数控机床成本较大，中职院校很难全套购买，因此老师不得不以理论传授为主，学生的实际动手操作实践较少。按照正常的教育流程而言，理论与实践应达到1：1。很多时候学生在理论知识学习过后并没有实践机会，而随着时间的推移，知识在不断累积，早期的学习内容由于没有实践过程，因此很容易遗忘，无法形成连续记忆，因此也影响了整体教学质量。缺少了现实的数控教学很难达到预期效果，利用虚拟现实技术可以构建虚拟实验室，让学生有身临其境的操作体验，同时还能对数控设备的故障检修、维修、连接、组装等细节逐一进行练习和考核。采用虚拟现实技术，只需占用较小的物理空间，也没有过多的成本消耗，更有利于学校进行教学使用。

（三）可实现网络数控教育培训考核

传统的中职数控专业考试教学往往以理论知识为主，不仅内容较为单一，同时也无法从综合角度对学生进行考查。我国正处于社会深化改革的重要阶段，未来对于人才的培养更偏向于实用性和综合性，传统的培训及考核方法已经不能满足当前的社会需求，而是应注重学生的理解创新能力。虚拟现实技术不仅仅局限于利用系统功能进行虚拟实践操作，而是可以通过互联网络的教学功能实现双向互动远程教学，包括批改作业、考查操作、成绩查询以及不足分析等多个环节，能针对学生的学习以及虚拟现实操作能力进行综合打分，并为老师提供更重要的教学优化参考数据。另外，网络数控教育培训考核，还可以根据当前市场对于数控专业人才的需求进行调整，不满足于现有的数控机床技术，而是针对市场化需求，鼓励学生进行自主创新、培养学生的独立思考能力，为我国的综合化人才发展奠定基础。

（四）有效解决教学与生产之间联系的难题

虚现实技术不仅可以联网运行，同时也可以独立仿真，单机独立运行的数控虚拟系统只需一台计算机加上模拟软件进行操作，能通过立体动态图形展示，让学生深入学习具有更好的体验感;而在联网情况下，可以将虚拟数控系统与实际机床连接通过虚拟现实技术验证后对程序进行复核分析，然后再传递到真实机床上，以此实现加工过程。虚拟现实技术有效地解决了教学与生产之间关联性的难题，同时也可以借助系统对编程数据进行综合分析，尤其是当前大数据的广泛应用，能够根据以往的数据经验进行比对，防止出现编程错误或操作错误的问题，能够智能化地对用户进行提醒，能有效观察虚拟机床的各类参数，结合设计后置处理的NC程序直接调入加工。

综上所述，中职院校数控专业具有实践需求性强的特点，但是目前中职院校数控专业传统教学存在设备少、学生多、成本高以及实训安全保护难度大、任务量大等多项问题。相关教育者应深入分析虚拟现实技术内容以及特点优势，针对目前的教学需求进行模式创新。虚拟现实技术虽然可以有效地提高学生的实践运用能力，但是与实际加工仍存在差距，不可互相代替，但是在教学过程中合理使用能够提高教学质量，作为学生实践与学习之间的过渡桥梁，可以起到较好的教学效果。