中职数控专业实施虚拟仿真教学的对策

陈坚

摘 要：中职数控专业运用虚拟仿真技术开展实训教学，能够让学生深入理解和掌握数控机床的操作知识，可有效锻炼学生的实践操作能力，提高学生的学习效率。梧州岑溪市中等专业学校数控专业教学存在资源不足、方法单一等问题，为此该校构建“双环四步、虚实交融”虚拟仿真教学模式，通过科学设定教学内容、教学目标和教学重难点，以及科学施教等对策，提高数控专业虚拟仿真教学质量，培养高素质的技能人才。

关键词：虚拟仿真；数控专业；实训教学；中职学校

中图分类号：G63 文献标识码：A 文章编号：0450-9889（2024）05-0140-05

近年来，社会对数控专业人才的需求越来越旺盛，在此背景下，各中职学校不断加大数控专业人才的培养力度。但是，对学习基础、学习能力相对薄弱的中职生而言，学习数控专业存在较大的难度：一是理论学习要求高。数控专业包括机械设计、计算机科学等多个领域的理论知识，内容繁杂，要求高，中职生的学习基础较弱，难以理解和掌握数控专业的相关理论知识。二是实践技能要求高。数控专业的实践操作需要掌握机床操作、编程等技能，要求中职生具备很强的动手能力，这对不少中职生而言具有较高的学习难度。三是知识更新快。数控技术更新换代快，需学生不断学习新的知识和技能，对中职生的学习能力和适应能力均有较高要求。四是学习方法欠科学。部分中职生没有制订合乎自己的计划，也没有找到科学的学习方法，这就使得学习效果并不理想。五是学习兴趣不高。由于数控专业涉及的知识面广，知识内容枯燥，部分中职生对学习数控专业的兴趣不高，影响了学习效果［1］。

虚拟仿真技术是一种通过计算机模拟真实环境的技术，利用该技术可以创建一个与现实相似的虚拟环境，让学生在这个环境中进行实践操作，从而达到预期的学习目标。虚拟仿真技术用于数控专业教学具有以下四个方面的积极作用：一是减少学生学习理论知识的依赖。运用虚拟仿真教学，学生不用过于依赖教材和教师，通过仿真讲解就可以达到较好的学习效果。二是提升了学生的实操技能，提高了学生数控加工的效果。虚拟仿真技术可以提供一个与真实平台类似的实操平台，促进学生更好地进行实践操作，提高了学习效果。三是拓宽了学生的专业知识面，提高了学生的创新能力。通过运用数控虚拟仿真软件进行教学，学生能够在生动逼真的数控操作平台上学习，变被动接受为主动学习，培养了学生的创新意识。四是提高了学习效率。虚拟仿真技术可以让学生反复实践操作，不受时间和地点限制，不用考虑资源成本，提高了学习效率。五是提高了学生的实操安全系数，减少数控机床设备发生故障的次数。在数控加工专业课教学中运用虚拟仿真技术，避免了学生在刚学习实操时因操作不熟练而容易出现失误，进而出现人身安全和损坏机床设备等问题，提高了学生实训过程中的安全性。六是提高了学生的学习兴趣。虚拟仿真系统有充足的教学资源和形象的教学内容，能有效激发学生的学习主动性。下文，笔者将以梧州岑溪市中等专业学校（以下简称我校）数控专业为例，具体分析该专业教学存在的突出问题，提出实施虚拟仿真教学的措施，并以数控车加工小葫芦实训教学为例，具体论述虚拟仿真技术在专业教学中的应用。

一、我校数控专业教学存在的问题

（一）实训硬件资源不足，实训教学资源消耗大、成本高

制造行业需要的是水平高、技能硬的技术型人才，这就要求数控专业培养的学生具备丰富的理论知识和过硬的实操能力。但在实际中，由于数控机床设备价格较高，所以有部分中职学校的实训设备在数量上不能满足学生的学习需求。如，我校目前机械类专业有13个班共574名学生，现有数控车床仅4台、数控铣床仅3台。过去上实训课，往往是10余名学生共用1台数控机床，导致有不少学生只能观摩不能真正动手实操，实训教学人均操作时间很少，学生缺乏充足的实训机会。而且数控机床是高功率设备，用电多，消耗大，设备维修成本高，一般学校难以承受这么大的投入。导致这些问题的原因主要有以下两个方面：一是我校缺乏实训条件，数控专业实训设备投入巨大。由于数控器材价格高，且我校是县级中职学校，经费有限，资金比较匮乏，致使数控实训设备紧缺，数控车床、数控铣床等的拥有量均不能满足开展数控实训教学的需求。二是学校现有的数控机床已经陈旧，而且使用次数多，设备经常出现各种故障，由于维修费用较高，个别机床损坏后难以得到及時维修与更新，因此设备常常会闲置或无法使用，这给数控专业实训教学造成一定的困难。

（二）专业教学方法比较单一

数控专业实训教学的关键在于让中职生掌握更多实践技能，而在实际教学过程中，很多教师主要采用“讲授式”教学方法，也就是“理论讲授+实操训练+顶岗实习”的教学方法，且在前两个环节中以教师讲授为主，这容易导致数控专业理论知识和实践操作脱节，学生在学习理论知识时很少有机会参加实践。而且，这样的教学方法还存在理论学习和实训相隔时间太长的问题，这就导致不少学生难以做到学以致用，学生的动手能力不强。因为实践能力得不到真正提高，缺乏实践和创新的机会，所以很多学生提不起学习兴趣，学习效果不佳。导致这些问题的原因主要有以下三个方面：一是教师的教学观念比较落后，缺乏创新意识。二是我校的教学资源有限，无法提供足够的实训设备，教师的教学过于注重理论而忽略实训教学，理论与实践脱节。三是教师的教学理念比较主观和片面。有些理论课教师在兼任实训教学过程中受自身思维方式的限制和主观意愿的影响，存在偏重理论、轻视实训的现象［2］。

（三）不同的数控机床系统给教学增加难度

随着数控机床技术发展，数控机床的系统和种类不断更新，因此要求中职生掌握多种数控系统及数控机床的操作技能，在一定程度上增加了学习的难度。另外，由于教学资源分配和教学成本等原因，中职学校不可能拥有全部的不同类型的数控系统及数控机床，这也给数控专业实训教学增加了难度。目前，我校有华中系统的数控车床2台、法兰克系统的数控车床2台，有法兰克系统的数控铣床3台。鉴于两个系统的编程不同和操作面板不同，学生要学习两个系统，这增加了教师的教学工作量和学生的学习难度。导致这些问题的原因主要有以下两个：一是各级技能大赛采用的数控机床的系统不同。如，2023年梧州市技能大赛数控比赛使用的是华中系统的数控车床，而自治区级技能大赛使用的是法兰克系统的数控车床。二是各个企业所使用的数控系统不同，这就要求学生熟悉不同的数控系统，以适应企业的需求。

二、构建“双环四步、虚实交融”的数控加工虚拟仿真实训教学模式

针对数控加工实训教学存在的实训设备少、数控系统型号多和教学方法陈旧等问题，我校经过不断的实践探索，构建了一个具有本校特色的“双环四步、虚实交融”的数控加工虚拟仿真实训教学模式（如图1所示）。

（一）“双环四步、虚实交融”教学模式的内涵

“双环四步、虚实交融”教学模式主要包含“双环”和“四步”两个方面的内容。其中，“双环”是指数控加工实训教学有虚拟仿真练习和实际操作练习两个环节。每一个数控加工实训项目都要针对不同的数控系统和实训内容进入虚拟仿真练习环节，只有当学生在虚拟仿真练习操作达到纯熟、检查无误的程度后，再安排学生进入实际操作练习环节，从而达到减少学生对实训设备的依赖、提高实训效率和实训教学质量等目的。

“四步”是指设计、实施、检查、评价四个步骤，上述“双环”的每一个环节都包括这四个步骤。在进入虚拟仿真环节前，教师根据企业岗位工作和教学要求分解教学任务，设计教学内容，然后发布给学生。学生根据教学任务要求，在虚拟仿真系统中进行模拟训练，直到任务训练无误、操作得当、动作纯熟后，再请示教师进行考核检查。在学生进行仿真训练过程中，教师对每一名学生进行考核评价，如果发现学生仍然达不到实操训练要求，则让学生回到第一步重新领取任务，在虚拟仿真实训环节内不断训练，如此循环，直到通过仿真训练考核评价并认定已经达到了实操训练要求，再安排学生进入实操练习环节。在实操训练环节，教师设计相关的实操练习任务，学生领取实操练习任务后进行实操练习，完成训练内容或加工出样品后，再申请实操教师进行检查。经实操教师评价，如果认定实操练习不合格，但不合格的情况比较轻微，学生可以回到实操练习的第一步，领取任务再做；如果不合格的情况比较严重，学生则重新回到虚拟仿真练习环节，直至完成实操练习任务为止；如果实操练习合格，学生就完成本任务实训，可以领取下一个实训任务。

（二）“双环四步、虚实交融”教学模式的实践意义

一是有利于节约教学成本，减少机床设备和其他耗材的投入。为了有效开展数控加工实训教学，我校运用“CAXA数控车+斯沃”虚拟仿真软件进行教学，这两个虚拟仿真软件都可以免费下载安装使用。加上原有的CAD/CAM实训室，我校现有的虚拟仿真实训室能同时满足54人进行数控车、数控铣、数控加工等内容的实训教学。虚拟仿真软件的引入，减少了我校在购买昂贵设备上的投入，减少了刀具等耗材的损耗，大大节约了教学成本，同时也满足了专业教学的基本需求。

二是有利于循序渐进地提高学生的专业技能，引导学生牢固树立操作安全意识。在引入虚拟仿真教学软件之前，我校教师往往是按小组、分批次进行数控车床操作方法的讲解，10余人为一个批次。但是，据笔者观察发现，由于每一批次的人数较多，总有某些学生因种种原因难以看到教师的操作示范，严重影响教学效果。此外，在学生自主练习阶段，由于这部分学生或不懂或似懂非懂就很容易造成撞机、损坏刀具等情况，甚至出现学生不按规程操作，导致机床撞机或是刀具、工件飞出伤人。采用虚拟仿真软件教学后，相当于每名学生有了一台虚拟数控机床，可以确保学生实操时的安全。教师用屏幕广播讲解，保证学生人人都看得见、听得到，学生也有了足够的练习时间。如果出现失误操作造成“撞机”，学生就能听到虚拟仿真软件发出的撞机噪声，从而引起学生的重视，及时改正错误，总结经验。

三是提高了加工程序的纠错效率。虚拟仿真软件具备程序纠错功能，学生在计算机上编写数控加工程序后，直接导入斯沃数控仿真系统进行模拟加工。如果程序有问题，系统就会报警显示具体哪个部分出现错误，只有更正程序后，系统才会进行后续仿真加工演示。这样有利于学生的学习和思考，节约纠错时间，效率高，针对性强。

（三）数控专业虚拟仿真实训教学的主要内容

1.基于UG NX软件的集成仿真验证模块的仿真教学

UG NX软件是一款广泛用于机械设计制造领域的CAD/CAM软件，它具有强大的虚拟仿真功能。在数控加工虚拟仿真实训教学中，教师可以采用UG NX软件的集成仿真验证模块，对数控加工过程进行全面模拟和分析。具体来说，该模塊包括以下三个方面的教学：①机床运动学模型仿真。通过对数控机床的运动学模型进行建模和虚拟仿真［3］，预测机床在加工过程中的运动轨迹和速度变化情况，为学生提供更加直观的教学过程。②刀具路径仿真。通过对数控加工程序中的刀具路径进行分析和虚拟仿真，预测刀具在加工过程中的位置和姿态变化情况，让学生更好地理解数控加工的原理和技术。③材料去除过程仿真。通过对数控加工过程中的材料去除过程进行建模和虚拟仿真［4］，预测工件表面的质量和形状变化情况，为学生提供更全面的教学指导。

2.基于凤凰创壹数控专业虚拟仿真教学实训系统的练习

凤凰创壹数控专业虚拟仿真教学实训系统，是一款专门为数控机床专业教学设计的虚拟仿真系统，学生在虚拟仿真的环境中深入学习数控机床设备的各种型号、类型，并模拟操作数控机床进行加工工作。该系统在数控机床专业教学中有着举足轻重的地位，它利用虚拟仿真技术模拟数控机床设备的加工环境和加工状态，让学生能看、能听、能学、能操作。该教学模块有以下三个优点：①拥有丰富的数控机床模型库。该系统内置了多种型号、类型的数控机床模型，为学生提供更加真实的实践学习环境。②灵活的操作界面。该系统采用直观、易懂的操作界面，学生能够快速上手并进行实践操作。③全面的教学内容。该系统涵盖了数控加工各个方面的内容，包括编程、工艺规划、刀具选择等，为学生提供全面的学习资源。

3.基于斯沃数控仿真软件的加工过程模拟练习

加工过程仿真是一种有效的数控虚拟仿真教学方法，其通过将虚拟仿真技术与数控加工实践教学相结合，能够提高学生的实操能力和技术水平［5］。加工过程仿真在现代制造业中具有至关重要的作用。首先，有助于优化切削参数，提高加工效率。通过模拟加工过程，发现现有轨迹中存在的问题和参数设置出现错误的部分，对切削参数进行修正。其次，有助于在加工过程中，根据刀具磨损的程度，预测加工精度和工件的表面完整性。仿真模拟可以提前预测刀具的磨损情况，避免因刀具磨损导致的加工误差。

综上所述，数控虚拟仿真教学是一种非常有效的教学方法，它可以为学生提供一个安全、高效和经济的实践环境，帮助学生更好地掌握数控加工的知识和技能。下面，笔者运用此方法实施数控加工实训教学。

三、虚拟仿真技术在数控加工实训教学中的应用

（一）科学设定教学内容、教学目标和教学重难点

本文以数控车加工小葫芦实训教学为例，具体论述虚拟仿真技术在数控专业实训教学中的应用。笔者明确了本次实训课程的教学内容、教学目标、教学重点、教学难点及开展虚拟仿真教学的优势。

首先，笔者明确教学内容有以下四个方面：①数控编程基础，学习数控编程语言的基本语法、常用指令和编程方法，掌握数控编程的基本技巧；②数控车削工艺，学习数控车削的工艺特点、切削参数的选择、刀具的选择和装夹方法等；③虚拟仿真练习，学习电脑绘图，自动生成程序，然后进行虚拟仿真练习；④数控车削实例，通过实际操作，进行小葫芦零件的数控车削加工，过程包括零件的尺寸测量、刀具的选择和装夹、程序编写、加工过程控制等。

其次，笔者设定以下三个方面的教学目标：①知识目标，使学生掌握数控车床的基本知识和技能，熟悉数控车削的工艺特点和编程方法；②技能目标，培养学生具备独立完成数控车削加工的能力，能够根据零件图纸编写数控程序，能够使用虚拟仿真软件验证数控程序是否正确，并熟练操作数控车床进行加工；③素养目标，培养学生良好的职业道德和职业素养，团队协作能力和创新意识。

最后，笔者设定以下教学重点和难点：①教学重点，数控编程基础主要学习数控编程语言的基本语法、常用指令和编程方法，掌握数控编程的基本技巧；虚拟仿真练习，主要学习电脑绘图，自动生成程序，虚拟仿真练习；数控车削实例，主要通过实际操作，加工完成小葫芦零件。②教学难点，关于数控编程基础，学生需要掌握一定的数学和计算机知识，才能更好地理解和掌握数控编程；关于数控车削工艺，主要涉及多种切削参数的选择和刀具的装夹方法，學生要在实践中不断摸索和总结。

（二）运用虚拟仿真技术科学实施数控车削实训教学

首先，笔者引导学生学习数控编程语言的基本语法、常用指令和编程方法，熟练数控编程的基础技巧。然后，笔者指导学生运用CAXA数控车软件设计小葫芦的CAD造型；按照给定的任务图纸，引领学生应用CAXA数控车软件正确绘制小葫芦2D模型。由于学生已有CAD软件绘图基础，该过程学生能快速完成。接着，笔者向学生讲解各项加工参数的含义与正确设置，细致讲解各项加工参数一般设定值，如刀具设置、切削用量选择、进退刀方式确定等。随后，笔者要求学生进行以下实践：①进行刀轨生成与优化，让学生了解加工轮廓、毛坯轮廓、进退刀点的选择，生成刀轨并进行分析，然后优化刀轨，提高加工效率。②进行动态加工轨迹仿真，即让学生在CAXA数控车软件进行动态加工轨迹仿真。③程序后置处理设置，让学生把刀轨生成G代码。④程序传输与模拟仿真加工，让学生把生成的G代码传输至斯沃Fanuc数控仿真系统进行模拟实体加工。若学生的加工程序有误，在模拟仿真加工中系统就会发出报警提示，便于学生及时进行程序的修正。若学生编辑的加工程序正确，学生就能看到一个自己独立完成模拟加工得出的小葫芦模型，进一步增强学生的自信心，也为后续数控车削实践奠定了坚实的基础。

其次，在学生完成虚拟仿真练习后，笔者指导学生进行实训加工。数控加工仿真软件只能起到模仿加工过程的作用，但不是真正的加工过程，它不能百分百代替真实的教学。特别在数控加工实操过程中，由于仿真系统和实操机床在本质上不一样，仿真系统不能替换学生在真实机床上加工时获得的真实感觉，如在体会选择切削用量方面［6］。所以，教师在实施教学时应适当考虑教学的时间，合理安排仿真实训与实际在数控机床上的实训的时间，让学生有更多时间在实际机床上操作加工。学生先在仿真系统上模拟加工零件，再在机床进行实际加工，如此就能提高程序的正确率，降低在实际加工环节由于程序错误而出现安全事件的发生率［7］。

最后，笔者对虚拟仿真教学进行反思。通过虚拟仿真教学与数控加工实训教学相融合，我校构建了一个具有本校特色的“双环四步、虚实交融”虚拟仿真教学模式，很好地解决我校数控专业设备不足、耗材大、教学成本高、教学方法单一等难题，并有效实现了多种系统的协同教学。此外，虚拟仿真教学能提高学生的学习兴趣和积极性，增强学生的实践操作能力，提高教学质量和学生的安全文明生产意识。然而，虚拟仿真教学也存在一些不足之处：一是硬件设备要求较高。虚拟仿真教学需要高性能的计算机和专业的软件支持，对硬件设备的要求较高。二是教师素质要求较高。虚拟仿真教学需要教师具备一定的计算机技术和虚拟现实技术知识，对教师的素质要求较高。这些都是我校或其他中职学校今后要努力解决的现实问题。

总体来说，利用虚拟仿真技术实施数控专业实训教学具有诸多优势，可以提高学生的学习兴趣，可以提升学生的实践操作能力，也可以节省教学资源、教学投入，还可以很好地提高教学质量。但在实际应用中，教师还需要不断完善和优化，探索更有效的教学对策，不断克服困难、解决问题，才能提高采用虚拟仿真技术实施专业教学的质量，从而向社会输送更多高素质的技能人才。

参考文献

［1］张廷.中职数控教学中存在的问题与对策研究［J］.科普童话，2019（7）：85.

［2］杨微，王蜜.中职学校数控车床实训课程教学存在的问题及对策［J］.长春师范大学学报，2021（4）：152-154.

［3］黄振沛，楼建勇，吴陈燕.基于VERICUT的数控加工仿真技术研究［J］.机械工程师，2008（8）：75-77.

［4］陈良骥，刘元朋，王永章.五轴数控加工材料去除过程仿真方法的研究［J］.机械制造，2007（9）：9-11.

［5］贺声阳，徐晗，卞迪，等.数控加工虚拟仿真的教学改革研究［J］.工业和信息化教育，2022（1）：90-94.

［6］邓敏.虚拟仿真技术在数控教学中的应用［J］.广东蚕业，2018（8）：63+65.

［7］郝二涛.应用虚拟仿真技术提升中职数控教学效率的研究［J］.南方农机，2018（19）：118.

（责编 蒙秀溪）