虚拟现实技术在中职数控专业教学中的应用研究

张豪锋¹    李震²    郑春恒²

（1．河南师范大学 教育技术系，河南新乡 453007；2．鹤壁职业技术学院 机电工程学院，河南 鹤壁  458030）

【摘要】针对中等职业学校数控专业的教学现状、特点、实验设备、人才培养及其培养过程中存在的矛盾，从五个方面研究虚拟数控仿真在数控专业教学中的应用：教学立体化展示，模拟实验、实训仿真教学，实施数控加工仿真教学系统，与实践生产加工的衔接，实现网络数控培训及考核等。提出“基于虚拟数控仿真的数控课堂教学模式”，并采用实验研究方法验证其教学效果。

【关键词】虚拟现实技术；数控技术专业；数控仿真软件；中职学校；实验研究

【中图分类号】 G712     【文献标志码】B     【论文编号】1004－9290（2010）0014－0034－04 

　　近年来，为了增强国际竞争力，中国制造业开始广泛使用更为先进的数控技术，这为职业院校机电专业带来发展机遇的同时，也对传统专业人才培养提出了新的挑战。虽然我国各类职业院校已加大了数控技术专业人才的培养力度，但无论从数量还是质量上还不能满足机械制造的企业需求。针对我国职业教育发展不平衡现状，许多职业院校特别是中等职业学校数控技术专业教学尚面临着数控设备严重缺乏、理论教学滞后、实践教学少且重心错位、培养目标层次低、人才培养规模小、师资严重不足且知识结构不完善等诸多问题。同时，为突出职业学校鲜明的“职业”特点，就必须要求学生掌握专业技术和技能，大力提高学生的实践能力，培养技能型应用人才。中职数控技术技能型应用人才的培养必须进行大量的实践性教学改革，改革长时间进行操作数控机床的训练投入大、消耗多、成本高、实训指导老师匹配多，而且还存在损坏机床、伤害学生等教学风险的传统教学。运用虚拟现实技术教学有利于调地动学生积极性，给每个学生提供在虚拟环境中的动手操作机会，从而达到预期教学目的。因此探索一种新的结合虚拟现实技术数控技术专业教学模式势在必行，以期达到数控专业教学投入少、见效快、培养的学生适应性强、企业所需的人才培养目标。运用虚拟数控仿真教学是解决这一问题的重要途径。

一、虚拟数控仿真简析

　　数控加工仿真是CAD/CAM技术的底层关键技术，也是数控技术、仿真技术与虚拟现实技术等先进技术的交叉应用学科之一。数控加工仿真是利用计算机来模拟实际的加工过程，验证数控加工程序的可靠性和预测切削过程的有力工具，能有效减少工件的试切，提高生产效率。

　　作为虚拟制造技术重要组成部分的数控加工过程仿真, 国内外已进行了大量的研究。数控加工作为机械制造的重要方法，数控加工仿真自然也就成为研究的热点。虚拟数控加工仿真包括几何仿真和物理仿真两个部分。几何仿真将刀具与工件视为刚体， 不考虑切削参数、切削力及其他因素对切削加工的影响, 只是对数控程序进行翻译，产生刀具位置数据, 并以此数据驱动机床运动部件和刀架运动，刀具对工件进行虚拟切削，同时检查是否有碰撞、干涉。物理仿真包括加工精度分析，切削过程的热变形，切削力作用下的系统弹性变形、夹紧变形，以及机床的动态、静态分析等。^[2]

　　目前，我国软件产业发展迅速，从业人员迅速增加，3D图形显示技术不断成熟，应用领域日益广泛。在数控仿真领域，有应用于CAD/CAM设计生产制造的，像海尔的CAXA；也有针对于教学的，像南京斯沃软件技术有限公司、北京斐克、上海宇龙、南京宇航、广州超软科技等公司都开发对针教学虚拟数控仿真软件。前一类软件主要针对数控加工自动编程，仿真的目的是检查数控程序的正确性、效率；后一类软件针对教学实践需要，软件的功能除能正确地显示3D仿真效果，而且要设计出其他辅助功能，如机床操作面板的仿真，检测操作的正确性，仿真考试记时、记分的功能。虚拟数控仿真软件可以使学生达到实物操作训练的目的，又可大大减少昂贵的设备投入。

　　国外的大型计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD／CAM）软件，如UG、Pro／E、MasterCAM等，多数带有数控自动编程和加工仿真的功能，在教育培训领域也有专门针对此类软件的认证培训。

二、

　　、利用虚拟数控仿真软件实现数控教学仪器、设备、加工产品的立体展示

　　传统教学过程中，学生主要通过在书本或挂图查看数控设备或元件的图形，或在现场观察实际的教学设备外形来获得各种感性认识。采用虚拟现实技术，即可通过计算机构建一个与实物同样的3D零件或3D机床，如采用Pro／E建模，将各种数控设备和产品进行虚拟化，并将这些物体以立体形式存放在虚拟教室中，我们只要进入该虚拟空间，就可随时随地从不同角度观察、认识这些仪器设备，而且可单独观察每个零件直至设备内部的结构，可帮助学生理解数控设备的组成、结构和工作原理，提高学习效果。如图1表现了虚拟数控机床的结构、原理：

图1 虚拟数控机床的结构、原理

　　、利用虚拟数控仿真软件进行模拟实验、实训仿真教学

　　在中职数控课教学中，理论课与实践教学比例应该为1：1，而目前数控设备均为大型设备，价格较为昂贵，一台教学用的数控车床或铣床价格在8万元左右，生产用的数控机床少则几十万多则上百万。然而许多职业学校经济拮据，数控设备严重缺乏，教师不得不以理论讲授为主，学生动手独立操作与实际维修训练的机会很少，教学只能“在黑板上开机床，在练习本上编工艺”。有些职业学校即使有数控设备，数量也非常有限，只能给学生做些“演示试验”，不能适应实训教学，每个学生在数控机床上的独立操作实训时间很少，而且实训重点也只能放在数控机床的简单操作上，实训严重脱离生产实际，实训效果很差。如果利用虚拟数控仿真软件，建立虚拟实验室，学习者便可以走进这个虚拟实验室，身临其境般的操作虚拟仪器，如进行虚拟数控设备的故障检测与维修、进行各种虚拟的数控系统的连接与组装、进行虚拟数控设备的安装，这种虚拟实验既不消耗器材，也不受场地等外界条件限制，可重复操作，直至得出满意结果，虚拟实验室也不会因操作失误而造成人身事故。另外，还可利用虚拟数控仿真软件在多媒体计算机上进行数控机床操作面板的认识操作训练，进行模拟编程训练并产生加工结果的仿真，可有效地解决教育机构实验条件与实验需求、实验效果之间的矛盾。中职学校数控专业金工实训、计算机应用实训、电气控制实训、数控车床实训、数控铣床实训、数控加工中心实训、数控加工中心实训、CAD/CAM实训等实训都与数控仿真软件有关。

　　3、利用虚拟数控仿真软件实现的数控加工仿真教学系统

　　虚拟数控仿真软件的核心是虚拟数控机床，它具有对数控机床操作和加工过程进行全环境的3D仿真功能，能在虚拟数控机床中完成只有数控机床上才能完成的大部分教学功能，弥补了传统课堂数控教学的不足。且虚拟仿真软件有内容丰富，品种齐全的数控铣床、数控车床、数控加工中心等，其中囊括了国内外数控产品和常用的各种机床操作面板和软件系统。虚拟数控机床操作和真实的数控机床一样的整个过程包括：毛坯定义、压板安装、工件装夹、安装刀具、基准对刀、机床手动操作等内容。在虚拟数控仿真软件中能xx模拟零件的加工过程，可以检验NC程序指令是否正确，能提供与真实机床xx相同的操作面板，其数控程序调试、编辑、修改和跟踪执行等功能也一应俱全。学生可在虚拟数控仿真软件中身临其境的操作各类数控机床，能充分练习数控加工中的常用操作，如运行模式选择操作、对刀操作、刀具补偿的确定及输入输出操作和程序的编辑、修改、保存和调取操作等。解决了数控技术学习者需要的大量操作练习，增加了学生机床操作训练的时间。把虚拟数控仿真教学系统引入到教学之中，这样既可以避免因误操作造成价格昂贵的机床的损坏，又可以使操作人员在对仿真数控机床操作过程中产生现场感和真实感。同时由于虚拟数控仿真其成本较低，可以大量地配置终端，很好解决了中等职业学校数控机床数量不足的难题，使每位学生都能有足够多的实践机会，从而为数控技术教学提供良好的教育平台。现以《数控设备与编程》中的一个数控车床加工为例进行虚拟仿真加工。仿真过程和结果如图2所示：

图2 数控车床仿真过程

　　用虚拟数控仿真软件进行仿真加工与真实加工过程近乎一样。

　　实现虚拟数控仿真教学与真实生产加工的联系

　　虚拟数控仿真软件既能在单台计算机上独立运行，又能实现在局域网中联网运行。单机独立运行的数控仿真系统硬件设施只需一台计算机，虚拟数控机床的模拟操作在计算机显示器显示的仿真面板上进行，而零件切削过程由虚拟数控机床通过3D动态图形演示。在局域网中运行的虚拟数控仿真系统，将系统与实际机床连接，当学生通过虚拟数控仿真的验证后，将程序通过网络传到真实机床上，由硬件实现零件切削过程，这时除了操作者是用仿真面板操作外，其它则与实际机床的真实情况一样。由于数控加工仿真教学系统具有完善的图形和标准数据接口，用户既能在真实的环境中运行虚拟机床，又能观察它的各种运行参数，并能将其他CAD／CAM软件，如Pro／E、UG、MasterCAM等产生的3D设计后置处理的NC程序，直接调入加工。

　　、可实现网络数控培训及考核

　　中等职业教育自创办以来，学科考试基本上沿用中小学基础教育的应试模式即以选拔筛选和划分等级为目的，以单一、封闭的书面考试为形式，以认识、了解、记忆、理解为内容。这种考试制度在学生的知识运用能力、解决问题能力、学习再学习能力，知识转化和创新的考核方面缺乏应有的功能，造成职业学校的毕业生操作能力差和综合素质低等现象，严重影响职业教育的办学宗旨，影响职业教育的发展。虚拟数控机床强大的网络功能，可实现远程教育培训，它不仅在局域网上具有双向互动的教学功能，还具有基于互联网进行双向互动的远程教学功能，数据传送可以采用卫星、宽带等方式进行。这使得数控培训远程教学名副其实，而且还可采用远程网络学习、作业、考试等功能，并实现答卷保存、自动评分、成绩查询和分析等功能，轻松实现无纸化的考核与测评。

　　三、基于虚拟数控仿真软件的数控课堂教学模式

　　针对虚拟数控仿真软件的特点和中职学校数控技术专业实践教学中存在的矛盾，在建构主义学习理论和双主模式教学模式的指导下，运用虚拟仿真软件数控建构了一种适合中职数控专业课程课堂教学的探究型学习模式，其模式图如图3所示：

图3 基于虚拟仿真软件的数控课堂教学模式图

　　　该模式是基于项目学习的小组合作探究型学习模式，运用虚拟仿真软件开展数控技术专业课程的项目探究教学，有利于实现理论与实践一体化教学。在没有虚拟仿真软件的情况下，一个项目可能有多种解决方案，甚至还有的学生探究不出正确的方案。如果用真实的机床来检验，不但费时费料，还有可能破坏机床，造成事故。如果教师把所有学生的方案都进行检阅，花费时间太多，教学效率极低。运用虚拟数控仿真软件来检验，不但省时省料，十分安全，还能提示错误，解放了教师，学生自己就能知道自己的方案是否正确，不仅有利于探究型课堂的开展，也有利于学生实践能力的提高。

　　该模式在自主探究、小组合作探究、小组成果展示阶段以学生为中心，教师为引导者、学生的学习伙伴，利用情景、合作、会话等要素充分发挥学生的主动性、互动性和xx精神，最终达到学生知识意义构建和创新的目的。在教师解疑、教师点评阶段以教师为主导，教师是学生学习过程的指导者、解疑者、课堂主持人、意义建构的帮助者、促进者，教师处于中心地位，学生处于传递——接受学习状态，学生在教师帮助下进行主动思考与探索，便于师生之间的情感交流，有利于系统的科学知识的传授。

　　四、基于虚拟数控仿真软件的课堂教学模式实验

　　为了检验基于数控仿真软件的教学模式对为数控技术专业教学的应用效果，实验选取中职数控技术专业的主干课程---《数控设备与编程》，该课在鹤壁职业技术学院机电工程学院的教学课时数要从原来的160学时减少为120学时，而课程内容并没减少，传统的教学手段，根本无法在有限的120学时内把数控设备与编程的全部知识传授给学生。因此，该课程迫切需要改革传统教学方法，运用数控仿真技术，并且结合先进的教学设计理念，对教学进行优化整合，很好的解决了教与学的矛盾。选取开设同样课程、学生总体水平相同的两个班级作为实验研究对象，实验班为071班，控制班为073班，两个班均为48人，其中实验班采用基于数控仿真软件的课堂教学模式，控制班采用传统教学模式。

　　通过一学年教学实践，虚拟数控仿真在《数控设备与编程》课程教学中的应用前景广阔，虚拟数控仿真在中职学校数控技术专业的应用必将改革传统的数控专业教学模式，虚拟数控仿真是实施以学生为中心的教学必备工具，也是理论、实践相结合教学的桥梁，是一种对学生实际能力培养的有效解决途径，期冀基于虚拟数控仿真软件的教学模式成为数控技术专业课堂教学改革的发展方向。《数控设备与编程》课程控制班与实验班教学情况如表1所示：

表1　数控教学情况对比分析表

实验班和控制班数控专业技能考试后测对比分析如表2所示：

表2 控制班与实验班数控专业后测情况对比分析表

 　　通过对比分析，得出在实验班比控制班教学学时少40学时的情况下，实验班总体成绩仍大大好于正常班，但同时也看到了实验班的工件优秀率没有控制班的高。分析其中原因，在数控仿真上“加工精度”和“质量”不好保证，要想加工出高质量的产品，还必须多多增加学生的一线实践，提高学生的实践动手经验。但这些学生在以后的工作中一定会提高。合理的进行系统化教学设计使数控仿真课与真实的实践课比例达到{zj0}，实现教学效果的{zy}化。

参考文献

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