在數控教學中的虛擬現實技術

【摘 要】在教學中運用虛擬現實技術，可以按照預想建立合適的虛擬學習環境，使學生在模擬真實的學習情境下，充分調動其視覺、觸覺、聽覺等感官，從而更的實現教學任務。本文分析了虛擬現實技術在數控教學中的意義及運用方法。

【關鍵詞】虛擬現實技術；高職教育；數控教學；應用

我國高職院校中，數控加工技術教育伴隨著機械制造業的發展而越來越重要。傳統的數控操作培訓在機床上實際操作，這種實際上機的訓練方法有很多弊端：如受機床數量和實習場地的限制、使用和維護的費用較大、師資投入不足、操作失誤導致機器和人員的損傷等等。以上問題促使我們必須尋求一種新型的教學方式：虛擬現實技術。

1.虛擬現實技術簡介

虛擬現實技術是由高速計算機系統創建的一種令人感到身臨其境，可與環境交互體驗的虛擬世界。它綜合了計算機圖形學、圖像處理和模式識別、智能技術、傳感技術、信號處理技術、網絡技術等多門科學，將計算機獲得的數字化信息變為人能感受到的具有各種表現形式的多維信息。虛擬現實環境是由圖像、圖形識別與生成系統，聲音、觸感的識別與生成系統，網絡通信系統，人工智能系統和傳感器系統等不同功能、不同層次的系統所構成的集成系統。以軸的結構為例，其中軸的軸向和周向定位方式多種多樣，我們可以在軟件中把相關的定位零件都制作出來，例如軸、軸肩、軸環、彈性擋圈、軸端擋板、鍵、花鍵等，然后在軟件中進行定位，并且可以進行裝配檢查，讓學生看到錯誤的結，這樣形象而且具體。

虛擬數控系統的功能：（1）虛擬數控機床與真實機床有完全相同的界面風格，能模仿真實機床的任何功能，不會因為采用某種近似替代而導致某種結構和信息的失真或丟失。（2）形象的圖形和標準數據接口。用戶既能在真實的環境中運行虛擬機床，又能觀察它的各種運行參數，并能與其他CAD/CAM軟件接口。（3）刀具庫。應包括一臺數控機床所需的刀具，能模擬任何一種數控機床的換刀形式。（4）仿真平臺。操作者可以在虛擬的環境中進行機床運動和切削過程等，從中獲得相關的加工數據。

2.高職院校在數控教學中的虛擬現實技術

2.1在數控教學的設備、儀器、產品展示中應用虛擬現實技術

學生在傳統課題中，只能通過書本和圖片學習數控實物的圖片和圖形，不夠立體的平面展示限制了學生的空間想象思維。如在現場實際觀察設備，組織起來費時費力。而虛擬現實技術的應用較好的彌補了上述不足，通過虛擬現實，我們可以設計一個模擬實物的三維物體，將各種教學產品和工具實物進行虛化，把它們以立體的形態放在虛擬教室中。師生進入虛擬空間后，可形象的學習和觀察這些設備的外觀及內部構造，教師可以在學生形象思維充分展開時精心點撥，師生互動，答疑解惑，從而增強數控技術教學的效果。虛擬現實技術不但突破了空間的制約，而且還能將數十年乃至百年才能觀察的過程，在多時間內集中系統的展示給學生。構造一個穿越時間和空間的開放的學習環境。

2.2在實驗和教學中應用虛擬現實技術達到仿真效果

眾所周知，機械行業教學離不開實驗操作，而不是所有學校都用財力和空間具備全部實驗和培訓的設備。利用虛擬現實技術，建立虛擬實驗室可以解決上述難題。在虛擬實驗室中，學生可以仿真操作虛擬的儀器，進行各種虛擬的數控系統的練習。迷你實驗不是真的消耗機器設備，可多人反復操作。同時能避免學生因操作不熟練或失誤造成事故。虛擬仿真技術還可以應用在制作軟件上，在計算機上模擬訓練或實驗，節省實驗空間和成本。

2.3數控加工教學系統中應用虛擬現實技術實現仿真效果

計算機仿真加工系統，是模擬實際數控機床加工條件和狀態的系統，它借助計算機功能，通過實驗者控制計算機的操作，研究數控加工的全程。它的作用是可以模擬真實零件加工的全過程，提供完全仿真的操作面板，學生可以充分熟練各個調試、執行等環節，同時系統能檢驗各種數控設置的準確性。既解決了機床設備不足和時間的問題，又可避免可能造成的磨損和事故。

2.4虛擬仿真教學與實際成產加工相統一

加工仿真教學系統既能單機系統獨立運行，又能實現在線運行。獨立運行即機床模型方式，其培訓設施只需一臺計算機，數控機床的模擬操作在顯示屏顯示的仿真面板上進行，而零件切削過程由機床模型通過三維動畫演示。在線運行即機床工作方式，在這種方式下，教學系統將與實際機床連接，由硬件實現零件切削過程，這時除了操作者是用仿真面板操作外，其它則與實際機床的真實情況一樣。由于數控加工仿真教學系統具有完善的圖形和標準數據接口，用戶既能在真實的環境中運行虛擬機床，又能觀察它的各種運行參數。

2.5虛擬現實技術使數控教學的考核和培訓網絡化

通過遠程教育培訓，師生雙方可以打破地域限制互動。虛擬技術教學可在互聯網上進行，包括教師布置作業和考試、觀察實驗、系統自動評析試卷等全部環節都可實現無紙化，具有高效、簡單、節約等諸多優點。

2.6虛擬現實技術使數控教學方法優化

虛擬現實技術通過虛擬現實、多媒體、網絡等技術的綜合應用，可以對學生學習過程中所提出的各種假設模型進行虛擬和虛物實化，通過虛擬系統便可直觀地觀察到這一假設所產生的結果或效果。虛擬現實系統可以進行實物虛化，虛擬各種人物，創建虛擬課堂，在虛擬的課堂氣氛中，學生可以與虛擬的教師、學生一起交流討論，開展啟發式教學。運用虛擬現實技術，還可以使學生通過在虛擬場景的身臨其境和自主控制的人機交互，由視、聽、觸、覺獲取外界的反應，通過學生自我組織，制定并執行學習計劃，進行自我評價，開展適應式學習。還可通過小組或團隊的形式，組織學生進行學習，成員間共享成果，開展協作式教學。

2.7虛擬現實技術營造開放性的網上探索

學習運用虛擬現實技術，突破傳統教科書的限制，使每一位學習者都可以根據自己的學習特點，在自己方便的時間從互聯網上自由地選擇適合的學習資源，按照適合于自己的方式和速度進行學習，這種探索性的學習，有利于激發學生的創造性思維，使學習者在具體隋境中通過主動的探索獲得知識，從而提高學習者的動力。

3.虛擬現實技術在教學中還存在著不足

（1）虛擬現實技術的仿真效果還待改進。虛擬現實在物理、行為模型等方面不逼真，聽覺和觸覺的仿真設計較少，真實性不足。虛擬技術相關的設備使用不方便，有時難以達到系統要求。（2）虛擬技術成本較高，相關設備價格較貴，要想大面積推廣，只有將其改進和降低成本。（3）虛擬教學不能完全替代真實操作。生產不同于虛擬訓練和實驗，真正動手操作機器設備是我們的教學目的，也只有真正的操作才能讓學生理解機床，合格就業。綜上，虛擬現實技術水平的提高離不開計算機技術的發展，相信在全體科技工作者和教育工作者的共同努力下，虛擬現實技術在數控教學中的應用和前景越來越廣闊。

【參考文獻】

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