基于增強現實技術的數控加工實訓教學改革探索

張席 許家寶 于華 劉玉飛

摘要：結合本校工程教育專業認證背景和數控加工實訓課程的特點，分析該課程傳統教學模式存在的問題，提出了基于增強現實技術的課程教學改革模式，能夠實現數控加工實訓環節的在機模擬和過程監測，通過虛實融合的教學方式有效激發學生的學習熱情和積極性，提高教師的現場授課效果，為數控加工實訓的教學改革提供一定借鑒。

關鍵詞：數控加工實訓；增強現實技術；教學改革；OBE理念

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）12-0125-02

一、引言

當前，作為《華盛頓協議》簽約成員，我國的高校工程教育改革有了明確標準。其中，成果導向教育理念（Outcome Based Education，簡稱OBE）是美國、英國、加拿大等國家教育改革的主流理念，以成果導向教育理念引導工程教育改革具有重要的現實意義，《工程教育認證標準（2015）版》中明確了畢業要求應覆蓋的12個指標內容，而畢業要求的達成需要課程體系作為支持。工程訓練作為新時期我國高校培養創新型工程人才的重要實踐教育方式，已成為專業課程體系的重要實踐性環節，讓學生通過實踐了解實際生產、認識工藝及其發展歷程，訓練基本操作技能，拓寬工程知識，提高綜合素質，為學習后續課程和從事相關專業技術工作奠定必要的工程實踐基礎。因此，在新形勢和工程教育改革引領下，工程訓練的創新發展必須革新傳統教學環節存在的弊端，采用不同于傳統的教學場地和教學工具，以適應社會對創新型工程人才的需求變化。

二、數控加工實訓傳統教學模式問題分析

數控加工是重要的工程實訓模塊，主要包括編程和加工兩個主要環節。編程的關鍵是讀圖識圖，隨著高校工程訓練的普及，部分學生來自非工科專業或在參加工程訓練課程時尚未接觸到機械制圖等相關專業課程，因而存在缺乏自主讀圖識圖的能力，同時由于教學時間的限制，教師在實訓場地無法對圖紙相關的理論知識進行系統深入的講解，這樣對于空間想象能力較差的同學，無法根據加工圖紙想象轉化成三維模型，從而降低了學生的編程效果。對于加工部分來說，傳統的教學模式是教師操作、講解、演練，這種方式往往存在一定的滯后性和危險性，步驟較多時，學生在短時間內難以消化吸收，同時教師在有限的教學時間內要反復強調加工環節可能出現的問題，教學效率明顯降低。對于操作能力和理解能力差的學生，因操作不當，極易造成刀具、工件和機床的損壞，影響后續的實訓學習、工件加工制作和班級整體的教學效果。學生在課程之余，離開實訓場地，不具備操作練習的條件，學習的知識得不到及時鞏固加強，進一步降低學習效率和積極性，不利于激發OBE理念所倡導的“具有自主學習和終身學習的意識”。

三、基于增強現實技術的教學模式探索

（一）增強現實技術的可行性分析

通過以上數控加工教學模式問題分析可以看出，傳統的教學模式無法適應學生專業和已學知識的差異性，明顯制約課堂教學效果以及學生的學習效率和積極性。增強現實技術是一種能夠將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術，把在現實世界一定時間空間范圍內難以體驗到的實體信息（視覺信息、聲音等）通過電腦等科學技術應用到真實世界，被感官所感知，達到超越現實的感官體驗，已被逐步應用于教學改革環節。將數控加工實訓環節與增強現實技術相結合，能夠解決數控實訓環節存在的概念抽象和效率低下問題，同時“超越現實的感官體驗”能夠有效激發學生的學習熱情和積極性，能夠有助于有利貫徹OBE理念，激發學生“具有自主學習和終身學習的意識，有不斷學習和適應發展的能力”。

（二）基于增強現實技術的數控加工教學改革

為了提高數控實訓環節的教學效果以及學生學習的積極性和安全操作，采用增強現實技術與傳統實踐教學相結合的方式，將數控加工讀圖識圖和編程加工環節與增強現實技術相結合，解決數控實訓環節的概念抽象問題。基于增強現實技術的數控加工教學模式的實現流程如圖1所示。

在該教學模式下，學生只需使用手機掃描圖紙的二維碼，利用增強現實技術在機模擬、監測數控機床的加工過程，實現虛實融合。（1）將二維的零件圖紙立體化，幫助學生“看到”加工零件的三維模型，學生可對模型進行手指操控。讓學生在理解加工工藝的基礎上進行有效編程。（2）對于加工實踐環節利用增強現實技術進行數控加工虛擬仿真，讓學生置身虛擬三維空間加工環境中，身臨其境地“真實”感覺零件加工的完整過程，熟悉工件和刀具的裝載、量具使用等各種操作，驗證、優化加工指令和加工工藝，領會加工過程中需要注意的各種問題，從而提高學生操作的效率和安全性。（3）利用增強現實的數控加工虛擬仿真技術，學生可以在課后對課堂知識進行及時“回看”和鞏固，對知識點進行查缺補漏，提高學生的學習效率，同時在上課前也可以對新的課程內容進行預習，有效激發學生自主學習的意識和能力。

四、結論

本文分析了傳統數控加工教學環節存在的問題，提出基于增強現實技術的數控加工教學模式，能夠突破時間、空間、硬件條件的限制，實現在機模擬、實時監測加工過程，達到虛實融合、以虛助實的教學效果。根據我校工程教育專業認證背景，所提出的這種教學模式能夠有效激發學生的學習興趣和積極性，有利于貫徹OBE理念，提高學生在課上和課下學習的真實感，提高教師的現場授課效果，為數控加工實訓環節的教學改革提供有效指導。

參考文獻：

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Research on Teaching Reform of NC Machining Practice Based on Augmented Reality Technology

ZHANG Xi，1，XU Jia-bao 1，YU Hua，2，LIU Yu-fei 2

（1. Engineering Research and Training Center，Anhui Polytechnic University，Anhui，Wuhu 241000，China）；

2. School of Mechanical and Automotive Engineering，Anhui Polytechnic University，Anhui，Wuhu 241000，China）

Abstract：according to the characteristics of the school of engineering education background and professional certification of CNC training courses，analyzes the traditional teaching mode of the course of the problem，put forward the reform of teaching mode based on augmented reality technology，can realize the NC Machining Training in computer simulation and process monitoring，effectively stimulate students' learning enthusiasm and initiative through the integration of teaching methods，improve teachers' teaching field，providing some reference for the teaching reform of CNC machining training.

Key words：NC Machining Training；augmented reality technology；teaching reform；OBE concept