機械制造專業虛擬仿真教學環境建設與應用研究

李晶　陳軍

1 引言

虛擬仿真（VR）技術是一種融合了微傳感器技術、人工智能技術、計算機技術和生物工程技術的全新技術。它通過多種傳感器和終端設備模擬出一個虛擬仿真空間，使用者在此空間中可以獲得和真實世界類似的體驗。VR技術具有沉浸性、交互性和異構性三大特征，它可以讓使用者具有身臨其境的感覺，并可以和虛擬環境中的事務進行交互溝通，也可以異構出現實世界中并不存在的的環境以滿足使用者的實際需要。VR技術自其誕生以來變以其低成本高效率和適用性廣等特點在教育教學領域獲得了廣泛的應用。

隨著近年來我國加大對職業教育的投入，包括VR技術在內的許多新技術被逐步引入到高職教育中。但在機械制造專業虛擬仿真教學環境建設與應用中目前還存在諸多問題，本文主要對相關問題進行了深入研究，并提出了應對策略。

VR技術在我國教育產業中的應用已經有很多年的發展歷史，最初是被國內的某些游戲專業的大學還有研究所作為一種游戲開發輔助硬件引入的。但隨著VR技術軟硬件的逐步完善，功能日趨強大，人開始著手將其應用到不同的教育領域。例如化工和消防專業這些具有危險性質的專業。如何讓學生可以身臨其境的體會他們畢業后將要面對的復雜環境是相關專業實訓教學老師的一大難題。在過去，很難實現到真正的學校培養與企業要求完全接軌，學校畢業的學生到達相關企業后還需要進行很長時間的規范化培訓，極大的增加了用人企業的教育成本。而在這些專業中引入VR技術后，在相關專業教學中同學們就可以完全模擬工作后將要面臨的各種危險環境，可以從理性和感性兩個層面體驗所學專業的真實要求，從而達到真正的理實一體。

最近幾年，VR專業在機械制造和數控等傳統專業中也有很深入和廣泛的應用。由于機械制造和數控專業所涉及的專業知識多，人才培養鏈條較長，過去在高職教育中常存在人才培養成本高，效果差的問題。隨著VR等一系列新技術的加入，人們發現許多在傳統教育模式下無解的問題，采用最新的VR技術都可以迎刃而解。例如高職實訓教學中長期困擾老師的實訓內容多，實訓教學條件不足、示范操作效果不佳和教學成本高，設備更新慢等問題都可以很好的被解決。

2 機械制造專業教學環境建設存在的問題

2.1實訓內容多，實訓教學條件不足

機械制造專業是一個包含眾多專業課的傳統老牌專業，其專業課程包括產品設計、加工、測量、裝配和調試等眾多實訓環節。僅僅以產品裝調為例，就包括軸類零件、箱體軸承孔、軸承、齒輪、導軌等機構的裝調和維護。教學所需涉及的內容較多，很難有高職學校能夠提供完整的實訓條件，許多學校只能進行教師演示而不能讓每個學生都進行實際操作，教學效果不理想。

2.2示范操作效果不佳

機械制造專業是一個結合抽象與具體知識的專業，許多課程需要由教師進行實物操作演示，如產品的生產和測量等課程在教學時就需要教師親自演示。但由于高職學生的師生配比通常較低，導致一個教師在設備聲嘈雜的實訓環境中很難給眾多學生教好的演示。也很難保證每個學生都可以清楚的看見或聽見老師的關鍵操作，導致部分學生的學習積極性受影響。

2.3教學成本高，設備更新慢

機械制造專業的教學由于需要大量設備導致其教學成本偏高，對于許多最新的高檔機床動輒上百萬，這顯然是許多高職院校難以承受的。而且機床和設備的種類繁多，使得機制專業教學成本居高不下。特別是實訓耗材的消耗也是實訓室一比不小的日常開支。此外，隨著科技的進步，機械行業的要求和技術的更新較快使得學校設備跟不上社會用工要求的換代速度，導致學生不能學習最新技術，無法滿足企業的要求。

3 虛擬仿真教學在機械制造專業教學環境建設與應用中的優勢

3.1改善實訓條件，降低實訓成本。

利用虛擬仿真技術可以有效降低機械制造專業實訓教學成本，因為相關仿真實訓室不需要購買機床等實訓設備，也就省下了維護和耗材的大量費用，極大的降低了實訓成本。此外過去傳統機械實訓環境通常環境較差，具有噪音和粉塵等污染，甚至存在一定環境危險性，而采用虛擬仿真技術則可以極大的改善學生的實訓條件，使學生在微機室等教室內就可以完成相關學習內容。

3.2改變教學模式，提高教學質量

采用虛擬仿真技術可以改變傳統的機械制造專業學生的教學模式，學生不再需要在現場圍觀教師的演示，只需要在VR設備中各自統一觀看事先錄制好的演示視頻，并根據NPC的指導自己動手進行操作即可。以機制專業經常進行的齒輪箱的拆裝教學為例，學生可以在VR設備中直觀的認識齒輪箱中各個零件的名字，形狀和特點，并可以動手進行虛擬裝配，極大的強化的實訓效果，提高了學生的學習興趣，提高了教學質量。

3.3降低教學成本，及時更新技術和設備

利用虛擬仿真技術構建教學環境可以極大的降低機械制造專業的教學成本，極大的縮小所需的教學空間，采用虛擬仿真技術進行教學時只需要建立和微機房類似的VR實訓室即可，相比于建立實訓基地和購買機床、機器人和加工中心等設備，VR實訓時的建設成本都要低很多，極大的降低了一次性投入成本，此外，VR實訓室的維護成本同樣較低，不需要購買昂貴的耗材，因此它還具有高效環保和可持續發展的優點。

利用虛擬仿真技術構建教學環境還可以緊跟各種實訓設備的更新換代速度，通過對VR設備進行軟件升級就可以模擬出企業正在使用的最新型號的機床設備，讓學生在學校也能與社會需求接軌，學到真正有用的技術。

4 總結

以VR和AR為代表的一大批現代電子技術在高職實訓教育中的應用日益廣泛和深入，對于制造專業的虛擬仿真環境建設而言，引入新技術既是機遇也是要求。相關技術應用的好可以極大的降低教學成本提高教學質量，反之則會被教育發展的時代浪潮無情拋下。本文主要回顧了傳統教學環境建設存在的問題，以及如何采用VR技術對相關問題進行解決。本文的研究結論對機械制造專業虛擬仿真教學環境建設與應用研究有一定的促進作用。

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作者簡介

李晶，女，碩士，江蘇淮安人，工程師，主要從事計算機科學與技術教育方面的工作。