基于虛擬現實增強的數控實訓在線教學研究與實踐

羅嗣林

臺州科技職業學院 浙江 臺州 318020

1 虛擬現實

虛擬現實（Virtual Reality,簡稱VR）是通過計算機技術將現實生活中的數據，生產成電子信號，通過各種輸出設備結合使其轉化為能夠讓人們感受到的現象，這些現象可以是現實中真實存在的物體，也可以是我們肉眼所看不到的物質，通過三維模型表現出來。因為這些現象不是我們直接所能看到的，而是通過計算機技術模擬出來的現實中的世界，故稱為虛擬現實。

虛擬現實技術融合了數字圖像處理、計算機圖形學、人工智能、多媒體、傳感器、網絡以及并行處理等多個信息技術分支的最新發展成果，是20世紀末逐漸興起的一項綜合性信息技術。虛擬現實利用計算機生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，使人作為參與者通過適當裝置，自然地對虛擬世界進行體驗和交互作用。使用者進行位置移動時，計算機可以立即進行復雜運算，將精確的3D世界影像傳回，從而產生臨場感。

2 《數控加工與編程》線上教學現狀

萬物互聯時代背景下，互聯網技術與專業教學深度融合構建出開放式教育環境是時代的必然，也是高職類院校實現提升教育教學內涵質量的重要途徑。新冠疫情常態化防控背景下，如何有效開展《數控加工與編程》線上直播教學成為當務急需。那么，現狀如何呢？

首先，簡單易行的教育方式是通過網絡直播教師的講課錄像，或者是學生通過網絡下載教學課件。這種教育形式存在的問題就是缺少實訓教學活動中的互動教學，由于沒有真實教學設備操作，制約了學生的創造性和創新性能力的培養。

其次，互聯網（中國MOOC等）上雖然有大量的網絡課程資源，但是真正可以用于數控實訓的資源卻寥寥無幾[1]。受到實訓設備投資限制，大型實訓設備的操作不容易實現、工藝流程的教學講解抽象且難以理解。

以作者所承擔的《數控加工與編程》課程為例，課程以一款數控仿真軟件為實訓平臺，在平臺上完成數控機床編程與操作，主要訓練內容有：典型數控零件的工藝分析、零件的工藝文件編制以及加工程序的編寫等[2]。這款數控仿真軟件是傳統且靜態的虛擬仿真教學環境，雖然通過模擬出數控機床設備操作過程中可能存在的缺陷或者問題，一定程度上避免了設備操作過程中電、液、氣等資源消耗大，操作風險高等問題，但是它高度依賴師生面對面的線下教學環境，無法支撐基于互聯網的遠程師生互動、提供身臨其境的實訓直觀感受。在疫情肆虐的當下，由于虛擬仿真練習和數控機床實訓操作的割裂，原有的虛擬仿真實訓并不能較好地滿足數控技術特別是實訓教學所需“能實不虛，虛實結合”的教學理念。

針對現狀，我們認為可以將VR技術引入到遠程數控實訓，有利于解決虛擬仿真練習和數控機床實訓操作割裂的問題，提供身臨其境的直觀感受，同時具備系統開放、可操作性強以及跨時空性的特點。真正做到①為復雜的實訓環境和設備操作流程提供虛擬再現；②該實訓系統基于互聯網+模式可以讓學生在任何地方都可以通過互聯網進行虛擬實訓；③可以實現學習者、實訓教師、虛擬實訓之間的三方互動，以達到更好的學習效果。

3 數控實訓在線教學平臺架構

為此我們采用虛擬現實技術構建了一個實訓平臺，成為實訓體系的重要組成部分，并在線上開展實訓教學。Web3D是一種廣泛應用的虛擬現實技術，可用于構建以互聯網為基礎的數控虛擬實訓教學體系，其架構設計如下圖1所示。

圖1 基于Web3D的數控虛擬實訓平臺架構圖

4 構建虛擬實訓體系的具體方法和思路

4.1 動態的開放性原則

學生、教師、平臺能過進行有效互動，教師的指導通過平臺得以實時進行，這樣的教學效果才能提高。交互性是虛擬實訓平臺提高教學目標和實現教學效果的重要保證。

4.2 基于“工學結合”的虛擬場景漫游的原則

任務項目是和真實環境一樣的任務項目，虛擬實訓是通過對真實實訓環境和崗位的虛擬再現，來達到媲美真實機床設備的真實實訓，從而實現教學目標。

4.3 基于互聯網+的虛擬實訓資源共享的原則

由于要實現隨時隨地學習，資源的共享就顯得尤為重要，這就對實訓資源的開放性和可調用性提出了要求，學生在任何地方都能利用網絡進行虛擬實訓。

基于Web3D的數控虛擬實訓平臺中，Web3D編輯工具為用戶提供了完善的3D模型和動畫制作功能以實現虛擬場景的漫游，讓學生對數控加工車間的布局和加工環境等更容易了解，有利于增強學生對整體系統的認識。

5 虛擬實訓教學項目的選擇與實現

基于Web3D構建虛擬實訓教學系統時，各功能模塊要充分傳統實訓教學的組織形式，系統化地應用于虛擬實訓中，既要體現職業教育的特點還要有利于實現教學的交互，讓虛擬實訓和傳統實訓教學具有同樣的真實性。通過對數控技術專業人才培養目標的分析，數控技術專業虛擬實訓項目內容如圖2所示[4]，虛擬實訓平臺實現效果如圖3所示。

圖2 數控虛擬實訓平臺功能模塊內容

圖3 數控實訓VR效果

6 融入面向智能制造的數控實訓中心

目前我們已經完成了14臺數控銑床地物聯改造，實現了實訓車間現場和互聯網的融合互通，正在打造一個數字化工廠環境，如圖4所示（見文末）。

該實訓環境將提供設備運行監控模塊（SCADA）、加工程序集中管理模塊（DNC）、設備遠程操作模塊、統計分析模塊等，讓學生在數字化工廠的環境下實訓，實訓流程和制造類企業的生產流程對接。實訓車間現場生產加工用到的軟件以及編好的工藝和程序，可以通過車間電腦直接傳輸到機床上進行加工，設計與生產模式無紙化。采用工學結合的項目引領式教學模式開展《數控實訓》教學，模擬企業的生產加工場景。通過將現有的數控實訓中心設備用工業物聯的手段，實訓場所用虛擬仿真建模，這樣就重構出一個與現有數控實訓基地一致的數字化虛擬工廠。通過虛擬工廠學生可以參與不同的崗位生產，完成不同的職業訓練，達到教學的目的，真正實現工學結合的項目引領式教學。同時崗位任務可以引用企業的真實產品，實訓教學也容易實現進階式訓練，可以順暢地實現從單一技能訓練到綜合技能訓練的跨越。學生就有了生產過程的全局觀，再不斷地積累，就能培養出更符合智能制造需要的復合型技術人才。增設虛實一體化的智能制造運用能力教學內容，在實訓教學過程中引入生產系統仿真軟件，培養學生對基于數控加工工藝的規劃設計及優化的理解和應用能力，使其初步掌握如何利用生產系統仿真軟件優化實際的生產現場管理，從而培養學生不僅要有數字化工廠的全局觀念還要具備制造規劃的理念。

圖4 面向智能制造的數控實訓中心