機械制造專業虛擬仿真教學環境建設與應用研究

蔣翰成

摘要：基于機械制造專業的人才培養特點，傳統機械制造專業人才培養模式下暴露出諸多弊端，嚴重制約了人才培養質量。而通過虛擬仿真技術在課堂教學中的應用，可有效改變傳統教學模式下缺乏配套設備、實訓內容等問題，嚴重影響了人才培養質量。基于此，筆者針對虛擬仿真技術在機械制造專業教學中的具體應用展開了詳細的研究和分析。

關鍵詞：機械制造;虛擬仿真教學;環境建設;具體應用

0? 引言

機械制造專業主要是對機械制造的各類技術、形式進行研究的學科，是為國家和社會提供相關的人才。但就目前我國職業院校在進行機械制造人才培養的過程中，依然沿用傳統的人才培養模式進行。但是在這種人才培養模式下，致使學生的實際操作能力低下，難以滿足當前的社會需求。基于此，職業院校在進行機械制造專業人才培養的過程中，必須要立足于機械制造專業人才培養現狀，靈活運用虛擬仿真技術優化教學，不斷提升人才培養的質量。

1? 職業院校機械制造專業人才培養現狀分析

對當前職業院校機械制造專業人才培養現狀展開分析，有助于對明確當前機械制造專業人才培養模式下存在的問題，并據此明確利用虛擬技術進行人才培養模式改革的必要性。具體來說，當前職業院校機械制造專業人才培養的現狀，集中體現在以下幾個方面：

第一、從招生的角度上來說，目前，在國家擴招政策的影響下，職業院校積極響應國家的人才培養號召，積極擴招、增加了學生的基數。在這種情況下，導致職業院校的教學資源出現了明顯的吃緊現象，例如：模具數量短缺、實訓場地狹小、工藝耗材量比較大等。面對這一現狀，職業院校在進行人才培養的過程中，為了強化人才培養質量，常常在機械制造人才培養中出現極強的實訓壓力，甚至有的院校出現了壓縮學生的實訓課時，最大限度減少了學生的實操時間。在這種情況下，不僅導致機械制造專業人才培養質量低下，也制約了學生的未來發展。

第二、從職業院校實訓廠房設備的角度上來說。目前雖然大部分職業院校在人才培養的過程中，都建立了相關的實訓基地。而在建立實訓基地時，不僅僅需要大面積的場地、實訓樓房、購買相關的機械設備等，還應配備相關的操作人員、管理人員等，而這些都需要投入大量的經費。尤其是在實訓場地中，一些比較大型的設備，包括：減速器、軸承、機械手、離合器、制動器等，在長期操作的過程中，一旦出現操作不當、突發停電等多種因素，就會導致設備在使用的過程中，出現損壞、磨耗等現象。如此一來，在很大程度上增加了成本，也制約了機械制作專業人才培養質量[1]。

另一方面，當前職業院校在進行機械制造專業人才培養培養的過程中，校內實訓工廠基本上都是某一單、某一工種展開訓模擬訓練。但是在這一過程中，學生并未真實地參與到工廠的完整生產中，根本無法熟悉實際生產中每一個崗位的具體要求，難以在真實的工作環境中、工作氛圍中，強化自身的實踐技能。

第三、從師資的角度上來說。目前，職業院校人才培養中，機械制造專業教師的綜合素養雖然得到了普遍性的提升，甚至出現了不少研究生到學校擔任這一專業的課程教學。但是這些具有高層次的教師將重點都集中在理論研究中，很少有教師在企業中工作。在這種情況下，職業院校機械制造專業教師，缺乏理論知識與工作經驗的融合，難以實現培養高質量人才的需求。

第四、傳統數控仿真軟件應用中存在缺陷。當前，在職業院校的人才培養模式下，有些職業院校已經開始使用數控軟件開展教學，例如：菲克、宇航等仿真軟件，已經在人才培養中得到了一定的應用。但是這些數控軟件僅僅能夠將模具的大概輪廓加工出來，根本無法實現精準的尺寸要求。在這種情況下，借助傳統數控仿真軟件的應用，難以促使學生在虛擬的操作中，感受到產品加工的精確性，甚至導致學生對其理解不夠深刻等[2]。

2? 虛擬仿真教學內涵解析

虛擬仿真技術又被稱之為VR技術，主要利用計算機系統生成一種模擬現實世界的計算機仿真系統。具體來說，虛擬仿真技術將計算機仿真技術、傳感技術、計算機圖形學、人機接口技術、多媒體技術等進行了有效的綜合，在多維的信息空間上，給學生創建了一個虛擬的信息環境，分別從聽覺、視覺、觸覺等方面，給體驗者營造一個逼真的虛擬環境，使得體驗者在這一環境中產生聲臨其境的感覺，并獲得良好的認知體驗。

具體來說，虛擬仿真技術具有三個顯著的特征：①沉浸感。虛擬技術主要是依據人類的視覺、聽覺特點，通過計算機操作系統，產生一個逼真的三維立體圖像，使用者則主要借助一定的交互設備，將自己置身于虛擬的環境體驗中，產生身臨其境的感覺，如同在現實世界中一樣。虛擬仿真技術與傳統的3D技術、三維仿真技術不同，將使用者的聽覺和視覺與外界的環境分離開來，促使其在更好地沉浸體驗中，完成機械制作相關流程的學習中，最終達到相關知識的深度學習;②構想性。在虛擬現實系統中，通過系統中的聽覺、觸覺、視覺傳感電子元件，以及相關的反應裝置，體驗者可在這一虛擬的環境中，同時獲得聽覺、視覺、觸覺等多種感知的發展。基于這一特點，在機械制造專業的人才培養中，通過虛擬技術應用，使得學生在具有構想性的機械元件設計、機床操作的學習中，不斷提升學生對相關知識的感知程度、認知程度上，進而促使學生在學習的過程中，將抽象的概念進行具體化，最促使學生在學習的過程中，不斷激發學生的創造性思維;③交互性。虛擬技術的實現基本上都是通過人機互動系統，在接近于真實的環境下，使用者靈活運用電腦、VR眼鏡和數據手套等，實現信息的輸入、輸出，以及傳感設備進行交互。計算機中的虛擬技術系統則可以結合使用者在使用過程中的多種姿勢，對圖像、聲音進行調整。如此一來，用戶在虛擬技術的幫助下，即可對虛擬環境中的物體可操作程度進行明確的反饋，并形成更加直接的感受[3]。

3? 機械制造專業虛擬仿真教學環境建設與應用分析

虛擬仿真技術在機械制造專業中的應用，促使了虛擬制造的這一詞匯的產生。基于此，筆者從以下四個方面，對虛擬技術在機械制造專業教學中的應用展開了研究：

第一、在虛擬概念設計中的應用。在虛擬仿真技術系統下，學生可靈活運用VR技術按照圖紙中的要求，設計一個虛擬的產品，包括：對產品設計的尺寸、大小、性能、質量等進行分析，如果發現問題應及時對其進行修改，有效避免在傳統工廠操作中出現的原材料耗損等現象，有效避免了機械制造實訓中出現的差錯現象，節約了人力成本的開支，全面提升了工作效率;同時，在虛擬仿真系統中，學生可以結合客戶的需求展開模擬，并在虛擬的環境下，對不同產品的樣式進行設計、修改，給學生提供了更多的犯錯機會、修改機會等，使得學生的設計思路更加清晰、更加明了。

第二、機械制造的虛擬設計。在虛擬技術環境下，學生可以對產品展開觀察、操作和設計等。以CAD作圖教學為例，通過虛擬技術的應用，在這種虛擬的環境中，使得設計出來的產品具有實物的特性，例如：重量、尺寸大小、材料性能、硬度、外部等。同時，借助虛擬技術還可以對模型的各個零部件進行組建，并對各個零部件之間的間隙是否達標進行核查、對零部件的軸承對接是否存在差錯、零部件的組裝是否正確、零部件外觀設計是否合理等。如此，有效避免了傳統產品設計中出現的質量問題，顯著提升了學生的產品設計質量。

第三、機械制造的虛擬制造。在具體的機械制造專業教學中，通過虛擬技術的應用，學生可以在虛擬的環境中，將相關的圖紙、工藝卡等準備好，并結合具體的工單任務領料，對夾具進行調試，上好刀具等，并對設備是否存在故障進行檢查等。完成檢查之后，即可按照圖紙上的要求，相關的施工標準、施工工藝等，逐漸進入到正式的生產中。在正式的實踐操作中，要更加關注工件防護、現場設備的維護、對自身的操作流程進行規范等。在生產流程結束之后，還應對轉序手續進行辦理，并在工序流程卡上做好相應等級記錄。在虛擬的環境中，應結合扮演的角色，承擔不同崗位中的職責，熟悉相關的機械制造流程等，最終促使學生在虛擬環境的學習中，增強學生的學習體驗，并獲得良好的知識遷移等。

第四、機械制造中的虛擬測試。在機械制造中，產品生產出來之后，必須要對產品的性能、質量進行檢測，必須要保證其達標。為了實現這一目標，通過虛擬技術的應用，可通過虛擬技術對產品的外形進行觀察，對夾具的拼裝、界面的操作、人機交互性能、組合儀表等進行檢查，及時發現產品組裝、產品試用中存在的問題。以便于結合檢查結果，對其進行適當的調整和修改，并在此基礎上組建形成新的模型，確保產品的質量能夠更好地符合客戶的需求[4]。

4? 機械制造專業虛擬仿真教學環境建設中應用效果分析

在機械制造專業中，通過虛擬仿真技術的應用，彰顯出顯著的應用價值。具體來說，集中體現在以下幾個方面：

第一、有效改善了職業院校機械制造專業的實訓條件，降低了學校的實訓成本。通過虛擬技術在機械制造專業中的具體應用，最大限度降低了實訓教學中的成本投入，學校無需購買機床等設備即可完成實訓工作。另外，傳統職業院校實訓環境相對比較差，常常存在噪音、粉塵污染等現象，甚至還會存在一定的危險性。而通過虛擬技術的應用，則可最大限度改善實訓條件，使得學生在虛擬技術平臺上，即可完成相關的學習。

第二、有助于改變傳統的教育模式，顯著提升人才培養質量。通過虛擬技術在機械制造專業中的應用，學生無需在真實的場景中開展學習，只需要通過VR設備，對相關演示視頻進行學習，并結合具體的操作開展操作即可。如此一來，不僅強化了實訓的效果，也顯著提升了學生的學習興趣，全面提升了人才培養質量。

第三、有助于降低教學成本，及時更新教學技術和設備。在職業院校人才培養中，通過虛擬技術的應用，極大了降低了機械制造專業的教學成本，縮小了教學需求的空間。通過虛擬技術的應用，職業院校只需要建立VR實訓室即可，這種教學模式下的投入，與傳統的實訓教學投入相比，存在明顯的優勢。另外，VR實訓室在進行維護的過程中，自身的成本也相對比較低，具有高效環保、可持續發展的優點[5]。

5? 結束語

綜上所述，基于當前機械制造專業人才培養中存在的問題，將虛擬技術應用到教學中，徹底轉變了傳統人才培養下存在的諸多弊端，并將其靈活運用到機械制造專業的教學中，最大限度提升了人才培養質量，使其更好地滿足當前社會的人才需求。

參考文獻：

[1]張小輝.結合虛擬仿真的實踐教學體系改革研究[J].電子元器件與信息技術，2020，4（09）：167-168.

[2]張德秋，王晶彥，孟祥華，周宇，孫鵬.新工科背景下土木工程專業虛擬仿真實驗教學研究[J].經濟師，2020（08）：203-204.

[3]李晶，陳軍.機械制造專業虛擬仿真教學環境建設與應用研究[J].數碼世界，2020（07）：193.

[4]孫青鋒.高職院校工業機器人技術專業虛擬仿真實驗教學研究[J].吉林工程技術師范學院學報，2020，36（06）：74-76.

[5]崔光珍，肖艷秋，王才東，吳超.虛擬仿真教學在機械原理課程中的應用研究[J].中國現代教育裝備，2019（21）：71-72.