基于虚拟仿真技术的中职数控课程教学方法改革

隋国亮 赵月利 刘洋 姜超凡

关键词：虚拟仿真技术   中职   数控

作为当下技术最为先进、应用领域广泛的虚拟仿真技术，越来越被教育领域的工作者所青睐。中等职业教育作为我国职业教育中的重要组成部分，也应当引进这一先进技术，以应用于機械类专业的教学活动中。这既是中等职业学校发展的需要，也是机械类专业教学方法改革的必然趋势。

虚拟仿真技术与中职机械类专业数控课程的结合，能够改善传统教学方法中的许多问题，例如数控机床的数量少、设备有限等。通过仿真三维空间的构建，为学生提供较为逼真的数控加工环境进行学习，使他们掌握最为直接的数控加工过程，从而提升他们的实际操作能力、动手能力等，为机械类专业数控课程的学习打下良好基础，从而激发学生形成对数控课程的学习兴趣。

一、中职数控课程教学现状分析

培养学生掌握数控机床的基本操作和动手能力是数控课程教学的核心，二者直接关乎学生的就业和未来的发展。所以提升学生对本课程的兴趣，加深对本课程知识的理解，增强动手实操能力是影响本课程教学质量的决定性因素。通过我的多年教学经验和调查研究发现，本课程的教学中存在以下问题：

学生对数控相关知识的掌握程度不足。因为数控相关知识的理论性较强，而中职机械类专业学生普遍学习基础较为薄弱，所以对学生而言数控相关知识掌握起来较难，无法形成对数控课程的浓厚学习兴趣。

学生对本课程不够重视。多数学生在课前从不进行预习等准备工作，在上课过程中不愿意看教师示范的规范操作步骤，这直接导致了学生在实训过程中疑问多、效率慢的现象，使得教师无法按时完成预期的教学目标。

学生动手能力不足。部分学生不愿亲自参与实训加工过程，自己只做工件测量等简单工作，而设计、编程、加工等复杂工作则是让小组中的其他学生完成，所以这些不愿参与实训的同学很难完成教师规定的任务。

数控课程教学体系较为复杂。数控课程涉及的教学内容繁多，例如需要学习数控手工编程、制图软件、计算机辅助编程、数控机床使用等。复杂的教学体系使学生无法抓到学习的重点，如果其中某个环节没能学会，会使学生失去对本课程的学习兴趣。

二、虚拟仿真技术与中职数控课程的结合

因我国机械制造行业发展迅猛，数控加工技术成为了行业发展的主流，所以各大企业工厂对数控加工相关的技术人才有着大量需求。为此大部分中职学校机械类专业都开设了数控课程，数控加工技术成为了中职机械类专业学生的必备专业素质之一。与传统的机械基础课程相比，数控课程具有很强的实践性，学生无法在教师的凭空讲授下获得技能的进步，只有通过实际操作才能掌握数控加工的相关知识。然而对于刚刚步入数控课程的中职学校机械类专业的学生而言，教学初期直接进行实际操作必然会导致人员和资源的大量浪费，甚至还具有一定的危险性。对此，可以将虚拟仿真技术与中职数控课程相结合，形成全新的教学方法来改善传统数控课程教学的不足。

虚拟仿真技术又称虚拟现实技术，是一个用仿真系统模拟一个真实环境的技术。它可以打破以往的二维平面图像，创造出虚拟仿真的三维空间，使得人们在虚拟系统内能自如地操纵由真实环境设计出来的物体，随着科技的迅猛发展，本技术已应用于工业生产、医学影像、教育教学等生产生活的诸多领域中。近几年，在中等职业教育的教学中也引入了虚拟仿真技术，本技术不仅可以提供新的教学手段，优化教学方法，而且可以弥补传统教学中的不足，给中职学校教学带来新的模式。为使虚拟仿真技术与中职机械类专业的数控课程相结合，产生良好的教学效果，应该满足以下几点要求：

（一）仿真程度要高 仿真程度的高低要考虑两个方面的因素。首先是仿真加工是否与真实加工情况相同，包括与实际工件尺寸、走刀路径、数控切削操作过程、控制面板显示内容、工件切削效果等方面的符合程度。其次是仿真加工的精度，包括虚拟仿真系统中数控机床在完成换刀、进给、主轴旋转、退刀等动作时的运动精度以及虚拟仿真系统中所加工出工件的尺寸精度。

（二）仿真的功能要完善 虚拟数控仿真系统应该拥有和真实数控系统相同的功能，例如控制面板的基本操作、数控代码的输入、数控代码的编译、数控代码的分析、数控机床换刀、机床主轴进给、完整的切削流程等多方面功能，要做到与真实加工情况相差无几，避免遗漏。

（三）三维效果要逼真 在注重数控切削加工过程和功能仿真的同时，还要注重视觉上的三维效果上的仿真。虚拟仿真系统最主要的特点之一就是沉浸性强，用户在系统中拥有较为真实的体验。三维效果的好坏主要取决于三维立体的构建，通过在硬件系统上建立相应的三维软件，根据软件中一定的程序指令生成立体的三维效果，这不仅需要硬件系统的具有较高的质量，还需要软件系统拥有良好的结融合程度，以方便用户对虚拟数控机床进行控制和对加工过程进行观察。

三、基于虚拟仿真技术的数控课程改革方法

基于虚拟仿真技术的数控课程改革方法主要是建立数控虚拟仿真实验室，实验室中的虚拟仿真空间需要实现三种功能：一是利用虚拟仿真技术实现数控机床操作界面、数控机床完整结构的显示。与现实中的数控机床相同，利用虚拟仿真技术实现数控机床操作界面上也能够显示出相同的操作按钮和加工参数信息。学生可在虚拟仿真数控机床操作界面上进行模拟编程训练，即使输入错误的程序或数据也不会像真实机床那样对工件造成损坏，因为虚拟数控机床会发出报警，学生可以及时发现错误并更正，起到了自我反馈、自我更正、自主学习的效果。虚拟数控机床使学生有了更多的机会和时间接触数控机床，有利于对数控机床相关知识的掌握;二是利用虚拟仿真技术实现数控加工过程的展示。学生在虚拟仿真技术构建的数控机床中输入与真实加工相同的程序和数据后，该虚拟机床可以以三维的形式展现出加工过程。这不仅可以节约数控机床以及相关教学设备，同时也可大大提高操作的安全性，激发学生的学习兴趣;三是利用虚拟仿真技术实现数控课程的考核。目前的考核形式主要是教师给出加工图样，等待学生实操加工后检验工件的尺寸和精度，忽略了对加工过程的检验和发生错误之处的指导。利用本教学方法，学生可以在虚拟仿真系统中完成考试件的加工，由系统对每一加工步骤和加工结果进行打分，教师根据系统出示的结果进行打分、点评和讲解。由教师对考试的结果进行点评和指导后，学生可以在系统中继续尝试完成本次考试，以弥补自身的不足，使他们真正地掌握数控相关理论知识和实际操作的技能，提升专业素质。

四、结语

中职数控课程与虚拟仿真技术的结合，使本课程的教学方法发生深刻的变革，可以实现以数控基本知识、实操技能传授为主的教学方法向以培养综合能力为主的教学方法的转变。这种教学方法所秉持的教育理念是以学生为主体，学生在这种教学方法下可以体现出自主学习的主动性，明显提升数控课程的教学水平，激发学生对数控课程的浓厚兴趣，使他们形成踏实认学的良好学习作风，为将来的学习和就业打下坚实的基础。

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（作者单位：长春市大师工作室）