虚拟现实技术在铸造技术专业教学中的应用

周棣华 赵怀昊 米宪儒 傅骏

摘  要 虚拟现实技术作为一种前沿技术化手段，已得到高职院校和教师的广泛关注。它应用于教学，能改善学生学习环境，提高学生学习兴趣，有效加深学生对知识的理解，提升学生实践水平，丰富课堂教学方法。从职业教育发展需要虚拟仿真技术出发，分析虚拟现实技术在铸造技术专业教学中的应用及应用策略，为高职院校铸造技术等相关专业利用虚拟仿真学习系统提高教学质量提供参考。

关键词 高职;铸造技术;虚拟现实技术;实训

中图分类号：G712    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2020）24-0045-03

Application of Virtual Reality Technology in Foundry Tech-nology Teaching//ZHOU Dihua， ZHAO Huaihao， MI Xianru， FU Jun

Abstract As a cutting-edge technology， virtual reality technology has been widely concerned by vocational colleges and teachers. It can be applied to teaching， improve students learning environment， improve students interest in learning， effectively deepen students understanding of knowledge， improve students practical level， and enrich classroom teaching methods. Starting from the need of virtual simulation technology in the development of vocational education， this paper analyzes the application and application strategy of VR technology in the teaching of foundry technology， which provides a reference for the foundry technology and other related majors in higher vocational colleges to use virtual simulation learning system to improve the teaching quality.

Key words higher vocational colleges; foundry technology; virtual reality technology; practical training

1 引言

四川工程职业技术学院作为中国特色高水平高职学校建设单位，始终推进学科专业设置与产业对接，强化传统优势专业，打造新兴专业，促进学科专业动态优化、协调发展。最近完建的《高等职业教育创新发展行动计划》虚拟仿真实训中心项目即材料成型虚拟仿真实训中心，运用现有虚拟仿真项目开发引擎软件、虚拟仿真实训软件、工艺优化虚拟仿真软件、一体化机等软硬件设备设施，并依托四川省航空材料检测与模锻工艺技术工程实验室、四川省高温合金切削工艺技术工程实验室、四川省装备制造业机器人应用技术工程实验室、德阳中科先进制造创新育成中心等，形成产学研一体化的虚实结合的实践教学体系。

2 虚拟现实技术在高职院校发展的必要性

国家教育发展的需要  以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，围绕加快教育现代化和建设教育强国新征程，落实立德树人根本任务，积极推进“互联网+教育”，坚持信息技术与教育教学深度融合的核心理念，坚持应用驱动和机制创新的基本方针，建立健全教育信息化可持续发展机制，构建网络化、数字化、智能化、个性化、终身化的教育体系。为完善铸造专业教学平台建设，积极推进铸造专业数字化、智能化、个性化的教育体系构建需要新技术虚拟现实（VR）技术的支撑。实现教育部制定的《教育信息化2.0行動计划》目标，推动从专用教育资源向教育大资源、从提升师生信息技术应用能力向全面提升其信息素养、从融合应用向创新发展这三大转变，构建“三新”模式，需要VR技术。

铸造专业发展的需要  铸造技术专业是不可或缺的传统技术专业。近年来，3D打印、智能铸造发展迅速，“工业4.0”[1]、“智能铸造2025”等热词频频出现，信息化要求越来越高。铸造行业的智能化速度加快，重点体现在：铸造成型过程的数字化模拟与工艺优化，缩短生产周期，提升产出效率;铸造智能化机械设备和数字化生产线，改善工作环境;在铸造生产中的各环节，如在造型与制芯、熔炼与浇注、精装等工艺中，机器人得到广泛应用;红外测温等在线监测技术、ERP、MIS等管理信息系统在铸造生产过程中大量应用;增材制造技术得到快速发展;铸造车间数字化进程加快。高职专业人才培养方案应源于市场，培养的人才应满足市场需求。因此，加快铸造技能人才信息化、智能化方面的培养迫在眉睫，亟待创新教学方法。[2]

3 虚拟现实技术的特点及在铸造专业教学中应用的意义

随着铸造业现代化技术水平的不断提升，铸件制造质量的要求在不断提高，铸造行业的从业人员不仅要拥有丰富的专业理论知识，更要具有较强的生产实践能力。目前，铸造技术专业教学受到教学环境和教学设施的影响，依旧采取传统的先理后实的模式，无法满足新时代人机协同制造需求的高素质人才的培养。作为新兴的前沿信息化技术，VR技术是当前教育领域最受欢迎的科学信息教学技术之一[3-5]。

推进VR技术与铸造技术专业教学的融合，具有重大的现实意义。

VR技术的特点  VR技术主要包含交互性、多感知性与构想性三方面的特点。铸造专业的很多设备具有投资成本高、操作人员多、操作难度大、工作环境相对差等特点，利用VR技术的交互性特点，可以大大提高学生的学习兴趣，增强实训效果;利用VR技术的多感知性特点，可以让学生充分熟悉设备的结构特点、性能特点;利用VR技术的构想性特点，可以促进学生创新性思维开发。在更注重工匠技能的高职教学中，应用VR技术这种先进的前沿信息技术手段能更有效地拓展学科视域和教学手段。

VR教学在高职铸造专业教学中的意义

1）构建空间思维，深化知识理解。教师在进行教学时要注重激发学生在学习中的想象力和培养空间思维能力，结合生活实际，融合新旧知识，加深学生对新知识新工艺的理解。VR技术在教学中的应用，更容易帮助教师构建出教学内容所需的二维、三维教学情境，利用虚实结合的情境激发学生的联想，提高他们对知识点的理解，进而提升创新能力。图1为VR技术系统框架图。

2）激发学生兴趣，立足专业学习。传统的铸造专业因工作环境等因素已逐渐淡出人们的视野，极少学生选择。而现代铸造技术逐步实现机械化、智能化，工作环境等改善巨大，VR技术的多感知性就能让学生学习到最先进铸造知识，认识先进的铸造设备，学习过程中受到多方面感官的刺激，从而调动学生的积极性，效果明显。

3）丰富教学手段，提升教学质量。VR是目前前沿的信息化技术手段，将抽象的概念和实训操作过程通过制作仿真模拟软件以图形、视频、可操作虚拟场景等方式真实生动地展现给学生，让学生从多维度学习。随着近几年的发展，相继出现与VR技术某些相关的创新教学场景，如“VR小组协同交互课堂”“VR+5G沉浸式教学课堂”“VR多人协同大空间交互课堂”等[6]，教师的教学手段得到拓展，教学质量得到较大提升。

4）拓展实践教学，落实理实结合。高职教育培养技能型工匠之才，更为注重实践教学。由于铸造专业的专业特性，其实训基地投资高、建筑面积大、建设成本高、运营成本高;又因建筑面积的限制，继而出现科学性不强、布局不尽合理等缺陷，致使实训基地的设备实际使用率低，难以保障学生充分提高实践能力。由于专业的特殊性，实训工位机器有限，实训环节以观察学习为主、动手实操为辅，无法保证教学目标的完成。最为重要的是，铸造的部分设备，如熔炼炉、连续生产线等，实训环节存在安全隐患，实习学生人数众多的话，难以避免发生事故，这也是制约职业教育工程实训教学发展的主要因素，严重影响学生的实践能力和实践水平。

VR中模拟出的真实环境，图2为铸造专业设备3D仿真场景，能使学生单独、反复进行实践操作练习，直至掌握正确的操作规程。这样既能提升学习效率和质量，又大大降低了教学设备投入成本，且完全可避免安全事故的发生。

4 虚拟现实技术在铸造专业教学中的应用策略

VR技术与专业理论教学相融合  在铸造技术专业教学中，理论教学依然是重要的。VR融合理论教学模块一般采用二维模式设计，根据课程章节制作VR课件，方便学生根据自己的学习实际选择学习内容。同时，教师可以录制课堂教学视频作为学生学习的素材，丰富VR内容。

VR技术与专业实践教学融合  实践环节是高职院校教育的突出特点，作为实践性强、工装设备应用频繁的铸造专业教学更加离不开实践。进行VR实践教学环节课程设计时应根据专业教学大纲，使实践教学模块化。在铸造技能基础实训过程中，可分为整模造型模块、分模造型模塊、挖砂造型模块、刮板造型模块等;亦可根据现行人才培养方案，分为初级技能教学模块、中级技能教学模块、高级技能教学模块等。将实训教师的讲解与实际操作过程通过三维建模、动画设计及制作、脚本编辑、场景设计等在Unity中再现仿真出来形成学习软件，为学生的学习提供多样性素材。

铸造专业虚拟仿真软件制作  教师在制作设备相关的VR课件内容时，可以利用NX、CREO、Solidworks等3D建模软件创建铸造生产中使用的工装、工具、设备等的三维模型，并可利用Unity制作出造型制芯、合箱、熔炼与浇注等规范操作动作流程。另外，在铸造造型、制芯过程中，可通过动画制作的方式为学生增添一些必要的铸造生产过程效果图，帮助学生了解最真实的铸造情境。

5 结语

高等职业院校作为我国技能技术型人才的培养基地，在培养铸造行业紧缺应用型人才方面具有不可替代的作用。虚拟现实技术在构建“三新”模式新形势下的铸造技术专业教学中越来越被重视，其不仅能改善铸造专业学生的实训环境，还能在很大程度上深化学生对铸造生产过程的了解、铸造设备的结构认知和提高铸造设备操作技能。随着虚拟现实技术在教育中应用的不断推广和深入，教学理念、教学方法、教学评价等不同层面不断创新教学模式，如“VR小组协同交互课堂”“VR+5G沉浸式教学课堂”“VR多人协同大空间交互课堂”等创新教学场景相继出现，能最大限度地满足铸造专业学生的学习需求，提高学生的学习兴趣与实践能力，为学生走向社会奠定良好的基础。

然而，由于铸造技术专业的特性尤其是铸造生产过程的复杂性，铸造虚拟仿真学习软件的制作过程相对更复杂，制作时间相对更长，还会遇到铸造专业的一系列新问题，如如何在虚拟仿真学习软件中实现铸造生产过程监控仿真、型砂流动、多人协作完成大型铸件的造型制芯工作等。因此，要实现虚拟现实技术在铸造技术专业的广泛应用，还需要广大铸造工作者携手奋进、共同完成。

参考文献

[1]古林峰，王文通，田丽.基于工业4.0的我国职业教育人才培养模式改革方向探讨[J].陕西教育（高教），2020（2）：64-70.

[2]李如秒，任宗强.基于职业适应性导向的职业院校智能制造人才培养[J].教育与职业，2020（7）：52-57.

[3]罗超.职业教育中运用VR技术的SWOT分析[J].电子技术与软件工程，2016（20）：175-176.

[4]程琼，陈晴.基于VR技术的实训教学系统在智能楼宇专业中的应用研究[J].科技风，2015（5）：232，234.

[5]张志祯.虚拟现实教育应用：追求身心一体的教育：从北京师范大学“智慧学习与VR教育应用学术周”说起[J].中国远程教育，2016（6）：5-15，79.

[6]张承霖，曾飞国，刘韬，等.VR技术在工程训练中的应用实践[J].高等继续教育学报.2017（3）：48-51，59.