基于虚拟现实增强的数控实训在线教学研究与实践

罗嗣林

台州科技职业学院 浙江 台州 318020

1 虚拟现实

虚拟现实（Virtual Reality,简称VR）是通过计算机技术将现实生活中的数据，生产成电子信号，通过各种输出设备结合使其转化为能够让人们感受到的现象，这些现象可以是现实中真实存在的物体，也可以是我们肉眼所看不到的物质，通过三维模型表现出来。因为这些现象不是我们直接所能看到的，而是通过计算机技术模拟出来的现实中的世界，故称为虚拟现实。

虚拟现实技术融合了数字图像处理、计算机图形学、人工智能、多媒体、传感器、网络以及并行处理等多个信息技术分支的最新发展成果，是20世纪末逐渐兴起的一项综合性信息技术。虚拟现实利用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。使用者进行位置移动时，计算机可以立即进行复杂运算，将精确的3D世界影像传回，从而产生临场感。

2 《数控加工与编程》线上教学现状

万物互联时代背景下，互联网技术与专业教学深度融合构建出开放式教育环境是时代的必然，也是高职类院校实现提升教育教学内涵质量的重要途径。新冠疫情常态化防控背景下，如何有效开展《数控加工与编程》线上直播教学成为当务急需。那么，现状如何呢？

首先，简单易行的教育方式是通过网络直播教师的讲课录像，或者是学生通过网络下载教学课件。这种教育形式存在的问题就是缺少实训教学活动中的互动教学，由于没有真实教学设备操作，制约了学生的创造性和创新性能力的培养。

其次，互联网（中国MOOC等）上虽然有大量的网络课程资源，但是真正可以用于数控实训的资源却寥寥无几[1]。受到实训设备投资限制，大型实训设备的操作不容易实现、工艺流程的教学讲解抽象且难以理解。

以作者所承担的《数控加工与编程》课程为例，课程以一款数控仿真软件为实训平台，在平台上完成数控机床编程与操作，主要训练内容有：典型数控零件的工艺分析、零件的工艺文件编制以及加工程序的编写等[2]。这款数控仿真软件是传统且静态的虚拟仿真教学环境，虽然通过模拟出数控机床设备操作过程中可能存在的缺陷或者问题，一定程度上避免了设备操作过程中电、液、气等资源消耗大，操作风险高等问题，但是它高度依赖师生面对面的线下教学环境，无法支撑基于互联网的远程师生互动、提供身临其境的实训直观感受。在疫情肆虐的当下，由于虚拟仿真练习和数控机床实训操作的割裂，原有的虚拟仿真实训并不能较好地满足数控技术特别是实训教学所需“能实不虚，虚实结合”的教学理念。

针对现状，我们认为可以将VR技术引入到远程数控实训，有利于解决虚拟仿真练习和数控机床实训操作割裂的问题，提供身临其境的直观感受，同时具备系统开放、可操作性强以及跨时空性的特点。真正做到①为复杂的实训环境和设备操作流程提供虚拟再现；②该实训系统基于互联网+模式可以让学生在任何地方都可以通过互联网进行虚拟实训；③可以实现学习者、实训教师、虚拟实训之间的三方互动，以达到更好的学习效果。

3 数控实训在线教学平台架构

为此我们采用虚拟现实技术构建了一个实训平台，成为实训体系的重要组成部分，并在线上开展实训教学。Web3D是一种广泛应用的虚拟现实技术，可用于构建以互联网为基础的数控虚拟实训教学体系，其架构设计如下图1所示。

图1 基于Web3D的数控虚拟实训平台架构图

4 构建虚拟实训体系的具体方法和思路

4.1 动态的开放性原则

学生、教师、平台能过进行有效互动，教师的指导通过平台得以实时进行，这样的教学效果才能提高。交互性是虚拟实训平台提高教学目标和实现教学效果的重要保证。

4.2 基于“工学结合”的虚拟场景漫游的原则

任务项目是和真实环境一样的任务项目，虚拟实训是通过对真实实训环境和岗位的虚拟再现，来达到媲美真实机床设备的真实实训，从而实现教学目标。

4.3 基于互联网+的虚拟实训资源共享的原则

由于要实现随时随地学习，资源的共享就显得尤为重要，这就对实训资源的开放性和可调用性提出了要求，学生在任何地方都能利用网络进行虚拟实训。

基于Web3D的数控虚拟实训平台中，Web3D编辑工具为用户提供了完善的3D模型和动画制作功能以实现虚拟场景的漫游，让学生对数控加工车间的布局和加工环境等更容易了解，有利于增强学生对整体系统的认识。

5 虚拟实训教学项目的选择与实现

基于Web3D构建虚拟实训教学系统时，各功能模块要充分传统实训教学的组织形式，系统化地应用于虚拟实训中，既要体现职业教育的特点还要有利于实现教学的交互，让虚拟实训和传统实训教学具有同样的真实性。通过对数控技术专业人才培养目标的分析，数控技术专业虚拟实训项目内容如图2所示[4]，虚拟实训平台实现效果如图3所示。

图2 数控虚拟实训平台功能模块内容

图3 数控实训VR效果

6 融入面向智能制造的数控实训中心

目前我们已经完成了14台数控铣床地物联改造，实现了实训车间现场和互联网的融合互通，正在打造一个数字化工厂环境，如图4所示（见文末）。

该实训环境将提供设备运行监控模块（SCADA）、加工程序集中管理模块（DNC）、设备远程操作模块、统计分析模块等，让学生在数字化工厂的环境下实训，实训流程和制造类企业的生产流程对接。实训车间现场生产加工用到的软件以及编好的工艺和程序，可以通过车间电脑直接传输到机床上进行加工，设计与生产模式无纸化。采用工学结合的项目引领式教学模式开展《数控实训》教学，模拟企业的生产加工场景。通过将现有的数控实训中心设备用工业物联的手段，实训场所用虚拟仿真建模，这样就重构出一个与现有数控实训基地一致的数字化虚拟工厂。通过虚拟工厂学生可以参与不同的岗位生产，完成不同的职业训练，达到教学的目的，真正实现工学结合的项目引领式教学。同时岗位任务可以引用企业的真实产品，实训教学也容易实现进阶式训练，可以顺畅地实现从单一技能训练到综合技能训练的跨越。学生就有了生产过程的全局观，再不断地积累，就能培养出更符合智能制造需要的复合型技术人才。增设虚实一体化的智能制造运用能力教学内容，在实训教学过程中引入生产系统仿真软件，培养学生对基于数控加工工艺的规划设计及优化的理解和应用能力，使其初步掌握如何利用生产系统仿真软件优化实际的生产现场管理，从而培养学生不仅要有数字化工厂的全局观念还要具备制造规划的理念。

图4 面向智能制造的数控实训中心