机械制造专业虚拟仿真教学环境建设与应用研究

蒋翰成

摘要：基于机械制造专业的人才培养特点，传统机械制造专业人才培养模式下暴露出诸多弊端，严重制约了人才培养质量。而通过虚拟仿真技术在课堂教学中的应用，可有效改变传统教学模式下缺乏配套设备、实训内容等问题，严重影响了人才培养质量。基于此，笔者针对虚拟仿真技术在机械制造专业教学中的具体应用展开了详细的研究和分析。

关键词：机械制造;虚拟仿真教学;环境建设;具体应用

0  引言

机械制造专业主要是对机械制造的各类技术、形式进行研究的学科，是为国家和社会提供相关的人才。但就目前我国职业院校在进行机械制造人才培养的过程中，依然沿用传统的人才培养模式进行。但是在这种人才培养模式下，致使学生的实际操作能力低下，难以满足当前的社会需求。基于此，职业院校在进行机械制造专业人才培养的过程中，必须要立足于机械制造专业人才培养现状，灵活运用虚拟仿真技术优化教学，不断提升人才培养的质量。

1  职业院校机械制造专业人才培养现状分析

对当前职业院校机械制造专业人才培养现状展开分析，有助于对明确当前机械制造专业人才培养模式下存在的问题，并据此明确利用虚拟技术进行人才培养模式改革的必要性。具体来说，当前职业院校机械制造专业人才培养的现状，集中体现在以下几个方面：

第一、从招生的角度上来说，目前，在国家扩招政策的影响下，职业院校积极响应国家的人才培养号召，积极扩招、增加了学生的基数。在这种情况下，导致职业院校的教学资源出现了明显的吃紧现象，例如：模具数量短缺、实训场地狭小、工艺耗材量比较大等。面对这一现状，职业院校在进行人才培养的过程中，为了强化人才培养质量，常常在机械制造人才培养中出现极强的实训压力，甚至有的院校出现了压缩学生的实训课时，最大限度减少了学生的实操时间。在这种情况下，不仅导致机械制造专业人才培养质量低下，也制约了学生的未来发展。

第二、从职业院校实训厂房设备的角度上来说。目前虽然大部分职业院校在人才培养的过程中，都建立了相关的实训基地。而在建立实训基地时，不仅仅需要大面积的场地、实训楼房、购买相关的机械设备等，还应配备相关的操作人员、管理人员等，而这些都需要投入大量的经费。尤其是在实训场地中，一些比较大型的设备，包括：减速器、轴承、机械手、离合器、制动器等，在长期操作的过程中，一旦出现操作不当、突发停电等多种因素，就会导致设备在使用的过程中，出现损坏、磨耗等现象。如此一来，在很大程度上增加了成本，也制约了机械制作专业人才培养质量[1]。

另一方面，当前职业院校在进行机械制造专业人才培养培养的过程中，校内实训工厂基本上都是某一单、某一工种展开训模拟训练。但是在这一过程中，学生并未真实地参与到工厂的完整生产中，根本无法熟悉实际生产中每一个岗位的具体要求，难以在真实的工作环境中、工作氛围中，强化自身的实践技能。

第三、从师资的角度上来说。目前，职业院校人才培养中，机械制造专业教师的综合素养虽然得到了普遍性的提升，甚至出现了不少研究生到学校担任这一专业的课程教学。但是这些具有高层次的教师将重点都集中在理论研究中，很少有教师在企业中工作。在这种情况下，职业院校机械制造专业教师，缺乏理論知识与工作经验的融合，难以实现培养高质量人才的需求。

第四、传统数控仿真软件应用中存在缺陷。当前，在职业院校的人才培养模式下，有些职业院校已经开始使用数控软件开展教学，例如：菲克、宇航等仿真软件，已经在人才培养中得到了一定的应用。但是这些数控软件仅仅能够将模具的大概轮廓加工出来，根本无法实现精准的尺寸要求。在这种情况下，借助传统数控仿真软件的应用，难以促使学生在虚拟的操作中，感受到产品加工的精确性，甚至导致学生对其理解不够深刻等[2]。

2  虚拟仿真教学内涵解析

虚拟仿真技术又被称之为VR技术，主要利用计算机系统生成一种模拟现实世界的计算机仿真系统。具体来说，虚拟仿真技术将计算机仿真技术、传感技术、计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术等进行了有效的综合，在多维的信息空间上，给学生创建了一个虚拟的信息环境，分别从听觉、视觉、触觉等方面，给体验者营造一个逼真的虚拟环境，使得体验者在这一环境中产生声临其境的感觉，并获得良好的认知体验。

具体来说，虚拟仿真技术具有三个显著的特征：①沉浸感。虚拟技术主要是依据人类的视觉、听觉特点，通过计算机操作系统，产生一个逼真的三维立体图像，使用者则主要借助一定的交互设备，将自己置身于虚拟的环境体验中，产生身临其境的感觉，如同在现实世界中一样。虚拟仿真技术与传统的3D技术、三维仿真技术不同，将使用者的听觉和视觉与外界的环境分离开来，促使其在更好地沉浸体验中，完成机械制作相关流程的学习中，最终达到相关知识的深度学习;②构想性。在虚拟现实系统中，通过系统中的听觉、触觉、视觉传感电子元件，以及相关的反应装置，体验者可在这一虚拟的环境中，同时获得听觉、视觉、触觉等多种感知的发展。基于这一特点，在机械制造专业的人才培养中，通过虚拟技术应用，使得学生在具有构想性的机械元件设计、机床操作的学习中，不断提升学生对相关知识的感知程度、认知程度上，进而促使学生在学习的过程中，将抽象的概念进行具体化，最促使学生在学习的过程中，不断激发学生的创造性思维;③交互性。虚拟技术的实现基本上都是通过人机互动系统，在接近于真实的环境下，使用者灵活运用电脑、VR眼镜和数据手套等，实现信息的输入、输出，以及传感设备进行交互。计算机中的虚拟技术系统则可以结合使用者在使用过程中的多种姿势，对图像、声音进行调整。如此一来，用户在虚拟技术的帮助下，即可对虚拟环境中的物体可操作程度进行明确的反馈，并形成更加直接的感受[3]。

3  机械制造专业虚拟仿真教学环境建设与应用分析

虚拟仿真技术在机械制造专业中的应用，促使了虚拟制造的这一词汇的产生。基于此，笔者从以下四个方面，对虚拟技术在机械制造专业教学中的应用展开了研究：

第一、在虚拟概念设计中的应用。在虚拟仿真技术系统下，学生可灵活运用VR技术按照图纸中的要求，设计一个虚拟的产品，包括：对产品设计的尺寸、大小、性能、质量等进行分析，如果发现问题应及时对其进行修改，有效避免在传统工厂操作中出现的原材料耗损等现象，有效避免了机械制造实训中出现的差错现象，节约了人力成本的开支，全面提升了工作效率;同时，在虚拟仿真系统中，学生可以结合客户的需求展开模拟，并在虚拟的环境下，对不同产品的样式进行设计、修改，给学生提供了更多的犯错机会、修改机会等，使得学生的设计思路更加清晰、更加明了。

第二、机械制造的虚拟设计。在虚拟技术环境下，学生可以对产品展开观察、操作和设计等。以CAD作图教学为例，通过虚拟技术的应用，在这种虚拟的环境中，使得设计出来的产品具有实物的特性，例如：重量、尺寸大小、材料性能、硬度、外部等。同时，借助虚拟技术还可以对模型的各个零部件进行组建，并对各个零部件之间的间隙是否达标进行核查、对零部件的轴承对接是否存在差错、零部件的组装是否正确、零部件外观设计是否合理等。如此，有效避免了传统产品设计中出现的质量问题，显著提升了学生的产品设计质量。

第三、机械制造的虚拟制造。在具体的机械制造专业教学中，通过虚拟技术的应用，学生可以在虚拟的环境中，将相关的图纸、工艺卡等准备好，并结合具体的工单任务领料，对夹具进行调试，上好刀具等，并对设备是否存在故障进行检查等。完成检查之后，即可按照图纸上的要求，相关的施工标准、施工工艺等，逐渐进入到正式的生产中。在正式的实践操作中，要更加关注工件防护、现场设备的维护、对自身的操作流程进行规范等。在生产流程结束之后，还应对转序手续进行办理，并在工序流程卡上做好相应等级记录。在虚拟的环境中，应结合扮演的角色，承担不同岗位中的职责，熟悉相关的机械制造流程等，最终促使学生在虚拟环境的学习中，增强学生的学习体验，并获得良好的知识迁移等。

第四、机械制造中的虚拟测试。在机械制造中，产品生产出来之后，必须要对产品的性能、质量进行检测，必须要保证其达标。为了实现这一目标，通过虚拟技术的应用，可通过虚拟技术对产品的外形进行观察，对夹具的拼装、界面的操作、人机交互性能、组合仪表等进行检查，及时发现产品组装、产品试用中存在的问题。以便于结合检查结果，对其进行适当的调整和修改，并在此基础上组建形成新的模型，确保产品的质量能够更好地符合客户的需求[4]。

4  机械制造专业虚拟仿真教学环境建设中应用效果分析

在机械制造专业中，通过虚拟仿真技术的应用，彰显出显著的应用价值。具体来说，集中体现在以下几个方面：

第一、有效改善了职业院校机械制造专业的实训条件，降低了学校的实训成本。通过虚拟技术在机械制造专业中的具体应用，最大限度降低了实训教学中的成本投入，学校无需购买机床等设备即可完成实训工作。另外，传统职业院校实训环境相对比较差，常常存在噪音、粉尘污染等现象，甚至还会存在一定的危险性。而通过虚拟技术的应用，则可最大限度改善实训条件，使得学生在虚拟技术平台上，即可完成相关的学习。

第二、有助于改变传统的教育模式，显著提升人才培养质量。通过虚拟技术在机械制造专业中的应用，学生无需在真实的场景中开展学习，只需要通过VR设备，对相关演示视频进行学习，并结合具体的操作开展操作即可。如此一来，不仅强化了实训的效果，也显著提升了学生的学习兴趣，全面提升了人才培养质量。

第三、有助于降低教学成本，及时更新教学技术和设备。在职业院校人才培养中，通过虚拟技术的应用，极大了降低了机械制造专业的教学成本，缩小了教学需求的空间。通过虚拟技术的应用，职业院校只需要建立VR实训室即可，这种教学模式下的投入，与传统的实训教学投入相比，存在明显的优势。另外，VR实训室在进行维护的过程中，自身的成本也相对比较低，具有高效环保、可持续发展的优点[5]。

5  结束语

综上所述，基于当前机械制造专业人才培养中存在的问题，将虚拟技术应用到教学中，彻底转变了传统人才培养下存在的诸多弊端，并将其灵活运用到机械制造专业的教学中，最大限度提升了人才培养质量，使其更好地满足当前社会的人才需求。

参考文献：

[1]张小辉.结合虚拟仿真的实践教学体系改革研究[J].电子元器件与信息技术，2020，4（09）：167-168.

[2]张德秋，王晶彦，孟祥华，周宇，孙鹏.新工科背景下土木工程专业虚拟仿真实验教学研究[J].经济师，2020（08）：203-204.

[3]李晶，陳军.机械制造专业虚拟仿真教学环境建设与应用研究[J].数码世界，2020（07）：193.

[4]孙青锋.高职院校工业机器人技术专业虚拟仿真实验教学研究[J].吉林工程技术师范学院学报，2020，36（06）：74-76.

[5]崔光珍，肖艳秋，王才东，吴超.虚拟仿真教学在机械原理课程中的应用研究[J].中国现代教育装备，2019（21）：71-72.