虚拟仿真技术在金工实习教学中应用研究

陈鹏武

[摘           要]  现在社会正进入高速发展时代，各高校的金工实习设备升级，引进的先进制造设备数量少、价格昂贵，维修保养成本高，学生未能动手实践。金工实习上课内容比较抽象、枯燥，学生难以理解，兴趣不高，教学效果一般。虚拟仿真技术是一个时代新物，应用广泛，应用到金工实习中，将是一个新的教学方式，有效解决先进设备的问题和金工场地，同时可以弥补传统金工实习的不足。

[关    键   词]  金工实习;虚拟仿真技术;教学方式

[中图分类号]  G642                   [文献标志码]  A                   [文章编号]  2096-0603（2022）19-0122-03

虚拟仿真技术是一门科技含量较高的学科，依托计算机技术发展，交叉了多媒体技术、机械工程技术、人机接口技术、传感与测量技术、仿真与人工智能等多学科融合为一体，构建一个与现实相同的虚拟环境，沉浸式的体验，人机交流，与现实体验相同。越来越多高校的实训教学正在引入虚拟仿真教学平台。

虚拟仿真技术即虚拟现实技术（简称VR），在20世纪40年代被欧美国家发明，目前其核心技术掌握在发达国家，如美国、日本等。最先应用在军事领域，21世纪正是一个高速发展的科学技术时代，对人类影响发生极大的变化，人对生活、思想不断提高需求，虚拟仿真技术被应用到各个领域中，如医学的虚拟现实手术培训，汽车、船舶、飞机的虚拟现实驾驶，VR影视，VR游戏，虚拟仿真教学等。我们国家对虚拟仿真技术掌握相对薄弱，由于起步晚，教育部颁发《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》（教高司函[2013]94号），兴起大批学者对虚拟仿真技术进行研究。

一、金工实习的目的和现状

（一）金工实习教学目的

金工实习是一门以实践教学为主的公共基础课，是工科类学生在校期间不可缺少的实践教学环节，从前金工实习强调学生独立操作，把所学的理论知识与实践教学结合，从而培养学生的动手能力和掌握机械制造一般过程。随着社会科学技术不断更新，各高校已引进先进设备，现在金工实习演变为工程训练，注重培养学生的动手能力，同时也在培养和提高学生的工程素质、创新能力。它是高校对学生进行工程教育与培养的主要环节和内容，通过金工实习，学生初步掌握现代机加工的基本知识，对现代机加工建立生产概念，能够对简单零件作出初步工艺操作和分析。同时也是学生毕业前与社会无缝接轨的桥梁，培养学生热爱劳动、爱护设备、建立生产经济观，为其日后的机械制造类课程和从事机械工程类工作等打下良好的基础。

（二）金工实习的教学现状

大部高校的金工实习教学方式主要是利用多媒体或现场教學或两者结合。每个参加金工实习的学生都是初学者，对设备和操作都不熟，主要通过老师讲解来获取，内容比较抽象和枯燥，难以理解和掌握，教学效果一般，不利于学生实习，操作设备容易发生事故，如普通车床实训时，车床是开放性加工，初学者对设备不熟，容易发生刀架撞车床、断车刀等危险事故。

各高校随着社会的发展，更加重视金工实习的发展，加大资金投入，引进先进设备，实习场地扩大。由于高校的资金和场地有限，先进设备价格昂贵和维修保养贵，现如今的金工实习的设备特点是传统设备保有量大、老旧且占地面积大，先进设备少，更新缓慢。在实习先进设备时，老师讲解和操作，学生未能参与动手实践，不利于学生对现代机械制造的了解，学生兴趣不高，难以提高学生的工程素质和创新能力。如引进一台数控五轴铣床需要一百万元左右，学生是初学者，对设备操作不熟练，容易发生操作失误，从而撞坏主轴，维修费高达十几万元，高校一般只引进一两台，教师只能按教学要求带领实习。

二、国内外虚拟仿真实验教学情况

（一）国外建立虚拟仿真实验教学情况

国外掌握虚拟仿真的核心技术起源早，已在各个领域中得到广泛应用。虚拟仿真技术正引领各国对教育进行提升和改革，也是培养现代高质量人才的重要手段，备受各国重视。查资料了解到表1（见文末）是国外高校虚拟仿真教学的主要类别和基本形式。

（二）国内建立虚拟仿真实验教学情况

根据教育部颁布的《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》（教高司函[2013]94号文），我国组建大量专家学者对虚拟仿真技术进行研究，在教育部公布的数据中，了解到我国2017—2020年建立国家级虚拟仿真实验教学中心的情况如表2所示。

三、虚拟仿真技术融入金工实习教学的意义

虚拟仿真技术引入金工实习教学中，充分发挥作用、互相补充，给金工实习教学带来了一个全新教学方式，同时也解决了自身教学缺陷，利用虚拟仿真技术创造一个与现实有相同体验的“沉浸式”教学环境，立体感强，多角度学习，提高了学生兴趣与教学质量，解决原有教学上存在的诸多问题和不足。有效地解决高校金工实习发展需要的场地、设备数、师生比等问题，提高设备利用率，加大对学生开放，学生可以随时自主学习，更加充分地培养学生工程素质、创新能力、实践动手能力，提高人才培养质量与现代企业发展需求接轨。响应李克强总理提出的“中国制造2025”号召，为中国制造崛起提供高质量人才，使金工实习在未来发展更好、更远、可持续。

四、虚拟仿真技术引入金工实训教学中的优点

（一）改变教学方式

据了解大部高校的金工实习采用多媒体教学或现场教学或两者相结合的方式，上课内容比较抽象，学生兴趣不高，作为初学者，较难掌握和理解实习设备的工作原理，容易操作失误，对学生和设备安全存在较大危险。特别是现场教学，实质是传帮带式教学，十几个学生围绕一台设备，听指导老师讲解，靠后站的学生听不清，也看不见设备结构，教学效果一般。虚拟仿真技术可以有效地改变金工实习的教学方式，带来一次全新的教学改革，学生通过辅助工具，如眼镜、智能穿戴等，进入一个真实的教学环境中，沉浸式体验教学，全方位了解设备原理和操作，增强学生兴趣，提高信心，进一步提高教学效果。也利于安全教育开展，虽然老师上课时有讲解安全知识，但无法演示，学生难以理解，安全意识不强，易发生事故，利用虚拟仿真安全事故教学模块，学生能直观地体验安全事故的发生，从而提高学生的安全意识。以下是虚拟仿真技术融合金工实习后的教学流程图。

（二）加强考核，建立过程考核

我校的金工实习评分流程如下：20%平时成绩+60%考核（加工零件作业）+20%实习报告考核成绩。在车工实训时，两个学生共用一臺车床，十几台车床同时实训，教师很难辨别加工零件是否该学生独立完成的，记录不了每个学生的动手实践情况，考核有漏洞，部分学生可以趁机不动手实训，教学质量不高。特别是先进设备的实训更难给予考核，设备数量少，学生兴趣高，未能参与操作，会打击学生的积极性。在虚拟仿真系统中设置好相应的考核，学生进行沉浸式练习时，系统记录考核，教师清楚地看到每个学生操作，对学生进行过程考核，给教师提供考核依据，使考核更加公平透明化和量化，加强考核有利于提高教学质量。

（三）减少耗材，降低维护费

近几年国家提出青山绿水，资源越来越短缺，要节约能源，各高校也提倡绿色校园。金工实习前期，学生需要反复练习，消耗大量材料，才能掌握和操作设备，独立完成作业。在练习过程中，学生是初学者，不熟悉操作设备，容易对设备造成损坏，特别先进设备的价格昂贵、精度高，维修成本贵。虚拟仿真技术可以给金工实习提供一个无耗材、无设备被损坏、实训安全的真实教学环境，学生可以无限反复练习。

（四）提高近机类专业参与金工实习的教学质量

近机类专业参与金工实习的时间短，如我校的船舶与海洋工程、能源与动力工程、电气工程及自动化等近机类专业安排参与金工实习时间为1～2周。教学大纲要求实习项目多，包括先进智能制造、车钳焊、磨刨铣等项目，实训时间短，分到每个项目时间更少，导致整个实习过程是以教师为主导，学生认识实习为主，基本未能动手实践，其中焊工和钳工实训稍可以动手实践。对于近机类专业而言，学生片面了解金工实习，未能深入了解现代机械制造过程。虚拟仿真技术给近机类专业学生提供了一个仿真操作平台，金工实习后，仅需对学生提供开放时间，教师不用担心学生实习的安全，学生自主学习为主，深入了解金工实习，为其后面机械类相关课程和参加工作后与机械相关内容打下良好的基础。

（五）提高学生实习信心，减轻师生心理压力

在金工实习时，常会发生一些教学事故，特别是车工实训，一方面车床是开放性加工，学生是初学者，操作不熟练，安全意识不高，容易发生事故，常见铁屑飞溅、断车刀、撞车床等事故，部分学生遇事故，心理紧张，失去信心，不敢再次练习。另一方面是两位老师看管十几台车床实训，不能较好地照顾到每个学生，同时精神集中，时常担心学生会发生事故。虚拟仿真技术融入金工实习教学，学生可以在虚拟仿真平台先练习，通过考核，已经熟练操作，有一定的经验，再真实练习，老师少担心学生会发生事故，有利于提高学生的实习信心，减轻师生心理压力。

（六）以虚拟仿真技术为一种向导，将OBE理念融入金工实习教学中

OBE教育理论是“追求教育卓越的一个正确方向和值得借鉴的教育改革理念”，已得到全球公认。各高校正在推进OBE教育理论，是工程教育改革的正确方向。金工实习是一种工程教育过程，是不可缺少的教学环节。目前金工实习的教学方式以“传帮带式教学”为主，教师先示范教学，然后学生动手操作，这种模式是教师为主导，教师指定实习内容，学生按部就班，非常不利于培养学生的创新精神，教学效果差，学生兴趣不高，想学习的学生觉得时间和机会不够，不能自主发挥，学习热情受到限制。OBE教育理论核心观念以成果产出为目标、以学生为教学中心、不断持续保持高效这3个基本原则为主要标准，虚拟仿真金工实习教学理念与OBE教育理论比较相近，整个教学设计与教学实施都紧紧以学生为中心，促进学生达到学习成果，提供适合的教学环境，及时了解学生学什么和如何学（方式与策略），引导学生进行有效学习，通过考核体系，随时掌握学生的学习成效。

五、结语

综上所述，虚拟仿真技术引进金工实习教学有效地解决先进设备数量不足和金工实习设备场地占地面积大等问题。与传统的金工教学结合，可以弥补传统教学的缺点，教学效果明显提高和有利于提高教学质量。给金工实习带来一次全新升级和教学改革，使高校培养的人才与社会企业需求越来越接轨。

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◎编辑 张 慧