VR技术在中职数控加工课程教学的应用

摘 要：随着现代科学技术的发展，VR技术（虚拟现实技术）在各领域的应用日益广泛。数控加工课程作为中职教育机械专业的重要课程，引入VR技术实施教学具有重要的现实意义。中职学校应结合本校实际，针对具体问题，借助VR技术开展数控加工课程教学，通过共享三维资源促进教学内容场景化、创新教学模式促使教学过程交互化、创设智能环境推动实训教学沉浸化、虚实评价结合构建量化评价体系等举措，有效提高数控加工课程教学质量。

关键词：VR技术；数控加工课程；中职学校

中图分类号：G63 文献标识码：A 文章编号：0450-9889（2024）17-0121-04

随着我国经济和科学技术的不断发展，我国制造业的技术水平在不断提高，就业市场对高端数控加工人才的需求量不断增加，同时对中职学校数控加工专业人才培养提出了更高的要求。《中国制造2025》中明确将数控机床与基础制造装备列为加快突破的战略必争领域，“十四五”规划纲要中也有关于高端数控机床产业创新发展的相关内容。但是就目前中职学校数控加工专业人才培养现状而言，专业课程教学仍普遍存在教学资源匮乏、实践操作危险系数较高、学生学习兴趣不足等问题。VR技术（虚拟现实技术）的出现，为中职学校改革数控加工课程教学、提升数控加工人才培养质量提供了一种全新的思路。本文将探讨VR技术在中职学校数控加工课程教学的应用，总结相关教学思路和经验。

一、VR技术在中职数控加工课程教学的应用价值

（一）有利于实现全息模拟课堂设计，为学生营造逼真的学习情境

传统的数控加工课程教学往往注重理论讲解，这种方式虽然能够让学生掌握一定的知识，但是由于教学内容、教学过程比较枯燥，难以激发学生的学习兴趣。而VR技术的引入，使教学变得更加生动有趣、更有活力，学生能在轻松愉快的氛围中学习。首先，VR技术可以创建沉浸式的学习情境，学生可以身临其境地进行实践操作，进而更加直观地理解数控加工的原理和操作方法。学生可以在虚拟的设备上进行实践操作，能收到与真实操作相近的学习效果，从而提高学习效率。这种身临其境的学习体验，让学生更容易理解和掌握复杂的数控加工知识［1］。其次，VR技术的引入能极大地激发学生的学习兴趣。在过去的课堂教学中，学生可能会对理论学习感到厌倦，而VR技术使教学变得有趣，学生愿意主动参与学习，容易产生持续的学习动力，进而提高学习效果。最后，VR技术还有助于培养学生的创新意识和实践能力。在VR教学情境中，学生可以自由探索和尝试不同的操作方法，不受现实条件的限制。这种方式有利于学生创新思维的发展，培养他们解决实际问题的能力。同时，VR技术还可以模拟一些复杂、高风险的实际操作，让学生在安全的环境中进行实践，有利于提高他们的实践能力。

（二）有利于对学生进行个性化教学，满足学生的不同学习需求

VR技术在教育领域的应用正逐渐改变传统的教学方式，为学生提供更加个性化、高效的学习指导。在数控加工课程教学中，VR技术以其独特的优势，成为教学改革的重要推力。首先，VR技术能够根据学生的学习进度、兴趣和能力，制订个性化的教学方案。在传统教学中，教师往往难以兼顾每名学生的需求，而VR技术可以根据学生实际情况，为他们量身定制学习计划。这样一来，学生能够有针对性地开展学习，提高学习效果。其次，在数控加工教学中，教师能够借助VR技术实现实时评估。通过VR设备，教师可以实时观察学生的操作情况，并对学生的操作进行实时评估。在此基础上，教师再为学生提供有针对性的指导，帮助学生纠正错误，提高操作技能。再次，VR技术可以根据学生的需求，动态调整教学内容的难易程度，这样一来，教学就会变得更加精准有效。最后，VR技术能够模拟复杂场景，让学生在安全的环境中进行实践操作，降低教学风险。值得一提的是，利用VR技术实施数控加工课程教学，不仅有助于提高教学质量，而且有助于培养学生的创新能力。在VR环境下进行实践操作，学生可以摆脱现实环境的限制，大胆尝试各种新的操作方法。

（三）有助于深挖课堂教学内涵，实现优质资源共享

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VR技术在教育领域的应用已经十分广泛，尤其是在理工科专业课程教学的应用更是普遍。VR技术为学生提供了丰富的教学资源，包括三维模型、Flash动画、视频等，使教学方式变得更加多元，数控加工原理和操作方法的学习也变得更加直观和有趣。首先，VR技术通过为学生创设身临其境的学习情境，帮助他们更好地理解数控加工原理。在传统的专业课教学中，学生往往是通过文字和图片理解抽象概念，而VR技术则让学生可以直接观察和操作虚拟数控设备，直观地了解加工过程和设备运行原理。这不仅有助于提高学生的学习兴趣，而且可以有效提升他们的理解能力和实践技能［2］。其次，VR技术能够为学生提供丰富的动画和视频资源，使教学变得更加生动有趣。这些多媒体资源可以帮助学生从不同角度和深度理解数控加工知识，有助于进一步提高教学质量。再次，VR技术可以根据学生的学习进度和需求，提供个性化的学习方案，从而实现因材施教。此外，VR技术在教育领域的应用还体现在远程教学和跨地域合作方面。借助VR技术，教师和学生可以突破时间和空间的限制，实现实时互动和交流。这对地处偏远、教育资源相对匮乏的学校来说，无疑是一种革命性的改变，那里的学生可以通过VR技术接触到更多的优质教育资源，有利于学生拓宽视野，提高素质。

（四）契合数控加工产业发展新方向，满足实训教学需求

数控加工是一种高度自动化的高科技生产，需要工作人员操作相关设备，因此在生产操作中存在一定的安全风险。尤其是在学生进行实际操作机床的过程中，由于学生对设备的不熟悉和操作经验不足，安全风险更高。在这种背景下，如何提高学生的操作技能，确保他们的人身安全，成了数控加工课程需要解决的问题。VR技术的引入有效解决了这一问题，在虚拟环境中，学生可以不受限制实践各种操作，因为学生无须直接进行机床操作，所以极大降低了实操中存在的安全风险。而且，这种身临其境的学习能让学生更容易掌握操作要领，提高他们的实操技能。此外，VR技术能够模拟各种突发情况，如设备故障、紧急停机等。学生在安全的环境中处理这些紧急情况，可以增强他们的应变能力和安全意识。在实际操作中，一旦遇到类似情况，学生能够迅速作出正确判断，采取有效措施，避免事故的发生。同时，VR技术还可以根据学生的实际操作情况进行实时反馈，帮助他们发现并改正错误。这种个性化教学方式有助于提高学生的学习效果，培养他们的自主学习能力。在虚拟环境中进行实践操作，学生能够在短时间内掌握复杂的操作技巧。

二、中职数控加工课程教学存在的问题

（一）资源比较匮乏，内容比较滞后

数控加工是中职学校的一个重要专业方向，事关国家制造业的发展和人才培养。2016年，教育部、人力资源社会保障部、工业和信息化部联合发布的《制造业人才发展规划指南》预测，到2025年，高端数据机床和机器人领域人才缺口将达到450万人，特别是随着智能制造产业的快速发展，高端数控人才的需求量必将变得更大。因此，中职学校作为培养、输出数控加工人才的重要“窗口”，要与时俱进，及时更新数控加工领域的教学设备和技术，确保学生能够学到最新的数控加工知识和技术［3］。但是在人才培养的过程中，部分中职学校由于资金短缺，教学资源较为匮乏，特别是一些高端数控装置比较短缺，如工业机器人、协作机器人等。教学资源比较匮乏，导致教学内容难以得到及时更新，这在很大程度上限制了学生的专业发展，导致学生在走上工作岗位后，难以适应岗位工作的需求，降低学生的就业竞争力。

（二）互动尚显不足，模式比较单一

传统的数控加工课程教学存在一定的局限性。在过去，教师是教学的主导者，学生处于被动接受知识的状态，课堂互动性较差，导致学生在专业学习过程中难以发挥主观能动性和创新能力，从而降低教学效果。另外，传统的教学通常包括理论讲解和实践操作，虽然这种方式有助于学生将理论知识与实际操作相结合，但相对单一的教学方式难以激发学生的学习兴趣和积极性，而且这种教学方式可能导致学生对数控加工的认识停留在表面，学生难以深入理解和运用数控加工技术。

（三）办学条件比较有限，教学脱离实际

数控加工课程教学需要使用一些加工设备，由于数控加工设备的价格普遍较高，这使得学校在购置设备时面临巨大的经济压力。考虑到部分学生对数控机床操作不熟练，在实训过程中可能会遇到撞刀、抢刀、弹刀、欠加工、过切等问题，这些问题轻则导致设备故障、材料损耗，重则损毁设备、威胁学生的人身安全。因此，出于安全考虑，降低上述问题出现的可能性，学校往往会严格控制设备使用次数，这无疑会减少学生实际操作机床的机会。长此以往，学生的理论学习与实践操作难以达到平衡，教学质量自然受到影响。另外，场地限制也是影响学生实践操作的一个重要因素。数控加工通常需要较大的场地，而且需要保持良好的通风、具有必要的防火设施。这对不少中职学校来说，很难同时满足这些教学需求。因此，学校往往会在特定时段安排学生进行实践操作，如此又会造成学生的实际操作机会和时间严重不足。由于实践经验不足，学生在面对复杂的加工任务时，容易发生操作失误，导致安全事故。

（四）评价存在失真，师资比较薄弱

当前，中职数控加工课程教学评价体系存在一定程度的失真。传统的评价过度依赖单一的考试成绩，而忽略了学生实践技能和创新能力的考核。这种评价方式可能导致学生过于重视理论知识学习，忽视实践操作训练，从而无法真正掌握数控加工的核心技能。此外，由于师资力量薄弱，中职学校数控加工课程的教学水平也难以提高。一方面，教师队伍中缺乏具备丰富实践经验和专业技能的人才，导致教学难以贴近实际；另一方面，教师忽略教学方法和手段的创新，难以激发学生的学习兴趣和积极性。

三、VR技术应用于中职数控加工课程的教学实践

（一）共享三维资源，教学内容场景化

VR技术在数控加工课程教学中的应用，为学生提供了更加丰富、真实的实践场景，让学生能够在安全的环境中完成各种复杂的数控加工操作、数控加工实践任务，促进学生数控编程和操作能力的提升。在此背景下，中职学校可依托VR技术，为学生配置多轴数控加工理实一体化综合实训平台、多轴数控加工虚拟仿真实训与考核系统、五轴数控加工VR操作与体验系统，通过各种教学软件、硬件的科学搭配，构建丰富的三维教学资源库，并将数控加工教学内容场景化，让学生在虚拟情境中经历数控加工的整个过程，从而有效激发学生的学习兴趣，帮助学生更好地理解和掌握数控加工知识和技能。在此基础上，中职学校应积极开发包括教学课件、微课视频、实训手册、二维码技能包等在内的多轴数控加工“1+X”初级、中级、高级课程资源包（如图1所示），为数控加工课程从理论、实训到考核的全过程教学提供有力支撑［4］。如，在“叶轮的铣削编程与仿真加工”这一项目的教学中，学生可以在NX10.0加工模块搭建的虚拟环境中进行五轴联动的开粗、精加工流道、叶片、根圆角等叶轮模块编程训练，这样学生能够更快、更牢固地掌握叶轮加工的关键技术和操作要领。

（二）创新教学方式，教学过程交互化

通过引入VR技术，中职数控加工课程教学可以实现教学过程的交互性，学生可以在虚拟环境中进行实际操作，有利于提高学生的操作技能。采取这种教学方式，学生不再是被动的知识接受者，而是学习的主动参与者。VR技术可以模拟各种实际操作场景，学生在虚拟环境中观察、学习机床操作的步骤和方法，有利于进一步提高他们的实践技能和应变能力。在此基础上，教师可以利用VR技术实时监控学生的操作过程，为学生提供及时的指导和建议，从而提高教学效果［5］。如，在“叶轮的铣削编程与仿真加工”这一项目的教学中，在学习本内容之前，学生已经学习机械制图、数控编程、加工中心实训等专业知识。在教学过程中，教师可在引导、帮助学生分析叶轮零件的产品结构与特征的基础上，借助VR技术模拟企业运作模式，将学生分为若干个项目小组，每个小组需要完成一个完整的叶轮零件的数控加工任务，包括编程、仿真和实际加工等。在这个过程中，学生可以充分利用VR技术进行虚拟操作，学习叶轮加工的每一个环节和流程，并在虚拟环境中及时纠正错误，提高操作精确度。

（三）创设智能教学环境，实训教学沉浸化

利用VR技术，中职学校可以创设智能教学环境，让实训教学更加直观，学生可以在虚拟的现实环境中全身心地投入数控加工实践，获得身临其境的操作体验。这种沉浸式教学方式有助于学生更好地理解和掌握数控加工技术，提高他们的实践操作能力。同时，智能教学环境还能够根据学生的实际操作情况进行智能反馈，帮助学生发现并改正错误，进一步增强他们的实践技能和安全意识。

以“叶轮的铣削编程与仿真加工”这一项目的教学为例，学生可以在虚拟环境中进行叶轮加工的实践操作。借助VR技术，教师可以实时模拟加工过程中的各种情况，如刀具的磨损、机床的震动等。这些是在实际操作中可能会遇到危险情况，通过VR技术的模拟，学生可以在实际操作之前就熟悉这些加工过程，确保学生在实操时安全操作。这不仅有助于提升学生的实践操作能力，而且有助于增强他们在面对突发状况时的应对能力。此外，VR技术还能够模拟出各种复杂的加工场景。在实际操作中，机床加工场景可能会因为各种因素变得复杂多变。通过VR技术的模拟，学生可以在虚拟环境中提前适应这些复杂场景，从而在实际操作中能够很好地应对。VR技术在教育领域的应用并不局限于实训教学，在理论教学方面，VR技术也可以发挥巨大的作用。例如，通过VR技术，学生可以身临其境地参观各种工厂、生产线，了解加工过程中的各种细节。这样一来，枯燥的理论知识变为生动形象的画面，学生的学习兴趣和学习效果自然得到提升。

（四）虚实评价结合，量化评价体系

VR技术在中职数控加工课程教学中的应用，能够有效调动学生的学习积极性，使学生的专业学习由被动变为主动。在专业课学习过程中，学生通过对薄弱环节与缺失知识点进行自主训练，能够有效锻炼自身的自主学习能力，提高自身的专业技能。针对传统教学中教学评价不够客观、科学、全面的问题，教师可以借助VR技术量化学生的数控加工学习过程，如在实训过程中学生对刀、车削材料、刀具、切削参数等选择不正确的情况，虚拟仿真平台能够实时记录并统计下来，为教学评价提供参考依据［6］。在此基础上，教师可结合虚拟仿真平台和学生的学习记录，对学生的学习过程进行评价，评价内容包括学生在虚拟环境中的训练次数、训练时长、训练成果等。通过对学生的学习过程进行量化评价，能够有效帮助学生发现自己在数控加工课程学习中存在的不足，从而有针对性地改进。

VR技术的应用不仅激发了学生的学习兴趣，提高了他们的实践操作能力，而且推动了教师队伍的专业化建设。近年来，笔者通过实践发现，利用VR技术开展数控加工课程教学，教学质量得到显著提高。然而，VR技术在推广过程中也面临一些挑战，如设备成本高、技术更新快等。因此，政府应在政策扶持、资金投入等方面给予中职学校足够的支持，确保中职学校能够紧跟时代步伐，为我国培养更多高素质的数控加工技术人才。中职学校也要积极探索VR技术在数控加工课教学中的应用，不断优化教学资源和教学模式；同时还要加强与企业的合作，及时了解企业需求，为学生提供更加符合实际岗位的课堂教学。

参考文献

［1］唐利平，刘海雄.数字化环境下VR/AR技术在数控加工实训教学中的深度融合［J］.南方农机，2020（4）：87-88.

［2］刘海雄，唐利平.VR/AR技术下的高职数控加工实训教学探讨［J］.内燃机与配件，2019（21）：269-270.

［3］张秀丹.VR技术在中职数控加工实训教学中的应用研究综述［J］.科技资讯，2019（32）：129-130.

［4］张良.VR技术在数控加工实训教学中的应用研究［J］.科技与创新，2019（2）：66-67.

［5］倪珉.基于VR/AR技术的数控加工实训教学需求与对策研究［J］.科技创新与生产力，2018（7）：112-114.

［6］张燕青.浅谈如何将数控加工仿真软件应用到数控加工教学中［J］.现代职业教育，2017（10）：125.

（责编 蒙秀溪）