中職數(shù)控專業(yè)實施虛擬仿真教學的對策

摘要：中職數(shù)控專業(yè)運用虛擬仿真技術開展實訓教學，能夠讓學生深入理解和掌握數(shù)控機床的操作知識，可有效鍛煉學生的實踐操作能力，提高學生的學習效率。梧州岑溪市中等專業(yè)學校數(shù)控專業(yè)教學存在資源不足、方法單一等問題，為此該校構建“雙環(huán)四步、虛實交融”虛擬仿真教學模式，通過科學設定教學內(nèi)容、教學目標和教學重難點，以及科學施教等對策，提高數(shù)控專業(yè)虛擬仿真教學質量，培養(yǎng)高素質的技能人才。關鍵詞：虛擬仿真；數(shù)控專業(yè)；實訓教學；中職學校近年來，社會對數(shù)控專業(yè)人才的需求越來越旺盛，在此背景下，各中職學校不斷加大數(shù)控專業(yè)人才的培養(yǎng)力度。但是，對學習基礎、學習能力相對薄弱的中職生而言，學習數(shù)控專業(yè)存在較大的難度：一是理論學習要求高。數(shù)控專業(yè)包括機械設計、計算機科學等多個領域的理論知識，內(nèi)容繁雜，要求高，中職生的學習基礎較弱，難以理解和掌握數(shù)控專業(yè)的相關理論知識。二是實踐技能要求高。數(shù)控專業(yè)的實踐操作需要掌握機床操作、編程等技能，要求中職生具備很強的動手能力，這對不少中職生而言具有較高的學習難度。三是知識更新快。數(shù)控技術更新?lián)Q代快，需學生不斷學習新的知識和技能，對中職生的學習能力和適應能力均有較高要求。四是學習方法欠科學。部分中職生沒有制訂合乎自己的計劃，也沒有找到科學的學習方法，這就使得學習效果并不理想。五是學習興趣不高。由于數(shù)控專業(yè)涉及的知識面廣，知識內(nèi)容枯燥，部分中職生對學習數(shù)控專業(yè)的興趣不高，影響了學習效果［1］。虛擬仿真技術是一種通過計算機模擬真實環(huán)境的技術，利用該技術可以創(chuàng)建一個與現(xiàn)實相似的虛擬環(huán)境，讓學生在這個環(huán)境中進行實踐操作，從而達到預期的學習目標。虛擬仿真技術用于數(shù)控專業(yè)教學具有以下四個方面的積極作用：一是減少學生學習理論知識的依賴。運用虛擬仿真教學，學生不用過于依賴教材和教師，通過仿真講解就可以達到較好的學習效果。二是提升了學生的實操技能，提高了學生數(shù)控加工的效果。虛擬仿真技術可以提供一個與真實平臺類似的實操平臺，促進學生更好地進行實踐操作，提高了學習效果。三是拓寬了學生的專業(yè)知識面，提高了學生的創(chuàng)新能力。通過運用數(shù)控虛擬仿真軟件進行教學，學生能夠在生動逼真的數(shù)控操作平臺上學習，變被動接受為主動學習，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新意識。四是提高了學習效率。虛擬仿真技術可以讓學生反復實踐操作，不受時間和地點限制，不用考慮資源成本，提高了學習效率。五是提高了學生的實操安全系數(shù)，減少數(shù)控機床設備發(fā)生故障的次數(shù)。在數(shù)控加工專業(yè)課教學中運用虛擬仿真技術，避免了學生在剛學習實操時因操作不熟練而容易出現(xiàn)失誤，進而出現(xiàn)人身安全和損壞機床設備等問題，提高了學生實訓過程中的安全性。六是提高了學生的學習興趣。虛擬仿真系統(tǒng)有充足的教學資源和形象的教學內(nèi)容，能有效激發(fā)學生的學習主動性。下文，筆者將以梧州岑溪市中等專業(yè)學校（以下簡稱我校）數(shù)控專業(yè)為例，具體分析該專業(yè)教學存在的突出問題，提出實施虛擬仿真教學的措施，并以數(shù)控車加工小葫蘆實訓教學為例，具體論述虛擬仿真技術在專業(yè)教學中的應用。一、我校數(shù)控專業(yè)教學存在的問題（一）實訓硬件資源不足，實訓教學資源消耗大、成本高制造行業(yè)需要的是水平高、技能硬的技術型人才，這就要求數(shù)控專業(yè)培養(yǎng)的學生具備豐富的理論知識和過硬的實操能力。但在實際中，由于數(shù)控機床設備價格較高，所以有部分中職學校的實訓設備在數(shù)量上不能滿足學生的學習需求。如，我校目前機械類專業(yè)有13個班共574名學生，現(xiàn)有數(shù)控車床僅4臺、數(shù)控銑床僅3臺。過去上實訓課，往往是10余名學生共用1臺數(shù)控機床，導致有不少學生只能觀摩不能真正動手實操，實訓教學人均操作時間很少，學生缺乏充足的實訓機會。而且數(shù)控機床是高功率設備，用電多，消耗大，設備維修成本高，一般學校難以承受這么大的投入。導致這些問題的原因主要有以下兩個方面：一是我校缺乏實訓條件，數(shù)控專業(yè)實訓設備投入巨大。由于數(shù)控器材價格高，且我校是縣級中職學校，經(jīng)費有限，資金比較匱乏，致使數(shù)控實訓設備緊缺，數(shù)控車床、數(shù)控銑床等的擁有量均不能滿足開展數(shù)控實訓教學的需求。二是學?，F(xiàn)有的數(shù)控機床已經(jīng)陳舊，而且使用次數(shù)多，設備經(jīng)常出現(xiàn)各種故障，由于維修費用較高，個別機床損壞后難以得到及時維修與更新，因此設備常常會閑置或無法使用，這給數(shù)控專業(yè)實訓教學造成一定的困難。（二）專業(yè)教學方法比較單一數(shù)控專業(yè)實訓教學的關鍵在于讓中職生掌握更多實踐技能，而在實際教學過程中，很多教師主要采用“講授式”教學方法，也就是“理論講授+實操訓練+頂崗實習”的教學方法，且在前兩個環(huán)節(jié)中以教師講授為主，這容易導致數(shù)控專業(yè)理論知識和實踐操作脫節(jié)，學生在學習理論知識時很少有機會參加實踐。而且，這樣的教學方法還存在理論學習和實訓相隔時間太長的問題，這就導致不少學生難以做到學以致用，學生的動手能力不強。因為實踐能力得不到真正提高，缺乏實踐和創(chuàng)新的機會，所以很多學生提不起學習興趣，學習效果不佳。導致這些問題的原因主要有以下三個方面：一是教師的教學觀念比較落后，缺乏創(chuàng)新意識。二是我校的教學資源有限，無法提供足夠的實訓設備，教師的教學過于注重理論而忽略實訓教學，理論與實踐脫節(jié)。三是教師的教學理念比較主觀和片面。有些理論課教師在兼任實訓教學過程中受自身思維方式的限制和主觀意愿的影響，存在偏重理論、輕視實訓的現(xiàn)象［2］。（三）不同的數(shù)控機床系統(tǒng)給教學增加難度隨著數(shù)控機床技術發(fā)展，數(shù)控機床的系統(tǒng)和種類不斷更新，因此要求中職生掌握多種數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機床的操作技能，在一定程度上增加了學習的難度。另外，由于教學資源分配和教學成本等原因，中職學校不可能擁有全部的不同類型的數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機床，這也給數(shù)控專業(yè)實訓教學增加了難度。目前，我校有華中系統(tǒng)的數(shù)控車床2臺、法蘭克系統(tǒng)的數(shù)控車床2臺，有法蘭克系統(tǒng)的數(shù)控銑床3臺。鑒于兩個系統(tǒng)的編程不同和操作面板不同，學生要學習兩個系統(tǒng)，這增加了教師的教學工作量和學生的學習難度。導致這些問題的原因主要有以下兩個：一是各級技能大賽采用的數(shù)控機床的系統(tǒng)不同。如，2023年梧州市技能大賽數(shù)控比賽使用的是華中系統(tǒng)的數(shù)控車床，而自治區(qū)級技能大賽使用的是法蘭克系統(tǒng)的數(shù)控車床。二是各個企業(yè)所使用的數(shù)控系統(tǒng)不同，這就要求學生熟悉不同的數(shù)控系統(tǒng)，以適應企業(yè)的需求。二、構建“雙環(huán)四步、虛實交融”的數(shù)控加工虛擬仿真實訓教學模式針對數(shù)控加工實訓教學存在的實訓設備少、數(shù)控系統(tǒng)型號多和教學方法陳舊等問題，我校經(jīng)過不斷的實踐探索，構建了一個具有本校特色的“雙環(huán)四步、虛實交融”的數(shù)控加工虛擬仿真實訓教學模式（如圖1所示）。（一）“雙環(huán)四步、虛實交融”教學模式的內(nèi)涵“雙環(huán)四步、虛實交融”教學模式主要包含“雙環(huán)”和“四步”兩個方面的內(nèi)容。其中，“雙環(huán)”是指數(shù)控加工實訓教學有虛擬仿真練習和實際操作練習兩個環(huán)節(jié)。每一個數(shù)控加工實訓項目都要針對不同的數(shù)控系統(tǒng)和實訓內(nèi)容進入虛擬仿真練習環(huán)節(jié)，只有當學生在虛擬仿真練習操作達到純熟、檢查無誤的程度后，再安排學生進入實際操作練習環(huán)節(jié)，從而達到減少學生對實訓設備的依賴、提高實訓效率和實訓教學質量等目的。“四步”是指設計、實施、檢查、評價四個步驟，上述“雙環(huán)”的每一個環(huán)節(jié)都包括這四個步驟。在進入虛擬仿真環(huán)節(jié)前，教師根據(jù)企業(yè)崗位工作和教學要求分解教學任務，設計教學內(nèi)容，然后發(fā)布給學生。學生根據(jù)教學任務要求，在虛擬仿真系統(tǒng)中進行模擬訓練，直到任務訓練無誤、操作得當、動作純熟后，再請示教師進行考核檢查。在學生進行仿真訓練過程中，教師對每一名學生進行考核評價，如果發(fā)現(xiàn)學生仍然達不到實操訓練要求，則讓學生回到第一步重新領取任務，在虛擬仿真實訓環(huán)節(jié)內(nèi)不斷訓練，如此循環(huán)，直到通過仿真訓練考核評價并認定已經(jīng)達到了實操訓練要求，再安排學生進入實操練習環(huán)節(jié)。在實操訓練環(huán)節(jié)，教師設計相關的實操練習任務，學生領取實操練習任務后進行實操練習，完成訓練內(nèi)容或加工出樣品后，再申請實操教師進行檢查。經(jīng)實操教師評價，如果認定實操練習不合格，但不合格的情況比較輕微，學生可以回到實操練習的第一步，領取任務再做；如果不合格的情況比較嚴重，學生則重新回到虛擬仿真練習環(huán)節(jié)，直至完成實操練習任務為止；如果實操練習合格，學生就完成本任務實訓，可以領取下一個實訓任務。（二）“雙環(huán)四步、虛實交融”教學模式的實踐意義一是有利于節(jié)約教學成本，減少機床設備和其他耗材的投入。為了有效開展數(shù)控加工實訓教學，我校運用“CAXA數(shù)控車+斯沃”虛擬仿真軟件進行教學，這兩個虛擬仿真軟件都可以免費下載安裝使用。加上原有的CAD/CAM實訓室，我?，F(xiàn)有的虛擬仿真實訓室能同時滿足54人進行數(shù)控車、數(shù)控銑、數(shù)控加工等內(nèi)容的實訓教學。虛擬仿真軟件的引入，減少了我校在購買昂貴設備上的投入，減少了刀具等耗材的損耗，大大節(jié)約了教學成本，同時也滿足了專業(yè)教學的基本需求。二是有利于循序漸進地提高學生的專業(yè)技能，引導學生牢固樹立操作安全意識。在引入虛擬仿真教學軟件之前，我校教師往往是按小組、分批次進行數(shù)控車床操作方法的講解，10余人為一個批次。但是，據(jù)筆者觀察發(fā)現(xiàn)，由于每一批次的人數(shù)較多，總有某些學生因種種原因難以看到教師的操作示范，嚴重影響教學效果。此外，在學生自主練習階段，由于這部分學生或不懂或似懂非懂就很容易造成撞機、損壞刀具等情況，甚至出現(xiàn)學生不按規(guī)程操作，導致機床撞機或是刀具、工件飛出傷人。采用虛擬仿真軟件教學后，相當于每名學生有了一臺虛擬數(shù)控機床，可以確保學生實操時的安全。教師用屏幕廣播講解，保證學生人人都看得見、聽得到，學生也有了足夠的練習時間。如果出現(xiàn)失誤操作造成“撞機”，學生就能聽到虛擬仿真軟件發(fā)出的撞機噪聲，從而引起學生的重視，及時改正錯誤，總結經(jīng)驗。三是提高了加工程序的糾錯效率。虛擬仿真軟件具備程序糾錯功能，學生在計算機上編寫數(shù)控加工程序后，直接導入斯沃數(shù)控仿真系統(tǒng)進行模擬加工。如果程序有問題，系統(tǒng)就會報警顯示具體哪個部分出現(xiàn)錯誤，只有更正程序后，系統(tǒng)才會進行后續(xù)仿真加工演示。這樣有利于學生的學習和思考，節(jié)約糾錯時間，效率高，針對性強。（三）數(shù)控專業(yè)虛擬仿真實訓教學的主要內(nèi)容1.基于UGNX軟件的集成仿真驗證模塊的仿真教學UGNX軟件是一款廣泛用于機械設計制造領域的CAD/CAM軟件，它具有強大的虛擬仿真功能。在數(shù)控加工虛擬仿真實訓教學中，教師可以采用UGNX軟件的集成仿真驗證模塊，對數(shù)控加工過程進行全面模擬和分析。具體來說，該模塊包括以下三個方面的教學：①機床運動學模型仿真。通過對數(shù)控機床的運動學模型進行建模和虛擬仿真［3］，預測機床在加工過程中的運動軌跡和速度變化情況，為學生提供更加直觀的教學過程。②刀具路徑仿真。通過對數(shù)控加工程序中的刀具路徑進行分析和虛擬仿真，預測刀具在加工過程中的位置和姿態(tài)變化情況，讓學生更好地理解數(shù)控加工的原理和技術。③材料去除過程仿真。通過對數(shù)控加工過程中的材料去除過程進行建模和虛擬仿真［4］，預測工件表面的質量和形狀變化情況，為學生提供更全面的教學指導。2.基于鳳凰創(chuàng)壹數(shù)控專業(yè)虛擬仿真教學實訓系統(tǒng)的練習鳳凰創(chuàng)壹數(shù)控專業(yè)虛擬仿真教學實訓系統(tǒng)，是一款專門為數(shù)控機床專業(yè)教學設計的虛擬仿真系統(tǒng)，學生在虛擬仿真的環(huán)境中深入學習數(shù)控機床設備的各種型號、類型，并模擬操作數(shù)控機床進行加工工作。該系統(tǒng)在數(shù)控機床專業(yè)教學中有著舉足輕重的地位，它利用虛擬仿真技術模擬數(shù)控機床設備的加工環(huán)境和加工狀態(tài)，讓學生能看、能聽、能學、能操作。該教學模塊有以下三個優(yōu)點：①擁有豐富的數(shù)控機床模型庫。該系統(tǒng)內(nèi)置了多種型號、類型的數(shù)控機床模型，為學生提供更加真實的實踐學習環(huán)境。②靈活的操作界面。該系統(tǒng)采用直觀、易懂的操作界面，學生能夠快速上手并進行實踐操作。③全面的教學內(nèi)容。該系統(tǒng)涵蓋了數(shù)控加工各個方面的內(nèi)容，包括編程、工藝規(guī)劃、刀具選擇等，為學生提供全面的學習資源。3.基于斯沃數(shù)控仿真軟件的加工過程模擬練習加工過程仿真是一種有效的數(shù)控虛擬仿真教學方法，其通過將虛擬仿真技術與數(shù)控加工實踐教學相結合，能夠提高學生的實操能力和技術水平［5］。加工過程仿真在現(xiàn)代制造業(yè)中具有至關重要的作用。首先，有助于優(yōu)化切削參數(shù)，提高加工效率。通過模擬加工過程，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有軌跡中存在的問題和參數(shù)設置出現(xiàn)錯誤的部分，對切削參數(shù)進行修正。其次，有助于在加工過程中，根據(jù)刀具磨損的程度，預測加工精度和工件的表面完整性。仿真模擬可以提前預測刀具的磨損情況，避免因刀具磨損導致的加工誤差。綜上所述，數(shù)控虛擬仿真教學是一種非常有效的教學方法，它可以為學生提供一個安全、高效和經(jīng)濟的實踐環(huán)境，幫助學生更好地掌握數(shù)控加工的知識和技能。下面，筆者運用此方法實施數(shù)控加工實訓教學。三、虛擬仿真技術在數(shù)控加工實訓教學中的應用（一）科學設定教學內(nèi)容、教學目標和教學重難點本文以數(shù)控車加工小葫蘆實訓教學為例，具體論述虛擬仿真技術在數(shù)控專業(yè)實訓教學中的應用。筆者明確了本次實訓課程的教學內(nèi)容、教學目標、教學重點、教學難點及開展虛擬仿真教學的優(yōu)勢。首先，筆者明確教學內(nèi)容有以下四個方面：①數(shù)控編程基礎，學習數(shù)控編程語言的基本語法、常用指令和編程方法，掌握數(shù)控編程的基本技巧；②數(shù)控車削工藝，學習數(shù)控車削的工藝特點、切削參數(shù)的選擇、刀具的選擇和裝夾方法等；③虛擬仿真練習，學習電腦繪圖，自動生成程序，然后進行虛擬仿真練習；④數(shù)控車削實例，通過實際操作，進行小葫蘆零件的數(shù)控車削加工，過程包括零件的尺寸測量、刀具的選擇和裝夾、程序編寫、加工過程控制等。其次，筆者設定以下三個方面的教學目標：①知識目標，使學生掌握數(shù)控車床的基本知識和技能，熟悉數(shù)控車削的工藝特點和編程方法；②技能目標，培養(yǎng)學生具備獨立完成數(shù)控車削加工的能力，能夠根據(jù)零件圖紙編寫數(shù)控程序，能夠使用虛擬仿真軟件驗證數(shù)控程序是否正確，并熟練操作數(shù)控車床進行加工；③素養(yǎng)目標，培養(yǎng)學生良好的職業(yè)道德和職業(yè)素養(yǎng)，團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新意識。最后，筆者設定以下教學重點和難點：①教學重點，數(shù)控編程基礎主要學習數(shù)控編程語言的基本語法、常用指令和編程方法，掌握數(shù)控編程的基本技巧；虛擬仿真練習，主要學習電腦繪圖，自動生成程序，虛擬仿真練習；數(shù)控車削實例，主要通過實際操作，加工完成小葫蘆零件。②教學難點，關于數(shù)控編程基礎，學生需要掌握一定的數(shù)學和計算機知識，才能更好地理解和掌握數(shù)控編程；關于數(shù)控車削工藝，主要涉及多種切削參數(shù)的選擇和刀具的裝夾方法，學生要在實踐中不斷摸索和總結。（二）運用虛擬仿真技術科學實施數(shù)控車削實訓教學首先，筆者引導學生學習數(shù)控編程語言的基本語法、常用指令和編程方法，熟練數(shù)控編程的基礎技巧。然后，筆者指導學生運用CAXA數(shù)控車軟件設計小葫蘆的CAD造型；按照給定的任務圖紙，引領學生應用CAXA數(shù)控車軟件正確繪制小葫蘆2D模型。由于學生已有CAD軟件繪圖基礎，該過程學生能快速完成。接著，筆者向學生講解各項加工參數(shù)的含義與正確設置，細致講解各項加工參數(shù)一般設定值，如刀具設置、切削用量選擇、進退刀方式確定等。隨后，筆者要求學生進行以下實踐：①進行刀軌生成與優(yōu)化，讓學生了解加工輪廓、毛坯輪廓、進退刀點的選擇，生成刀軌并進行分析，然后優(yōu)化刀軌，提高加工效率。②進行動態(tài)加工軌跡仿真，即讓學生在CAXA數(shù)控車軟件進行動態(tài)加工軌跡仿真。③程序后置處理設置，讓學生把刀軌生成G代碼。④程序傳輸與模擬仿真加工，讓學生把生成的G代碼傳輸至斯沃Fanuc數(shù)控仿真系統(tǒng)進行模擬實體加工。若學生的加工程序有誤，在模擬仿真加工中系統(tǒng)就會發(fā)出報警提示，便于學生及時進行程序的修正。若學生編輯的加工程序正確，學生就能看到一個自己獨立完成模擬加工得出的小葫蘆模型，進一步增強學生的自信心，也為后續(xù)數(shù)控車削實踐奠定了堅實的基礎。其次，在學生完成虛擬仿真練習后，筆者指導學生進行實訓加工。數(shù)控加工仿真軟件只能起到模仿加工過程的作用，但不是真正的加工過