莊 忻

淺談虛擬技術(shù)在數(shù)控機(jī)床教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

莊 忻

福州市第一技工學(xué)校

虛擬技術(shù)在近幾年發(fā)展迅速，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及到了航空、教育和制造等許多行業(yè)。該文在介紹虛擬技術(shù)一般特性的基礎(chǔ)上，介紹了其在數(shù)控機(jī)床教學(xué)領(lǐng)域上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

虛擬技術(shù) 學(xué)科教育 數(shù)控機(jī)床

繼多媒體教學(xué)浪潮之后，教學(xué)技術(shù)領(lǐng)域又出現(xiàn)了一個(gè)新型教學(xué)媒體，它就是虛擬技術(shù)（Virtual Reality）。虛擬技術(shù)雖然早在1965年就被提出，但直到上世紀(jì)80年代和90年代才有所發(fā)展，所以它仍被認(rèn)為是一項(xiàng)新的技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是多媒體和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，為教育教學(xué)提供了現(xiàn)代化環(huán)境，虛擬技術(shù)才逐漸得以在教育領(lǐng)域獲得應(yīng)用，并對(duì)現(xiàn)代教育模式產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

1 虛擬技術(shù)及其特征

虛擬技術(shù)是利用三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)，生成三維逼真的虛擬環(huán)境，使客戶成為虛擬環(huán)境的一員，進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，感知和操作虛擬世界中的各種對(duì)象，從而獲得身臨其境的感受和體驗(yàn)。

虛擬技術(shù)的基本特征是沉浸性、交互性和想象性。沉浸性是指由計(jì)算機(jī)生成的逼真的三維立體圖像，使用戶產(chǎn)生一種身臨其境的感覺，如同在真實(shí)的客觀世界一樣。交互性是指用戶能夠自然地同虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互操作，從而感知和響應(yīng)虛擬環(huán)境。想象性是指虛擬環(huán)境向用戶提供了發(fā)揮想象力的機(jī)制，能夠啟發(fā)用戶的創(chuàng)造性思維，提高感性認(rèn)識(shí)和理性認(rèn)識(shí)。

由于虛擬技術(shù)具有可操作性、真實(shí)性、可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用在教育行業(yè)上為教育技術(shù)的發(fā)展提供了一個(gè)飛躍的平臺(tái)，它營(yíng)造了“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境，由傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式代之為學(xué)習(xí)者通過自身與信息環(huán)境的互動(dòng)來獲得知識(shí)和技能的新型學(xué)習(xí)方式。它已經(jīng)成為了當(dāng)今教育技術(shù)和計(jì)算機(jī)多媒體輔助教學(xué)的重要發(fā)展方向之一。

2 虛擬技術(shù)應(yīng)用在教育行業(yè)上的優(yōu)勢(shì)

2.1 虛擬教學(xué)上的優(yōu)勢(shì)

虛擬技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)上，一方面能使教學(xué)靈活方便，傳統(tǒng)教學(xué)中教師的任務(wù)繁重，尤其是在機(jī)械類課程教學(xué)過程中，常常被紛繁復(fù)雜的原理圖、機(jī)械圖的繪制折騰得焦頭爛額。虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)為教師提供教學(xué)所需的所有課件（原理闡述、原理圖、機(jī)械拆裝演示等），并可隨時(shí)自主進(jìn)行課件更新，無(wú)須再為復(fù)雜的教案而煩惱，為教師教學(xué)帶來了極大的方便。另一方面還能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以為學(xué)生提供一個(gè)生動(dòng)、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生成為虛擬環(huán)境的一名參與者，變被動(dòng)的傳授為主動(dòng)的交互學(xué)習(xí)，對(duì)調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，突破教學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的技能都將起到積極的作用。

2.2 虛擬實(shí)驗(yàn)操作上的優(yōu)勢(shì)

利用虛擬技術(shù)建立起來的各種虛擬實(shí)驗(yàn)室及各種虛擬機(jī)械拆裝實(shí)訓(xùn)平臺(tái)等其“設(shè)備”與“部件”根據(jù)實(shí)際使用設(shè)備（如數(shù)控機(jī)床）的3D模型制作而成，并可根據(jù)需要隨時(shí)生成新的設(shè)備。教學(xué)內(nèi)容還可以不斷更新，使實(shí)踐訓(xùn)練及時(shí)跟上技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)已從多方面證明了虛擬實(shí)驗(yàn)操作擁有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室難以比擬的優(yōu)勢(shì)：其一，規(guī)避了真實(shí)實(shí)驗(yàn)或操作所帶來的各種風(fēng)險(xiǎn)。利用虛擬技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，可以放心地去做各種危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)。例如，機(jī)械類產(chǎn)品的虛擬強(qiáng)電試驗(yàn)，可以有效避免強(qiáng)電流帶來的人身危險(xiǎn)。其二，減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備因誤操作而導(dǎo)致的磨損。虛擬技術(shù)很好地避免了實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作過程中因?qū)W生不熟悉操作流程或不了解機(jī)器構(gòu)造而導(dǎo)致誤操作，造成對(duì)機(jī)器設(shè)備的損害。其三，打破時(shí)間、空間的限制，學(xué)生可以隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。利用虛擬技術(shù)，學(xué)生只需打開電腦就可以獲得跟實(shí)際試驗(yàn)操作一樣的真實(shí)體驗(yàn)，并可以不厭其煩地反復(fù)練習(xí)，直至掌握操作技能為止，無(wú)需再為有限的實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作課程而苦惱。

3 虛擬技術(shù)在數(shù)控機(jī)床教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，社會(huì)各行業(yè)對(duì)制造業(yè)提出了更高的要求，數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)的核心技術(shù)，其技術(shù)的應(yīng)用水平將直接影響產(chǎn)品的加工水平。在現(xiàn)今數(shù)控技術(shù)人才極度匱乏的情況下，如何將最新、最實(shí)用的數(shù)控技術(shù)高效地傳授給數(shù)控技術(shù)學(xué)習(xí)者，是數(shù)控技術(shù)教學(xué)要著重考慮的問題。由于數(shù)控技術(shù)教學(xué)和培訓(xùn)都離不開數(shù)控機(jī)床，而數(shù)控機(jī)床本身價(jià)格比較昂貴，限制了學(xué)校的購(gòu)買能力。同時(shí)，隨著招生規(guī)模的不斷擴(kuò)大，使教學(xué)環(huán)境和教學(xué)資源不能滿足日益增長(zhǎng)的教學(xué)需求。虛擬技術(shù)的出現(xiàn)，為這些問題的解決提供了良好的手段。采用虛擬仿真技術(shù)來模擬實(shí)際的數(shù)控加工環(huán)境，可以讓學(xué)生盡快熟悉數(shù)控機(jī)床的操作方法和真實(shí)的加工過程。根據(jù)中職院校對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力要求高的特點(diǎn)，虛擬技術(shù)可以從以下幾個(gè)方面應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床教學(xué)上：

3.1 利用虛擬技術(shù)進(jìn)行數(shù)控機(jī)床、刀具等設(shè)備的立體演示

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，學(xué)生對(duì)數(shù)控機(jī)床、刀具等設(shè)備的感性認(rèn)識(shí)只有通過課本的平面圖形或者到現(xiàn)場(chǎng)觀察實(shí)際的教學(xué)設(shè)備來獲得。平面圖形限制了學(xué)生的空間想象力，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)又增加了學(xué)校的投入。采用虛擬現(xiàn)實(shí)，我們可以將實(shí)物虛化，如采用CATIA建立與各種設(shè)備相同的三維物體模型，并存放到虛擬教室里，我們只要進(jìn)入這個(gè)空間，就能隨時(shí)隨地地認(rèn)識(shí)這些設(shè)備，而且觀察到其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，輔助數(shù)控教學(xué)過程，增強(qiáng)教學(xué)效果。

3.2 利用虛擬技術(shù)進(jìn)行數(shù)控模擬加工和仿真教學(xué)

隨著虛擬技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了可以模擬實(shí)際數(shù)控機(jī)床加工環(huán)境及其工作狀態(tài)的計(jì)算機(jī)仿真加工系統(tǒng)。這就是某一特定數(shù)控系統(tǒng)借助計(jì)算機(jī)軟硬件的功能，通過用戶控制計(jì)算機(jī)的演示，分析數(shù)控加工從零件設(shè)計(jì)圖到動(dòng)態(tài)切削演示實(shí)現(xiàn)的全過程。仿真機(jī)床操作的整個(gè)過程包括：機(jī)床與數(shù)控系統(tǒng)的選擇、毛坯定義、工件裝夾、壓板安裝、安裝刀具、基準(zhǔn)對(duì)刀、機(jī)床手動(dòng)操作等內(nèi)容。虛擬數(shù)控加工仿真教學(xué)系統(tǒng)完全模擬真實(shí)零件的加工過程，可以檢驗(yàn)各種數(shù)控指令是否正確，能提供與真實(shí)機(jī)床完全相同的操作面板，其調(diào)試、編輯、修改和跟蹤執(zhí)行等功能也一應(yīng)俱全。學(xué)習(xí)者可身臨其境地操作各類數(shù)控加工設(shè)備，能有充分的機(jī)會(huì)去練習(xí)數(shù)控加工中的常用操作，如基本運(yùn)行方式的選擇操作、對(duì)刀操作、刀具補(bǔ)償量的確定及輸入輸出操作和程序的編輯修改操作等。解決了初學(xué)數(shù)控技術(shù)者需要的大量機(jī)床操作練習(xí)，提高了機(jī)床操作訓(xùn)練的時(shí)間。把數(shù)控加工仿真教學(xué)系統(tǒng)引入到教學(xué)之中，這樣既可以避免因誤操作造成價(jià)格昂貴的機(jī)床的損壞，又可以使操作人員在對(duì)仿真數(shù)控機(jī)床操作過程中產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)感和真實(shí)感。同時(shí)由于其成本較低，可以大量地配置終端，徹底解決了數(shù)控機(jī)床數(shù)量不足的難題，使每位學(xué)生都能夠有足夠多的實(shí)踐機(jī)會(huì)，從而為數(shù)控機(jī)床教學(xué)提供良好的教育平臺(tái)。

3.3 利用虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床維修人才的培養(yǎng)

數(shù)控機(jī)床的大量使用，帶來了生產(chǎn)效率的提高，同時(shí)也帶來了機(jī)床的故障維修問題。為了保證教學(xué)和生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，機(jī)床故障維修技術(shù)的培養(yǎng)必不可少。由于數(shù)控機(jī)床設(shè)備大多昂貴，將新設(shè)備給用戶拆裝來獲得維修的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不大現(xiàn)實(shí)。利用虛擬技術(shù)可以建立數(shù)控機(jī)床培訓(xùn)操作平臺(tái)來達(dá)到培養(yǎng)數(shù)控機(jī)床維修、維護(hù)人才的需要，比如廈門創(chuàng)壹軟件有限公司開發(fā)的創(chuàng)壹虛擬數(shù)控機(jī)床培訓(xùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作數(shù)控機(jī)床主機(jī)及其部件，并具有逼真3D互動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)、3D動(dòng)畫演示與相關(guān)原理文字自動(dòng)同步顯示、3D數(shù)控機(jī)床模型或其部件模型任意方向旋轉(zhuǎn)及視點(diǎn)變換等功能。能夠?qū)崿F(xiàn)大量并行用戶快速下載及構(gòu)建渲染動(dòng)態(tài)3D場(chǎng)景，確保用戶與3D場(chǎng)景互動(dòng)的即時(shí)性，所有部件都可360度全方位觀看，具有直觀立體，真實(shí)互動(dòng)的效果。

該系統(tǒng)充分利用三維技術(shù)與圖片文字相結(jié)合，不僅對(duì)整機(jī)進(jìn)行解析，還可對(duì)具體部件進(jìn)行拆卸與安裝，并對(duì)所有的電路進(jìn)行仿真模擬，全方位地讓學(xué)員了解并掌握數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)及原理。同時(shí)用戶不僅可以動(dòng)手對(duì)機(jī)床進(jìn)行虛擬仿真操作，了解機(jī)床每個(gè)細(xì)節(jié)，熟悉機(jī)床工作原理，而且還可以進(jìn)入“虛擬故障模擬系統(tǒng)”進(jìn)行多種情況下不同部件的機(jī)械及電路故障排除模擬操作，從而能夠積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

4 虛擬技術(shù)在教學(xué)應(yīng)用中存在的問題及展望

可以預(yù)測(cè)，虛擬技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域上的優(yōu)勢(shì)，將使其日益廣泛地被應(yīng)用于各學(xué)科的教學(xué)。但目前的虛擬技術(shù)仍存在一定的問題，主要表現(xiàn)在兩方面：一個(gè)是虛擬現(xiàn)實(shí)與真實(shí)環(huán)境之間的差異。學(xué)生在虛擬環(huán)境中學(xué)習(xí)，雖然可以有身臨其境的感受，獲得操作上的真實(shí)體驗(yàn)，但畢竟與在真實(shí)環(huán)境里訓(xùn)練有區(qū)別，所以在教學(xué)思想上要指導(dǎo)學(xué)生明白真正動(dòng)手操作機(jī)器的效果要強(qiáng)于任何媒體教學(xué)。因此，虛擬技術(shù)不能完全替代具體真實(shí)的操作，它只能起到輔助教學(xué)，增強(qiáng)理解的作用。另一個(gè)是虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)成本還有待降低。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用的相關(guān)設(shè)備價(jià)格也比較昂貴，且這些設(shè)備局限性大，需要進(jìn)一步發(fā)展其結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)，使其輕巧化而降低成本，才能更有利于推廣應(yīng)用。

虛擬技術(shù)作為新型的教學(xué)媒體，應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床教學(xué)上，使得教學(xué)過程生動(dòng)、形象，有助于加深學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和感知水平；有助于提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力；有助于促進(jìn)數(shù)字化校園的建設(shè)。21世紀(jì)是虛擬技術(shù)更加成熟的時(shí)代，這種新的教學(xué)媒體最終將在現(xiàn)代教育領(lǐng)域中發(fā)揮其重要作用。

[1] 劉振華.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用研究[J].濱州職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2006,3(3):38.

[2] 王志堅(jiān).基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的現(xiàn)代教育探索[J].現(xiàn)代企業(yè)教育,2008,(24):194-195.

[3] 黃明吉.虛擬數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.