裴杰

摘要：數(shù)控的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，在各領(lǐng)域里都可見到相關(guān)研究與應(yīng)用[1]，運(yùn)用數(shù)控應(yīng)用技術(shù)所營造的教學(xué)環(huán)境更是能夠逼真的呈現(xiàn)出教學(xué)者所欲傳達(dá)的知識(shí)。本文針對(duì)數(shù)控工具機(jī)的模擬，應(yīng)用虛擬實(shí)境技術(shù)，結(jié)合數(shù)控程序解譯模塊完成程控模擬，探討全國高職技能大賽對(duì)數(shù)控設(shè)備應(yīng)用與維護(hù)專業(yè)的教學(xué)改革的影響。由于數(shù)控機(jī)具昂貴，國內(nèi)的教學(xué)單位普遍有設(shè)備不足的問題，結(jié)果顯示，本研究所開發(fā)的虛擬工具機(jī)可作為數(shù)值控制課程的教學(xué)輔助工具，虛擬工具機(jī)的應(yīng)用對(duì)于數(shù)控教學(xué)提供了另一個(gè)思考的方向。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)控工具機(jī)、技能大賽、教學(xué)輔助

中圖分類號(hào) ： G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）10（A）-0000-00

由于數(shù)控應(yīng)用技術(shù)日趨成熟，數(shù)位化學(xué)習(xí)、數(shù)位化訓(xùn)練的概念，已經(jīng)是未來教學(xué)模式的發(fā)展方向，加上網(wǎng)際網(wǎng)路的普及，藉由不受時(shí)間與空間限制的特點(diǎn)，可達(dá)到時(shí)時(shí)學(xué)習(xí)、處處教室的數(shù)位化網(wǎng)路學(xué)習(xí)環(huán)境，而數(shù)位教學(xué)內(nèi)容又以交互式的引導(dǎo)學(xué)習(xí)方式較具吸引力，也能發(fā)揮更佳的教學(xué)效果，更能顯現(xiàn)出虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)。本文使用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件配合程序語言，將虛擬工具機(jī)的控制器以獨(dú)立模塊開發(fā)，如同真實(shí)工具機(jī)與控制器之間的關(guān)系，在數(shù)控工具機(jī)教學(xué)應(yīng)用上，虛擬工具機(jī)可輔助數(shù)控理論與程序的教學(xué)，并且可以達(dá)到一人一機(jī)的操作，使學(xué)習(xí)成效提升，此外也沒有機(jī)臺(tái)損壞與人員安全的疑慮，是一極佳的教學(xué)輔助工具。

1技能競(jìng)賽的學(xué)理基礎(chǔ)與意義

1.1教育學(xué)基礎(chǔ)

教育是受教者透過系統(tǒng)化的學(xué)習(xí)，以獲得知識(shí)及能力的歷程，在人的成長過程中每一階段都有其既定的教育目標(biāo)。而技能競(jìng)賽正是基于對(duì)參賽者預(yù)先設(shè)定其所要達(dá)到的教育目標(biāo)，同時(shí)各職類的內(nèi)涵可由認(rèn)知與技能兩個(gè)方面來探討。

1.1.1認(rèn)知領(lǐng)域

認(rèn)知領(lǐng)域的教學(xué)目標(biāo)是指有關(guān)知識(shí)或認(rèn)知能力方面的學(xué)習(xí)結(jié)果[2]。依據(jù)認(rèn)知能力發(fā)展的程序和學(xué)習(xí)的復(fù)雜程度來分，認(rèn)知領(lǐng)域的目標(biāo)依序可以分成下列六個(gè)階層：

（1）知識(shí)：指最低層次的認(rèn)知能力，包括：名詞、事實(shí)、定理和原理原則等的記憶。

（2）理解：指能夠掌握所學(xué)過的知識(shí)或概念意義的能力。

（3）應(yīng)用：指將所學(xué)到的方法、原理原則、概念等，應(yīng)用到新情境，解決新問題的能力。

（4）分析：指將所學(xué)到的概念或原理，分析成各個(gè)構(gòu)造部分，或找出各部分之間相互關(guān)系的能力。

（5）綜合：指將所學(xué)到的片段概念或知識(shí)、原理原則、事實(shí)等，統(tǒng)合、歸納或合并成一個(gè)新的整體的能力。

（6）評(píng)鑒：指最低層次的認(rèn)知能力，為依據(jù)某標(biāo)準(zhǔn)做成價(jià)值判斷的能力。

1.1.2技能領(lǐng)域

動(dòng)作技能領(lǐng)域方面的教學(xué)目標(biāo)是指屬于動(dòng)作和技能方面的學(xué)習(xí)行為[3]，包括：書寫、打字、游泳、演說、舞蹈、演奏、開車、跑步和操作機(jī)器及儀器等需要四肢與大腦協(xié)調(diào)的動(dòng)作和技能性的學(xué)習(xí)結(jié)果。依據(jù)動(dòng)作技能的發(fā)展層面來看，由簡(jiǎn)單的到復(fù)雜的行為，依序可以分成下列六個(gè)層次：

（1）感知：指用感覺器官去注意到外在現(xiàn)象、刺激來源或關(guān)系過程的能力。

（2）準(zhǔn)備：指對(duì)上述感知到的動(dòng)作或經(jīng)驗(yàn)，在心理上、身體上和情緒上做預(yù)備適應(yīng)的能力。

（3）模仿：指在有系統(tǒng)的教導(dǎo)下，開始學(xué)習(xí)、模仿或嘗試錯(cuò)誤新的動(dòng)作技能的能力。

（4）自動(dòng)化：指所學(xué)習(xí)到的動(dòng)作技能經(jīng)過模仿階段，以達(dá)到非常熟練和正確的程度，不假思索即能作出反映的能力。

（5）復(fù)雜反應(yīng)：指能夠操作高難度和復(fù)雜度的反應(yīng)，且其操作反應(yīng)以達(dá)高度效率和熟練程度的能力。

（6）創(chuàng)作：指依據(jù)所習(xí)得的動(dòng)作和技能，開始創(chuàng)新新動(dòng)作和處理新技能的能力。

1.2技能競(jìng)賽的意義

“競(jìng)賽”是為了達(dá)成某一特定事項(xiàng)的一種過程，也是激發(fā)人類潛能的一種手段，從“揖讓而升，下而飲”的君子之爭(zhēng)到競(jìng)技場(chǎng)的熱血沸騰，都是形式不一的競(jìng)賽。技能競(jìng)賽是為了解職業(yè)教育或職業(yè)訓(xùn)練的成效，并提升技能水平，由有關(guān)單位舉辦技能性的競(jìng)賽，并對(duì)有優(yōu)良技能者公開表揚(yáng)。此種競(jìng)賽不僅可以相互切磋技能，并可引起社會(huì)對(duì)技能的重視。技能競(jìng)賽的主旨，在建立技能價(jià)值觀，鼓勵(lì)青年參加技職教育與職業(yè)訓(xùn)練，借著競(jìng)賽的方式，激起大眾的關(guān)心，促進(jìn)社會(huì)的重視，檢討職業(yè)教育與職業(yè)訓(xùn)練的教學(xué)成效，并藉相互切磋與觀摩，提高技術(shù)人力的技術(shù)水準(zhǔn)。

學(xué)校技藝競(jìng)賽的存在，不但造就了無數(shù)頂尖基層技術(shù)人才，更重要的是它對(duì)職業(yè)教育的影響無遠(yuǎn)弗屆。從學(xué)校方面來說：可以彼此觀摩技能操作方法及設(shè)備儀器的使用，達(dá)到校際間溝通交流，也可藉由技藝競(jìng)賽打響學(xué)校知名度，加深社會(huì)大眾對(duì)該學(xué)校的印象與好評(píng)。從教師及教學(xué)方面來說：促進(jìn)教材準(zhǔn)備更充實(shí)、教學(xué)方法更為有效，也使技能訓(xùn)練方法改進(jìn)及教學(xué)設(shè)備更新更踏實(shí)，對(duì)學(xué)校教師產(chǎn)生重大震蕩及改革，督促教師自我要求，在職進(jìn)修以提升能力的成長。另外學(xué)生方面：激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)機(jī)，促使技能操作的技術(shù)更熟練而使得技術(shù)水平節(jié)節(jié)升高。

2 數(shù)控設(shè)備應(yīng)用與維護(hù)專業(yè)的教學(xué)改革

2.1虛擬工具機(jī)的產(chǎn)生

面對(duì)全球化競(jìng)爭(zhēng)的沖擊，制造模式已經(jīng)擴(kuò)展到資源整合的協(xié)同方式，也由于數(shù)位化革命以及資訊技術(shù)的不斷進(jìn)步，且網(wǎng)際網(wǎng)路的發(fā)展也加快了制造信息交換的速度，對(duì)制造系統(tǒng)而言，如何利用數(shù)位資料模擬出一個(gè)虛擬的制造環(huán)境，幫助各種制造活動(dòng)能正確而快速的達(dá)成目的便成為虛擬制造相關(guān)領(lǐng)域，虛擬工作平臺(tái)的開發(fā)研究，提出了進(jìn)一步的人機(jī)介面概念。

由虛擬制造再縮小至虛擬加工范籌，加工機(jī)的模擬也是其中被廣為探討的研究議題，以實(shí)際CNC工具機(jī)而言，必須結(jié)合軟體與硬體的功能才能正確控制機(jī)器的運(yùn)作，因此，如同所有虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用實(shí)例，解析出虛擬空間中模型的行為是必要的，網(wǎng)頁式虛擬使用VRML建構(gòu)3D模型與場(chǎng)景，透過JAVA程式及EAI與VRML虛擬場(chǎng)景作互動(dòng)，該系統(tǒng)結(jié)合了碰撞偵測(cè)與加工參數(shù)模擬如刀具壽命計(jì)算；網(wǎng)路虛擬實(shí)境除了使用VRML之外，使用JAVA3D即時(shí)顯示技術(shù)，將虛擬工具機(jī)與實(shí)際機(jī)臺(tái)串連，于機(jī)具上裝設(shè)感應(yīng)器送回座標(biāo)訊息使虛擬與實(shí)際工具機(jī)能夠同步動(dòng)作，借以監(jiān)視遠(yuǎn)程機(jī)臺(tái)的狀況。

2.2數(shù)位化NC教學(xué)

電腦數(shù)值控制機(jī)器的出現(xiàn)，解決了人為操作的不便與誤差且提高了生產(chǎn)速度，但是技術(shù)人員的訓(xùn)練問題依然存在，且人員素質(zhì)的良窳仍然影響生產(chǎn)質(zhì)量，且數(shù)控機(jī)器的操作核心是數(shù)值控制程序，因此如何有效的縮短學(xué)習(xí)時(shí)程、增加教學(xué)成效，則是數(shù)值控制教學(xué)所不可忽視的[4]。隨著數(shù)位化學(xué)習(xí)概念的出現(xiàn)，CNC教學(xué)也開始出現(xiàn)各種新的方式，例如虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)，輔助CNC工具機(jī)的操作訓(xùn)練，經(jīng)由設(shè)計(jì)好的訓(xùn)練劇本，可降低對(duì)于初學(xué)者在操作上的犯錯(cuò)率；或經(jīng)由虛擬加工動(dòng)作可驗(yàn)證NC程式并應(yīng)用于教學(xué)上的虛擬五軸工具機(jī)；而應(yīng)用虛擬實(shí)境所開發(fā)的車床操作訓(xùn)練環(huán)境也有相關(guān)的研究。除此之外，結(jié)合網(wǎng)際網(wǎng)路工具，已有將數(shù)值控制知識(shí)加以整理的教學(xué)網(wǎng)頁，可方便隨時(shí)上網(wǎng)查詢所需資料；而CNC遠(yuǎn)距教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)，彌補(bǔ)了因機(jī)器設(shè)備昂貴造成教學(xué)資源不足的缺點(diǎn)；上網(wǎng)搜尋亦可發(fā)現(xiàn)商業(yè)化經(jīng)營的CNC數(shù)位課程服務(wù)，顯示出數(shù)控工具教學(xué)的數(shù)位化趨勢(shì)。另一方面，具有與使用者互動(dòng)能力的教學(xué)工具也是發(fā)展重點(diǎn)，因此產(chǎn)生結(jié)合虛擬實(shí)境技術(shù)與網(wǎng)際網(wǎng)路以增加教學(xué)效果的方式，例如應(yīng)用VRML網(wǎng)路3D技術(shù)所開發(fā)的NC程式學(xué)習(xí)網(wǎng)頁，以2D與3D畫面輔助程式碼的教學(xué)與評(píng)量以及使用分散式環(huán)境所建構(gòu)的虛擬CNC工具機(jī)教學(xué)網(wǎng)頁。

因此，透過數(shù)位化學(xué)習(xí)，可將學(xué)習(xí)資源整合，并可運(yùn)用各種多媒體工具以及虛擬現(xiàn)實(shí)的輔助，改變傳統(tǒng)的教學(xué)方式，且數(shù)位化資料攜帶與傳送的便利性，經(jīng)由四通八達(dá)的網(wǎng)際網(wǎng)路更加提升，對(duì)數(shù)值控制工具機(jī)的教育訓(xùn)練而言，可解決設(shè)備不足的問題，故開發(fā)可用于教學(xué)輔助的虛擬加工中心機(jī)成為本研究的目的之一。

3 教學(xué)與實(shí)務(wù)

目前高中職及大專院校的數(shù)控工具機(jī)教學(xué)模式是先以教科書教授基本理論與NC程式撰寫練習(xí)，配合CAM軟體或由學(xué)生撰寫可加工的NC程式，最后再行上機(jī)實(shí)做，NC程式的教學(xué)上，使學(xué)習(xí)者對(duì)座標(biāo)系統(tǒng)有正確的認(rèn)識(shí)是教學(xué)重點(diǎn)之一，必須熟悉數(shù)控機(jī)具的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換才能做正確的加工，坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換也是一般學(xué)習(xí)者容易發(fā)生混淆的地方，另一個(gè)部分則是刀具路徑的補(bǔ)正，再者，使用CAM軟體轉(zhuǎn)出NC程式時(shí)，未考慮到實(shí)際加工時(shí)的情形，導(dǎo)致時(shí)間浪費(fèi)在錯(cuò)誤的嘗試中。因此虛擬工具機(jī)的開發(fā)目的之一，即希望能夠輔助數(shù)控工具課程的教學(xué)，使學(xué)習(xí)者能夠在NC程式的學(xué)習(xí)階段就能夠有一虛擬機(jī)器測(cè)試并驗(yàn)證所學(xué)所得，在實(shí)際上機(jī)之前也能先熟悉加工操作流程，并對(duì)于數(shù)控原理有更正確的認(rèn)識(shí)。虛擬工具機(jī)作為教學(xué)輔助的另一優(yōu)點(diǎn)是可攜帶性，隨時(shí)可以展示機(jī)臺(tái)的動(dòng)作與NC指令間的關(guān)系，不需要實(shí)際到真實(shí)機(jī)具前，且數(shù)控機(jī)具價(jià)格昂貴，教學(xué)資源有限，也無法由學(xué)習(xí)者單人單機(jī)去實(shí)際操作。

4 結(jié)論

本文針對(duì)虛擬工具機(jī)所提出的開發(fā)架構(gòu)，是基于虛擬現(xiàn)實(shí)與數(shù)值控制理論利用程序輔助實(shí)作而成，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)建構(gòu)數(shù)控工具機(jī)的虛擬場(chǎng)景可應(yīng)用于數(shù)控工具機(jī)教學(xué)的輔助，由于一般加工的流程已在本系統(tǒng)的虛擬環(huán)境中仿真，操作者必須針對(duì)每一步驟做正確的設(shè)定才會(huì)獲得預(yù)期的結(jié)果，因此可輔助實(shí)作教學(xué)，并達(dá)到一人一機(jī)的效果，對(duì)于理論與程序的教學(xué)亦可運(yùn)用經(jīng)過設(shè)計(jì)的虛擬場(chǎng)景加以說明，例如NC控制模式的運(yùn)用，學(xué)習(xí)者可立即看到結(jié)果。若能運(yùn)用這樣的系統(tǒng)于教學(xué)上，這對(duì)于目前職業(yè)與技專院校中CNC設(shè)備普遍不足而造成的教學(xué)問題可有所改善。

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