周棣華 趙懷昊 米憲儒 傅駿

摘? 要 虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一種前沿技術(shù)化手段，已得到高職院校和教師的廣泛關(guān)注。它應(yīng)用于教學(xué)，能改善學(xué)生學(xué)習(xí)環(huán)境，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，有效加深學(xué)生對知識的理解，提升學(xué)生實踐水平，豐富課堂教學(xué)方法。從職業(yè)教育發(fā)展需要虛擬仿真技術(shù)出發(fā)，分析虛擬現(xiàn)實技術(shù)在鑄造技術(shù)專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用及應(yīng)用策略，為高職院校鑄造技術(shù)等相關(guān)專業(yè)利用虛擬仿真學(xué)習(xí)系統(tǒng)提高教學(xué)質(zhì)量提供參考。

關(guān)鍵詞 高職;鑄造技術(shù);虛擬現(xiàn)實技術(shù);實訓(xùn)

中圖分類號：G712? ? 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）24-0045-03

Application of Virtual Reality Technology in Foundry Tech-nology Teaching//ZHOU Dihua， ZHAO Huaihao， MI Xianru， FU Jun

Abstract As a cutting-edge technology， virtual reality technology has been widely concerned by vocational colleges and teachers. It can be applied to teaching， improve students learning environment， improve students interest in learning， effectively deepen students understanding of knowledge， improve students practical level， and enrich classroom teaching methods. Starting from the need of virtual simulation technology in the development of vocational education， this paper analyzes the application and application strategy of VR technology in the teaching of foundry technology， which provides a?reference for the foundry technology and other related majors in?higher vocational colleges to use virtual simulation learning system to improve the teaching quality.

Key words higher vocational colleges; foundry technology; virtual reality technology; practical training

1 引言

四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院作為中國特色高水平高職學(xué)校建設(shè)單位，始終推進學(xué)科專業(yè)設(shè)置與產(chǎn)業(yè)對接，強化傳統(tǒng)優(yōu)勢專業(yè)，打造新興專業(yè)，促進學(xué)科專業(yè)動態(tài)優(yōu)化、協(xié)調(diào)發(fā)展。最近完建的《高等職業(yè)教育創(chuàng)新發(fā)展行動計劃》虛擬仿真實訓(xùn)中心項目即材料成型虛擬仿真實訓(xùn)中心，運用現(xiàn)有虛擬仿真項目開發(fā)引擎軟件、虛擬仿真實訓(xùn)軟件、工藝優(yōu)化虛擬仿真軟件、一體化機等軟硬件設(shè)備設(shè)施，并依托四川省航空材料檢測與模鍛工藝技術(shù)工程實驗室、四川省高溫合金切削工藝技術(shù)工程實驗室、四川省裝備制造業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)工程實驗室、德陽中科先進制造創(chuàng)新育成中心等，形成產(chǎn)學(xué)研一體化的虛實結(jié)合的實踐教學(xué)體系。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高職院校發(fā)展的必要性

國家教育發(fā)展的需要? 以習(xí)近平新時代中國特色社會主義思想為指導(dǎo)，圍繞加快教育現(xiàn)代化和建設(shè)教育強國新征程，落實立德樹人根本任務(wù)，積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+教育”，堅持信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合的核心理念，堅持應(yīng)用驅(qū)動和機制創(chuàng)新的基本方針，建立健全教育信息化可持續(xù)發(fā)展機制，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化、個性化、終身化的教育體系。為完善鑄造專業(yè)教學(xué)平臺建設(shè)，積極推進鑄造專業(yè)數(shù)字化、智能化、個性化的教育體系構(gòu)建需要新技術(shù)虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)的支撐。實現(xiàn)教育部制定的《教育信息化2.0行動計劃》目標(biāo)，推動從專用教育資源向教育大資源、從提升師生信息技術(shù)應(yīng)用能力向全面提升其信息素養(yǎng)、從融合應(yīng)用向創(chuàng)新發(fā)展這三大轉(zhuǎn)變，構(gòu)建“三新”模式，需要VR技術(shù)。

鑄造專業(yè)發(fā)展的需要? 鑄造技術(shù)專業(yè)是不可或缺的傳統(tǒng)技術(shù)專業(yè)。近年來，3D打印、智能鑄造發(fā)展迅速，“工業(yè)4.0”[1]、“智能鑄造2025”等熱詞頻頻出現(xiàn)，信息化要求越來越高。鑄造行業(yè)的智能化速度加快，重點體現(xiàn)在：鑄造成型過程的數(shù)字化模擬與工藝優(yōu)化，縮短生產(chǎn)周期，提升產(chǎn)出效率;鑄造智能化機械設(shè)備和數(shù)字化生產(chǎn)線，改善工作環(huán)境;在鑄造生產(chǎn)中的各環(huán)節(jié)，如在造型與制芯、熔煉與澆注、精裝等工藝中，機器人得到廣泛應(yīng)用;紅外測溫等在線監(jiān)測技術(shù)、ERP、MIS等管理信息系統(tǒng)在鑄造生產(chǎn)過程中大量應(yīng)用;增材制造技術(shù)得到快速發(fā)展;鑄造車間數(shù)字化進程加快。高職專業(yè)人才培養(yǎng)方案應(yīng)源于市場，培養(yǎng)的人才應(yīng)滿足市場需求。因此，加快鑄造技能人才信息化、智能化方面的培養(yǎng)迫在眉睫，亟待創(chuàng)新教學(xué)方法。[2]

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點及在鑄造專業(yè)教學(xué)中應(yīng)用的意義

隨著鑄造業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)水平的不斷提升，鑄件制造質(zhì)量的要求在不斷提高，鑄造行業(yè)的從業(yè)人員不僅要擁有豐富的專業(yè)理論知識，更要具有較強的生產(chǎn)實踐能力。目前，鑄造技術(shù)專業(yè)教學(xué)受到教學(xué)環(huán)境和教學(xué)設(shè)施的影響，依舊采取傳統(tǒng)的先理后實的模式，無法滿足新時代人機協(xié)同制造需求的高素質(zhì)人才的培養(yǎng)。作為新興的前沿信息化技術(shù)，VR技術(shù)是當(dāng)前教育領(lǐng)域最受歡迎的科學(xué)信息教學(xué)技術(shù)之一[3-5]。

推進VR技術(shù)與鑄造技術(shù)專業(yè)教學(xué)的融合，具有重大的現(xiàn)實意義。

VR技術(shù)的特點? VR技術(shù)主要包含交互性、多感知性與構(gòu)想性三方面的特點。鑄造專業(yè)的很多設(shè)備具有投資成本高、操作人員多、操作難度大、工作環(huán)境相對差等特點，利用VR技術(shù)的交互性特點，可以大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強實訓(xùn)效果;利用VR技術(shù)的多感知性特點，可以讓學(xué)生充分熟悉設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點、性能特點;利用VR技術(shù)的構(gòu)想性特點，可以促進學(xué)生創(chuàng)新性思維開發(fā)。在更注重工匠技能的高職教學(xué)中，應(yīng)用VR技術(shù)這種先進的前沿信息技術(shù)手段能更有效地拓展學(xué)科視域和教學(xué)手段。

VR教學(xué)在高職鑄造專業(yè)教學(xué)中的意義

1）構(gòu)建空間思維，深化知識理解。教師在進行教學(xué)時要注重激發(fā)學(xué)生在學(xué)習(xí)中的想象力和培養(yǎng)空間思維能力，結(jié)合生活實際，融合新舊知識，加深學(xué)生對新知識新工藝的理解。VR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，更容易幫助教師構(gòu)建出教學(xué)內(nèi)容所需的二維、三維教學(xué)情境，利用虛實結(jié)合的情境激發(fā)學(xué)生的聯(lián)想，提高他們對知識點的理解，進而提升創(chuàng)新能力。圖1為VR技術(shù)系統(tǒng)框架圖。

2）激發(fā)學(xué)生興趣，立足專業(yè)學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)的鑄造專業(yè)因工作環(huán)境等因素已逐漸淡出人們的視野，極少學(xué)生選擇。而現(xiàn)代鑄造技術(shù)逐步實現(xiàn)機械化、智能化，工作環(huán)境等改善巨大，VR技術(shù)的多感知性就能讓學(xué)生學(xué)習(xí)到最先進鑄造知識，認識先進的鑄造設(shè)備，學(xué)習(xí)過程中受到多方面感官的刺激，從而調(diào)動學(xué)生的積極性，效果明顯。

3）豐富教學(xué)手段，提升教學(xué)質(zhì)量。VR是目前前沿的信息化技術(shù)手段，將抽象的概念和實訓(xùn)操作過程通過制作仿真模擬軟件以圖形、視頻、可操作虛擬場景等方式真實生動地展現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生從多維度學(xué)習(xí)。隨著近幾年的發(fā)展，相繼出現(xiàn)與VR技術(shù)某些相關(guān)的創(chuàng)新教學(xué)場景，如“VR小組協(xié)同交互課堂”“VR+5G沉浸式教學(xué)課堂”“VR多人協(xié)同大空間交互課堂”等[6]，教師的教學(xué)手段得到拓展，教學(xué)質(zhì)量得到較大提升。

4）拓展實踐教學(xué)，落實理實結(jié)合。高職教育培養(yǎng)技能型工匠之才，更為注重實踐教學(xué)。由于鑄造專業(yè)的專業(yè)特性，其實訓(xùn)基地投資高、建筑面積大、建設(shè)成本高、運營成本高;又因建筑面積的限制，繼而出現(xiàn)科學(xué)性不強、布局不盡合理等缺陷，致使實訓(xùn)基地的設(shè)備實際使用率低，難以保障學(xué)生充分提高實踐能力。由于專業(yè)的特殊性，實訓(xùn)工位機器有限，實訓(xùn)環(huán)節(jié)以觀察學(xué)習(xí)為主、動手實操為輔，無法保證教學(xué)目標(biāo)的完成。最為重要的是，鑄造的部分設(shè)備，如熔煉爐、連續(xù)生產(chǎn)線等，實訓(xùn)環(huán)節(jié)存在安全隱患，實習(xí)學(xué)生人數(shù)眾多的話，難以避免發(fā)生事故，這也是制約職業(yè)教育工程實訓(xùn)教學(xué)發(fā)展的主要因素，嚴(yán)重影響學(xué)生的實踐能力和實踐水平。

VR中模擬出的真實環(huán)境，圖2為鑄造專業(yè)設(shè)備3D仿真場景，能使學(xué)生單獨、反復(fù)進行實踐操作練習(xí)，直至掌握正確的操作規(guī)程。這樣既能提升學(xué)習(xí)效率和質(zhì)量，又大大降低了教學(xué)設(shè)備投入成本，且完全可避免安全事故的發(fā)生。

4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在鑄造專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用策略

VR技術(shù)與專業(yè)理論教學(xué)相融合? 在鑄造技術(shù)專業(yè)教學(xué)中，理論教學(xué)依然是重要的。VR融合理論教學(xué)模塊一般采用二維模式設(shè)計，根據(jù)課程章節(jié)制作VR課件，方便學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)實際選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容。同時，教師可以錄制課堂教學(xué)視頻作為學(xué)生學(xué)習(xí)的素材，豐富VR內(nèi)容。

VR技術(shù)與專業(yè)實踐教學(xué)融合? 實踐環(huán)節(jié)是高職院校教育的突出特點，作為實踐性強、工裝設(shè)備應(yīng)用頻繁的鑄造專業(yè)教學(xué)更加離不開實踐。進行VR實踐教學(xué)環(huán)節(jié)課程設(shè)計時應(yīng)根據(jù)專業(yè)教學(xué)大綱，使實踐教學(xué)模塊化。在鑄造技能基礎(chǔ)實訓(xùn)過程中，可分為整模造型模塊、分模造型模塊、挖砂造型模塊、刮板造型模塊等;亦可根據(jù)現(xiàn)行人才培養(yǎng)方案，分為初級技能教學(xué)模塊、中級技能教學(xué)模塊、高級技能教學(xué)模塊等。將實訓(xùn)教師的講解與實際操作過程通過三維建模、動畫設(shè)計及制作、腳本編輯、場景設(shè)計等在Unity中再現(xiàn)仿真出來形成學(xué)習(xí)軟件，為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供多樣性素材。

鑄造專業(yè)虛擬仿真軟件制作? 教師在制作設(shè)備相關(guān)的VR課件內(nèi)容時，可以利用NX、CREO、Solidworks等3D建模軟件創(chuàng)建鑄造生產(chǎn)中使用的工裝、工具、設(shè)備等的三維模型，并可利用Unity制作出造型制芯、合箱、熔煉與澆注等規(guī)范操作動作流程。另外，在鑄造造型、制芯過程中，可通過動畫制作的方式為學(xué)生增添一些必要的鑄造生產(chǎn)過程效果圖，幫助學(xué)生了解最真實的鑄造情境。

5 結(jié)語

高等職業(yè)院校作為我國技能技術(shù)型人才的培養(yǎng)基地，在培養(yǎng)鑄造行業(yè)緊缺應(yīng)用型人才方面具有不可替代的作用。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在構(gòu)建“三新”模式新形勢下的鑄造技術(shù)專業(yè)教學(xué)中越來越被重視，其不僅能改善鑄造專業(yè)學(xué)生的實訓(xùn)環(huán)境，還能在很大程度上深化學(xué)生對鑄造生產(chǎn)過程的了解、鑄造設(shè)備的結(jié)構(gòu)認知和提高鑄造設(shè)備操作技能。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育中應(yīng)用的不斷推廣和深入，教學(xué)理念、教學(xué)方法、教學(xué)評價等不同層面不斷創(chuàng)新教學(xué)模式，如“VR小組協(xié)同交互課堂”“VR+5G沉浸式教學(xué)課堂”“VR多人協(xié)同大空間交互課堂”等創(chuàng)新教學(xué)場景相繼出現(xiàn)，能最大限度地滿足鑄造專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與實踐能力，為學(xué)生走向社會奠定良好的基礎(chǔ)。

然而，由于鑄造技術(shù)專業(yè)的特性尤其是鑄造生產(chǎn)過程的復(fù)雜性，鑄造虛擬仿真學(xué)習(xí)軟件的制作過程相對更復(fù)雜，制作時間相對更長，還會遇到鑄造專業(yè)的一系列新問題，如如何在虛擬仿真學(xué)習(xí)軟件中實現(xiàn)鑄造生產(chǎn)過程監(jiān)控仿真、型砂流動、多人協(xié)作完成大型鑄件的造型制芯工作等。因此，要實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在鑄造技術(shù)專業(yè)的廣泛應(yīng)用，還需要廣大鑄造工作者攜手奮進、共同完成。

參考文獻

[1]古林峰，王文通，田麗.基于工業(yè)4.0的我國職業(yè)教育人才培養(yǎng)模式改革方向探討[J].陜西教育（高教），2020（2）：64-70.

[2]李如秒，任宗強.基于職業(yè)適應(yīng)性導(dǎo)向的職業(yè)院校智能制造人才培養(yǎng)[J].教育與職業(yè)，2020（7）：52-57.

[3]羅超.職業(yè)教育中運用VR技術(shù)的SWOT分析[J].電子技術(shù)與軟件工程，2016（20）：175-176.

[4]程瓊，陳晴.基于VR技術(shù)的實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)在智能樓宇專業(yè)中的應(yīng)用研究[J].科技風(fēng)，2015（5）：232，234.

[5]張志禎.虛擬現(xiàn)實教育應(yīng)用：追求身心一體的教育：從北京師范大學(xué)“智慧學(xué)習(xí)與VR教育應(yīng)用學(xué)術(shù)周”說起[J].中國遠程教育，2016（6）：5-15，79.

[6]張承霖，曾飛國，劉韜，等.VR技術(shù)在工程訓(xùn)練中的應(yīng)用實踐[J].高等繼續(xù)教育學(xué)報.2017（3）：48-51，59.