机械制造专业虚拟仿真教学环境建设与应用研究

李晶　陈军

1 引言

虚拟仿真（VR）技术是一种融合了微传感器技术、人工智能技术、计算机技术和生物工程技术的全新技术。它通过多种传感器和终端设备模拟出一个虚拟仿真空间，使用者在此空间中可以获得和真实世界类似的体验。VR技术具有沉浸性、交互性和异构性三大特征，它可以让使用者具有身临其境的感觉，并可以和虚拟环境中的事务进行交互沟通，也可以异构出现实世界中并不存在的的环境以满足使用者的实际需要。VR技术自其诞生以来变以其低成本高效率和适用性广等特点在教育教学领域获得了广泛的应用。

随着近年来我国加大对职业教育的投入，包括VR技术在内的许多新技术被逐步引入到高职教育中。但在机械制造专业虚拟仿真教学环境建设与应用中目前还存在诸多问题，本文主要对相关问题进行了深入研究，并提出了应对策略。

VR技术在我国教育产业中的应用已经有很多年的发展历史，最初是被国内的某些游戏专业的大学还有研究所作为一种游戏开发辅助硬件引入的。但随着VR技术软硬件的逐步完善，功能日趋强大，人开始着手将其应用到不同的教育领域。例如化工和消防专业这些具有危险性质的专业。如何让学生可以身临其境的体会他们毕业后将要面对的复杂环境是相关专业实训教学老师的一大难题。在过去，很难实现到真正的学校培养与企业要求完全接轨，学校毕业的学生到达相关企业后还需要进行很长时间的规范化培训，极大的增加了用人企业的教育成本。而在这些专业中引入VR技术后，在相关专业教学中同学们就可以完全模拟工作后将要面临的各种危险环境，可以从理性和感性两个层面体验所学专业的真实要求，从而达到真正的理实一体。

最近几年，VR专业在机械制造和数控等传统专业中也有很深入和广泛的应用。由于机械制造和数控专业所涉及的专业知识多，人才培养链条较长，过去在高职教育中常存在人才培养成本高，效果差的问题。随着VR等一系列新技术的加入，人们发现许多在传统教育模式下无解的问题，采用最新的VR技术都可以迎刃而解。例如高职实训教学中长期困扰老师的实训内容多，实训教学条件不足、示范操作效果不佳和教学成本高，设备更新慢等问题都可以很好的被解决。

2 机械制造专业教学环境建设存在的问题

2.1实训内容多，实训教学条件不足

机械制造专业是一个包含众多专业课的传统老牌专业，其专业课程包括产品设计、加工、测量、装配和调试等众多实训环节。仅仅以产品装调为例，就包括轴类零件、箱体轴承孔、轴承、齿轮、导轨等机构的装调和维护。教学所需涉及的内容较多，很难有高职学校能够提供完整的实训条件，许多学校只能进行教师演示而不能让每个学生都进行实际操作，教学效果不理想。

2.2示范操作效果不佳

机械制造专业是一个结合抽象与具体知识的专业，许多课程需要由教师进行实物操作演示，如产品的生产和测量等课程在教学时就需要教师亲自演示。但由于高职学生的师生配比通常较低，导致一个教师在设备声嘈杂的实训环境中很难给众多学生教好的演示。也很难保证每个学生都可以清楚的看见或听见老师的关键操作，导致部分学生的学习积极性受影响。

2.3教学成本高，设备更新慢

机械制造专业的教学由于需要大量设备导致其教学成本偏高，对于许多最新的高档机床动辄上百万，这显然是许多高职院校难以承受的。而且机床和设备的种类繁多，使得机制专业教学成本居高不下。特别是实训耗材的消耗也是实训室一比不小的日常开支。此外，随着科技的进步，机械行业的要求和技术的更新较快使得学校设备跟不上社会用工要求的换代速度，导致学生不能学习最新技术，无法满足企业的要求。

3 虚拟仿真教学在机械制造专业教学环境建设与应用中的优势

3.1改善实训条件，降低实训成本。

利用虚拟仿真技术可以有效降低机械制造专业实训教学成本，因为相关仿真实训室不需要购买机床等实训设备，也就省下了维护和耗材的大量费用，极大的降低了实训成本。此外过去传统机械实训环境通常环境较差，具有噪音和粉尘等污染，甚至存在一定环境危险性，而采用虚拟仿真技术则可以极大的改善学生的实训条件，使学生在微机室等教室内就可以完成相关学习内容。

3.2改变教学模式，提高教学质量

采用虚拟仿真技术可以改变传统的机械制造专业学生的教学模式，学生不再需要在现场围观教师的演示，只需要在VR设备中各自统一观看事先录制好的演示视频，并根据NPC的指导自己动手进行操作即可。以机制专业经常进行的齿轮箱的拆装教学为例，学生可以在VR设备中直观的认识齿轮箱中各个零件的名字，形状和特点，并可以动手进行虚拟装配，极大的强化的实训效果，提高了学生的学习兴趣，提高了教学质量。

3.3降低教学成本，及时更新技术和设备

利用虚拟仿真技术构建教学环境可以极大的降低机械制造专业的教学成本，极大的缩小所需的教学空间，采用虚拟仿真技术进行教学时只需要建立和微机房类似的VR实训室即可，相比于建立实训基地和购买机床、机器人和加工中心等设备，VR实训时的建设成本都要低很多，极大的降低了一次性投入成本，此外，VR实训室的维护成本同样较低，不需要购买昂贵的耗材，因此它还具有高效环保和可持续发展的优点。

利用虚拟仿真技术构建教学环境还可以紧跟各种实训设备的更新换代速度，通过对VR设备进行软件升级就可以模拟出企业正在使用的最新型号的机床设备，让学生在学校也能与社会需求接轨，学到真正有用的技术。

4 总结

以VR和AR为代表的一大批现代电子技术在高职实训教育中的应用日益广泛和深入，对于制造专业的虚拟仿真环境建设而言，引入新技术既是机遇也是要求。相关技术应用的好可以极大的降低教学成本提高教学质量，反之则会被教育发展的时代浪潮无情抛下。本文主要回顾了传统教学环境建设存在的问题，以及如何采用VR技术对相关问题进行解决。本文的研究结论对机械制造专业虚拟仿真教学环境建设与应用研究有一定的促进作用。

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作者简介

李晶，女，硕士，江苏淮安人，工程师，主要从事计算机科学与技术教育方面的工作。