基于虚拟仿真技术的数控职业技能培训教学模式探讨及实践

刘智飞 马少华

【摘 要】对高等院校工科在校生结合专业特色进行数控加工技术的职业技能培训，以及技能鉴定考核成为当前非常迫切、非常重要的工程实训工作。本文分析了数控技能考核的教学模式及发展趋势，以及虚拟仿真技术的应用教学实践，指出了数控实训中引入仿真技术的诸多优势，以及数控技能培训的教学技术重点、难点，提出兼顾专业特色以传统数控实训教学为主，仿真数控实训为辅的综合性数控技能鉴定教学方案，并根据自身的教学实践提出了解决建议。

【关键词】职业技能鉴定；数控技术；双证制

中图分类号： TG519.1 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）27-0100-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.27.044

目前，高等院校工科专业工程技术实践教育正处在不断变革、不断推进的时期。各高校大力开展工程实践教育改革以培养工程素质高、学科知识厚、职业适应广、创新能力强的现代工程实践技术人才。在数控技术方面， 如何作好数控技术实习、实训教学，以适应相关工科专业本科生技术取证、创新的需要，把现代加工技术工程训练真正发展成为专业性职业技能培训，这是我们应该认真思考和解决的问题。

随着新的教学媒体技术的不断涌现，一种借助于计算机技术及硬件设备，使人们可以通过视、听、触、嗅等感官感应所产生的虚拟空间，以获得身临其境的体会和感受的新型教学多媒体技术——虚拟现实技术（Virtual Reality）正以其独具一格的技术特点不断应用于各类工程技术实践教育培训。借助计算机虚拟现实技术建立各种虚拟实训演练场和实训设备，生成与实际现场设备完全一致的仿真教学平台进行数控技能训练，是实践工程训练发展的特色和趋势。

目前各高校工训中心不断加大数控技术教学的硬件的投入，建设应用于数控技能培训的微机房，并配套相关实训仿真软件，如宇龙数控仿真软件（网络版60节点）、AutoCAD、Master-CAM等三维软件，应用于数控技能鉴定教学。这些教学系统既能单机、局域网运行，又能实现远程在线运行，系统中各类数控机床的模拟操作都可在仿真面板上进行，通过三维动画演示零件在机床模型的切削过程，同时通过（DNC）连接技术将教学系统与实际机床操作面板连接并传输加工程序实现零件切削加工，这样基于现实加工的虚拟仿真训练实现了“虚”“实”结合，极大拓展了数控技能鉴定教学的发展。

1 数控实训中引入虚拟仿真技术的必要性

由于各类数控机床价格都比较昂贵，而各高校在科研背景下的采购计划和采购审批流程限制了数控机床的购买量，从而导致数控设备在教学中的应用普及受限；同时，从教学实践经验来看，初学的学生因为机床操作流程尚未熟悉，现场加工工艺掌握甚少，加工程序处理缺乏安全工艺检查，在没有任何操作技能积累的情况下操作数控机床，容易发生对刀、编程等错误，从而导致撞刀、超行程等安全事故的发生。

数控加工虛拟仿真系统的使用，不仅可以对学生编制的数控程序进行模拟运行检测并且具体指出程序的错误以减少实际操作出错的概率，而且虚拟机床操作场景的沉浸性和交互性，可使学生能够全力投入到学习和训练的环境中去，有效的避免了人身伤害或因为学生的错误操作而损坏机床等恶性事故的发生，学生可以放心、大胆、独立的进行学习和反复演练，直到掌握操作技能要领为止，这也降低了培训教师的教学工作强度。

2 虚拟仿真教学在数控技能培训中的应用实践

利用虚拟仿真软件平台进行教学，应该充分熟悉计算机仿真环境下相应数控机床的虚拟操作模型、加工模式环境、刀具库等，在教学过程中使学生能够在虚拟环境下进行数控加工操作的各类性质操作的模拟仿真，同时利用虚拟加工功能检验各种数控指令、程序是否正确，并提供与真实机床完全相同的操作面板练习，在机床调试、程序编辑、修改和跟踪执行等功能完全一致。中国石油大学（华东）石油工业训练中心在实践教学中进行了大胆尝试，自2004年起对已有实习背景的工科类学生开设《数控加工技术（证书制）》公选课，学生在取得相应学分的基础上，鼓励学生考取数控加工技术中级工职业资格证书，具体从以下几方面着手：

2.1 改革数控实习教学计划拓展基础实习内容

作为一门实践性很强的工程技术类课程，数控技术的每一个教学环节都必须有相应的实践操作训练来加深理论教学效果。学生通过实践，才能切实提高自己的动手操作能力、工程现场发现问题、分析问题并解决问题的能力以及创新能力。因此，我们把实习教学安排在每学期、每个专业进行，对教学单元内容作出合理安排，根据实际的机床设备数量不断增加数控技术实习的学时（我校的数控实习占总实习学时的1/3），同时将通用数控技术与数控电加工技术（特种加工）区分，突出数控车、数控铣的操作技能训练、线切割的思维创新训练，将数控理论知识的学习深度加深到技能学习的初步，并将数控仿真软件引入实习教学中。

2.2 精心设计教学内容拓展数控仿真实训

在增大实习教学环节比例后，通过优化课程体系结构、调整教学计划来保证实习所学知识不断的扩展，积极开展数控职业技能鉴定教学，招收实习过的学生进行课外实训，充分发挥虚拟仿真教学优势，在教学项目的选择和教学环境的营造上做到逼近真实情况，对机床设备进行实操训练和验证加工，培训过程中充分保证完整性和技能训练的完全真实再现。

针对各个实训项目，选择建立数控系统的仿真环境，例如：模拟如图1所示零件的数控加工操作过程，

达到以下教学目标：（1）学习FUNAC数控系统的基本操作流程；（2）熟悉数控车床基本加工操作过程；（3）通过仿真软件环境模拟零件的加工过程，使学生掌握车削回转体类零件的加工工艺编排、程序的编制要点与机床的刀具、夹具、量具的正确安装与操作等；教师在教学示范阶段的讲解应注重对虚拟机床设备使用的方法进行详细的介绍，通过一个完整工件的加工突出训练项目的重点和难点、以及所注意的技能知识操作点、同时强调安全操作规范等，每一个仿真实训科目教学教师都要精心设计组织自己的示范过程，安全、准确的模拟现场操作的步骤。

中国石油大学（华东）石油工业训练中心自2004年开展数车技能教学以来，全校共有12个专业1000人次参加实训并取得省一级的中级专业技能证书（如下图2、3所示），数控技术的技能培训深受广大工科学生的欢迎。

2.3 完善实习、实训教材充实教学内涵

针对虚拟仿真教学的特点，以现代技术教育为手段，完善多媒体教学课件的设计与制作，体现高新技术的技能教学特色。统一规划、分步实施，逐步建立、健全一个以先进制造技术为主导，高目标、高起点、高要求的教学与操作、应用与培训相结合的数控教学实习体系，并且建设与省接轨的技能仿真实训室。并组织相关人员认真研究实习实训教学大纲，编写出适合的培训教材和题库，针对现在用到的SIEMENS系列和FANUC-oi系列的系统着重进行介绍和训练。

2.4 加强双师型教师培训

教师的教学理念及本专业的操作技能是影响教学质量的关键因素。一方面，要不断提高教师的学历层次，不断提高教师的知识结构。另一方面，要加大教师的实际操作技能的培训，教数控专业课的教师必须具备数控机床实际操作高级技能。在教学过程中，要求教师不断的学习科学知识，而且鼓励教师把知识转化为生产力，鼓励指导教师多从事生产科研活动，进行教学研究向指导型教师转化，以适应教学方法和教学目标改革的需要。

3 虚拟仿真培训教学存在的问题

3.1 虚拟环境与真实生产的差异

虚拟仿真教学平台不能完全替代具体的操作技能训练，在虚拟的环境中学习，由于虚拟培训系统里的设备都是接近理想化，同时虚拟教学中可以累积犯错，容易对学生造成一种误导，这与真实加工的生产现场有所不同，面对现实操作环境里存在的各种各样问题应注意在教学过程中予以强调。

3.2 虚拟现实的效果还有待加强

目前虚拟现实技术侧重于模型几何表示，缺乏逼真度高的的物理行为模型，虚拟现实技术在感知方面，视觉合成研究的较多，这就造成真实性与实时性不足，使本来直接的、面对面的师生交流削弱了，影响了教学效果。

3.3 虚拟仿真教学中教师对教学进程的控制力受到挑战

虚拟仿真培训教学要求学生要有良好的学习自觉性，在整个仿真培训教学的过程中教师的连续引导作用逐步减少，其主导作用会被减弱，如果自由度太大，容易使学生的学习偏离预定的教学目标，而且削弱职业道德与素质教育。

4 小结

随着计算机应用技术的发展，虚拟现实技术的硬件与软件成本不断降低，虚拟仿真培训教学法作为一种新型的教学手段，已广泛应用于高效工程实践教学中并发挥重要作用。在高校中推行“职业资格培训”，鼓励学生参加职业技能培训，通过课程体系与模式的改革以实现工程实习实训教学办学思路的转变，开展不同层次的培训，以综合素质培养为基础，全面提高学生质量，使大学生具备相应职业技能的竞争优势形成新的工程实践教学机制，突出职业技能培养为特色，实行“双证制”教育，从根本上解决现代加工技术实习与实训的教学需要。

【参考文献】

[1]关于数控机床操作技能训练模式的探讨.周万春.《中国现代教育装备》.2006（2）.

[2]数控加工技術课程的模块化教学研究.缪晓红.《新课程研究（中旬刊）》.2009（1）.

[3]数控机床操作技能培训模式探讨.李晔、于洪娟.《科技创新导报》.2014（11）.