基于云计算环境下的数控加工虚拟仿真教学模式研究

李姗姗

摘要：从实验教学角度出发，深入探讨了学生重理论轻实践的现象及原因，结合本学院的发展目标并参考国内外其他高校关于虚拟网络教学的成功案例，提出了基于云计算环境下提高学生理论联系实践能力的虚拟教学模式研究。这种教学模式特别适合当前的疫情环境，它不仅改善了实验教学环境，同时增强了学生对理论知识的理解和工程实践能力的培养，弥补了当前现行实验教学存在的不足。

Abstract： From the perspective of the experimental teaching of "Numerical Control Technology"， the phenomenon and reasons why students emphasize theory and neglect practice are discussed in depth， combined with the development goals of the college and referring to the successful cases of virtual network teaching in other universities at home and abroad， this paper proposes a cloud computing environment Research on virtual teaching mode to improve students' ability to link theory with practice. This teaching mode is particularly suitable for the current epidemic environment. It not only improves the experimental teaching environment， but also enhances students' understanding of theoretical knowledge and the cultivation of engineering practice capabilities， and makes up for the current deficiencies in current experimental teaching.

关键词：先进制造;数控模拟;综合实验

Key words： advanced manufacturing;numerical control simulation;comprehensive experiment

中图分类号：G642.0                                 文獻标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）21-0245-03

0  引言

近年来通过云计算构建的虚拟系统已经广泛应用到各个领域，但基于数控加工中心方面的实践教学还很少，笔者申请教改项目的想法是基于互联网下的广泛应用，通过网络将智能手机、电脑等智能设备与学院服务器连接起来，构建一个适应于实践教学的信息化平台。在这个平台上支持老师视频教学、网上布置作业、在线答疑等，学生可以通过课余时间进行学习、与老师或同学间在线讨论、也可以通过学院服务器进行后台高效率的计算等一系列操作，这将是一种全新的上课模式，它相比于传统上课方式具有以下几个优势：学生上课时间更加弹性化、可针对自身感兴趣的课程自主深入学习;同时老师可以采用在线学分制对学生进行考核，最终实现实验教学与学生主观能动性的有效结合，这种教学方式不仅提升了学生对课程的理解同时培养了学生间的协作能力，从而达到提高教学质量的目的[1]。

1  数控加工综合实验教学现状

数控加工综合实验是机械设计制造及其自动化专业、车辆工程专业必修内容之一，一般设有FANUC系统数控车床编程与模拟、FANUC系统数控铣床编程与模拟及CAM后处理三部分实验项目，每个实验项目都有相应的实验目的与要求。

三部分实验内容是数控机床实际操作的基础，可以让学生初步掌握数控编程基本方法和技能，同时对数控机床的基本操作有一定了解。但由于上课的时间、地点、仪器的数量等有许多限制性的要求，学生不能开放思维，只是单纯的为了修学分惯性的记忆和接收从中获得感性认识，对提升学生独立思考和分析能力有一定限制。

2  云平台的搭建

云计算平台简称云平台，它是基于计算和数据存储处理并行的综合型计算平台，云计算虚拟实验平台主要由SaaS层、PaaS层、IaaS层、Custom层4层组成，整体构架如图1所示。可以看出在云平台上教学资源信息、虚拟应用与计算、安全存储与监控等一系列功能通过互联网连接起来构成一个虚拟环境，在虚拟空间中将本地、异地的实验用户与虚拟实验室连接起来，从而实现虚拟实验教学、课程管理的目的。通过在线教学与课堂教学的相结合，使学生在进一步掌握和巩固理论知识的同时，充分发挥学生独立思考、协同合作、应用拓展等能力，使之成为一门综合型、设计性、实用性的实验课程[2]。

2.1 IaaS层

IaaS层的含义是基础设施及服务，它是云服务的最底层，主要提供计算资源、存储资源、网络资源以及必要的电力资源、IP资源等一系列基础资源实现基础设施的使用逻辑;与此同时IaaS层还要针对不同客户的需求形成特定类型的产品。

用户在智能设备上通过账号进行身份确认，构建虚拟实验场景与结构，对实验过程产生的数据进行存储与管理，为后期的实验效果评估提供数据基础，与此同时可以通过视频录制的方式记录操作过程，便于后期查找问题。

2.2 PaaS层

PaaS层的含义是平台即服务，它构建在IaaS层之上，面向虚拟实验开发人员，为开发各类基于云计算的虚拟实验应用软件提供基础，与此同时可以实现对实验状态进行监视，跟踪实验过程，通过对采集的实验状态进行分析和推理给出智能指导等[3]。

2.3 SaaS层

SaaS层的含义是软件即服务，它构建在PaaS层之上，学生可以进行如下功能操作：①虚拟实验平台：在该平台中有课程体系选择、课程（实践）测试、知识竞赛等界面。比如学生选择数控加工中心模拟仿真课程体系，学生通过课堂讲授、在线视频的学习后，进入实践测试环节进行可视化的仿真和后处理等操作。②实验管理平台：对所有实验课程进行系统管理，布置作业、批改实验，并对实验进行评估等，老师定期根据评估意见调整上课模式并对大多数学生理解不好的地方再次进行深入讲解。③在线交流平台，为学生进行答疑解惑[4]。

2.4 Custom层

在客户端为用户进行虚拟实验提供的接口。

3  虚拟教学环节的应用

学生只需要一台电脑/手机以及有效的网络连接，在指定网站上通过身份认证就可以进入到虚拟实践教学平台。在网上学生可以免费下载各个领域的教学视频、相关专业的电子书、大型工程应用软件等，也可以在虚拟平台上讨论自己在科研中所遇到的问题或分享学习心得，相互鼓励与借鉴达到共同进步的目的[5-6]。

同时虚拟平台也可以进行在线的网络教学，通过图2可以看到它包含：课程选择、实验管理、在线交流三个功能模块。学生进入系统后先选择必修的实验课程，可以看到虚拟仿真软件中有许多个模块，如CA6140机床内部结构传动与拆装、数控机床模拟与加工、CAM程序后处理等。学生完成课程选择后，需要进行课前预习，了解本实验的实验原理、实验目的以及相关知识点，然后开展仿真实验。以“数控机床模拟与加工”模块为例，学生可根据图纸设定毛坯、定义刀具、通过毛坯试切的方式建立工件坐标系原点、程序的编辑与传输以及最后的模拟加工，学生都可以在线进行反复的操作与练习，在这个过程中提高熟练程度。最后进行实验考核，实验完成后系统自动生成实验报告并给出实验成绩，学生可在个人中心查看自己的实验报告和历史成绩。

该平台的优势在于：学生在线学习过程中遇到问题可随时与线上教师进行远程文字/语音/视频求助，这样实现了学生-老师之间的一对一的辅导，同时也避免了有些较为内向的学生不愿当面解惑的窘境。老师通过学生的在线反馈快速了解教学难点在哪儿，在课堂上可有针对性的进行更为深入详细的讲解。这种远程的虚拟仿真实验教学平台有效的改善了传统教学中存在的“重理论、轻实践”的问题，通过理论与实践有效的结合，使学生达到学以致用的目的，也为后期的现场实践教学打下坚实的基础。可以看出，云平台是课堂教学的补充和延伸，是保证实践教学环节安全的保障。

4  虚拟与实践的结合

基于前期的虚拟仿真，实践过程环节将以小组的形式进行责任分担，制定详细的加工工艺计划，出现问题集体讨论并且由老师从中协助，从而得到最优的加工方案。通过这一系列的操作有效的将以前所学的专业知识如几何量公差与测量、机械制造技术基础、数控技术等一系列的课题有机的结合在一起，使学生将所学的知识与实践有效的结合起来，形成一个较為深刻系统的认识，并对学生协作动手能力的提高有一定的帮助。

在零件实际加工过程中，由于有了之前的反复模拟练习，学生在实际操作中显得更加的得心应手，不仅提升了学习兴趣还增强实践动手能力的培养。避免了以往老师害怕学生不熟练出现误操作，而采取的机床演示性教学的模式，这种模式学生参与感差，学习效果不好。

加工完成后组织学生进行零件的加工质量评估，它包括了加工精度和表面质量，具体流程如图3所示，最后填写检测报告[7]。

5  结语

数控加工综合实验可以让学生更加深入细致地学习数控机床加工的相关知识，在实验动手能力、独立思考能力、分析总结能力、团队协作能力上都得到了综合的训练。同时提高了学生的学习兴趣和积极性，以及对实验内容的理解和掌握，使学生在机械制造专业素质上得到了有效提升，为我国装备制造业输送高水平专业人才。

参考文献：

[1]李玮.三维数控仿真实验系统的研究与开发[D].东华大学，2009.

[2]王崇霞，张剑妹，赵晓丽，等.基于云计算的虚拟项目实验教学模式研究[J].计算机教育，2016（002）：176-177.

[3]鲁慧民，刘刚.基于云计算理念的虚拟实验教学系统设计探讨[J].实验技术与管理，2012（04）：344-347，354.

[4]张乃千，杨海，周丽涛.基于云计算的虚拟实验云平台设计[J].计算机教育，2015（01）：39-44.

[5]任小中，苏建新，杨丙乾.《数控技术》虚拟实验教学系统的研究[J].实验室科学，2009（004）：61-63.

[6]尹玉军，杨绍敬，李影真.网上虚拟实验室在数控加工实习与教学中的应用[C].华北，西南地区高等学校金工教学学术年会，2010.

[7]李金华，姚芳萍.虚实结合的数控机床实验教学模式探索与实践[J].实验室科学，2015（04）：65-67.