基于云計算環境下的數控加工虛擬仿真教學模式研究

李姍姍

摘要：從實驗教學角度出發，深入探討了學生重理論輕實踐的現象及原因，結合本學院的發展目標并參考國內外其他高校關于虛擬網絡教學的成功案例，提出了基于云計算環境下提高學生理論聯系實踐能力的虛擬教學模式研究。這種教學模式特別適合當前的疫情環境，它不僅改善了實驗教學環境，同時增強了學生對理論知識的理解和工程實踐能力的培養，彌補了當前現行實驗教學存在的不足。

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.

關鍵詞：先進制造;數控模擬;綜合實驗

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

中圖分類號：G642.0???????????????????????????????? 文獻標識碼：A???? ???????????????????????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0245-03

0? 引言

近年來通過云計算構建的虛擬系統已經廣泛應用到各個領域，但基于數控加工中心方面的實踐教學還很少，筆者申請教改項目的想法是基于互聯網下的廣泛應用，通過網絡將智能手機、電腦等智能設備與學院服務器連接起來，構建一個適應于實踐教學的信息化平臺。在這個平臺上支持老師視頻教學、網上布置作業、在線答疑等，學生可以通過課余時間進行學習、與老師或同學間在線討論、也可以通過學院服務器進行后臺高效率的計算等一系列操作，這將是一種全新的上課模式，它相比于傳統上課方式具有以下幾個優勢：學生上課時間更加彈性化、可針對自身感興趣的課程自主深入學習;同時老師可以采用在線學分制對學生進行考核，最終實現實驗教學與學生主觀能動性的有效結合，這種教學方式不僅提升了學生對課程的理解同時培養了學生間的協作能力，從而達到提高教學質量的目的[1]。

1? 數控加工綜合實驗教學現狀

數控加工綜合實驗是機械設計制造及其自動化專業、車輛工程專業必修內容之一，一般設有FANUC系統數控車床編程與模擬、FANUC系統數控銑床編程與模擬及CAM后處理三部分實驗項目，每個實驗項目都有相應的實驗目的與要求。

三部分實驗內容是數控機床實際操作的基礎，可以讓學生初步掌握數控編程基本方法和技能，同時對數控機床的基本操作有一定了解。但由于上課的時間、地點、儀器的數量等有許多限制性的要求，學生不能開放思維，只是單純的為了修學分慣性的記憶和接收從中獲得感性認識，對提升學生獨立思考和分析能力有一定限制。

2? 云平臺的搭建

云計算平臺簡稱云平臺，它是基于計算和數據存儲處理并行的綜合型計算平臺，云計算虛擬實驗平臺主要由SaaS層、PaaS層、IaaS層、Custom層4層組成，整體構架如圖1所示?？梢钥闯鲈谠破脚_上教學資源信息、虛擬應用與計算、安全存儲與監控等一系列功能通過互聯網連接起來構成一個虛擬環境，在虛擬空間中將本地、異地的實驗用戶與虛擬實驗室連接起來，從而實現虛擬實驗教學、課程管理的目的。通過在線教學與課堂教學的相結合，使學生在進一步掌握和鞏固理論知識的同時，充分發揮學生獨立思考、協同合作、應用拓展等能力，使之成為一門綜合型、設計性、實用性的實驗課程[2]。

2.1 IaaS層

IaaS層的含義是基礎設施及服務，它是云服務的最底層，主要提供計算資源、存儲資源、網絡資源以及必要的電力資源、IP資源等一系列基礎資源實現基礎設施的使用邏輯;與此同時IaaS層還要針對不同客戶的需求形成特定類型的產品。

用戶在智能設備上通過賬號進行身份確認，構建虛擬實驗場景與結構，對實驗過程產生的數據進行存儲與管理，為后期的實驗效果評估提供數據基礎，與此同時可以通過視頻錄制的方式記錄操作過程，便于后期查找問題。

2.2 PaaS層

PaaS層的含義是平臺即服務，它構建在IaaS層之上，面向虛擬實驗開發人員，為開發各類基于云計算的虛擬實驗應用軟件提供基礎，與此同時可以實現對實驗狀態進行監視，跟蹤實驗過程，通過對采集的實驗狀態進行分析和推理給出智能指導等[3]。

2.3 SaaS層

SaaS層的含義是軟件即服務，它構建在PaaS層之上，學生可以進行如下功能操作：①虛擬實驗平臺：在該平臺中有課程體系選擇、課程（實踐）測試、知識競賽等界面。比如學生選擇數控加工中心模擬仿真課程體系，學生通過課堂講授、在線視頻的學習后，進入實踐測試環節進行可視化的仿真和后處理等操作。②實驗管理平臺：對所有實驗課程進行系統管理，布置作業、批改實驗，并對實驗進行評估等，老師定期根據評估意見調整上課模式并對大多數學生理解不好的地方再次進行深入講解。③在線交流平臺，為學生進行答疑解惑[4]。

2.4 Custom層

在客戶端為用戶進行虛擬實驗提供的接口。

3? 虛擬教學環節的應用

學生只需要一臺電腦/手機以及有效的網絡連接，在指定網站上通過身份認證就可以進入到虛擬實踐教學平臺。在網上學生可以免費下載各個領域的教學視頻、相關專業的電子書、大型工程應用軟件等，也可以在虛擬平臺上討論自己在科研中所遇到的問題或分享學習心得，相互鼓勵與借鑒達到共同進步的目的[5-6]。

同時虛擬平臺也可以進行在線的網絡教學，通過圖2可以看到它包含：課程選擇、實驗管理、在線交流三個功能模塊。學生進入系統后先選擇必修的實驗課程，可以看到虛擬仿真軟件中有許多個模塊，如CA6140機床內部結構傳動與拆裝、數控機床模擬與加工、CAM程序后處理等。學生完成課程選擇后，需要進行課前預習，了解本實驗的實驗原理、實驗目的以及相關知識點，然后開展仿真實驗。以“數控機床模擬與加工”模塊為例，學生可根據圖紙設定毛坯、定義刀具、通過毛坯試切的方式建立工件坐標系原點、程序的編輯與傳輸以及最后的模擬加工，學生都可以在線進行反復的操作與練習，在這個過程中提高熟練程度。最后進行實驗考核，實驗完成后系統自動生成實驗報告并給出實驗成績，學生可在個人中心查看自己的實驗報告和歷史成績。

該平臺的優勢在于：學生在線學習過程中遇到問題可隨時與線上教師進行遠程文字/語音/視頻求助，這樣實現了學生-老師之間的一對一的輔導，同時也避免了有些較為內向的學生不愿當面解惑的窘境。老師通過學生的在線反饋快速了解教學難點在哪兒，在課堂上可有針對性的進行更為深入詳細的講解。這種遠程的虛擬仿真實驗教學平臺有效的改善了傳統教學中存在的“重理論、輕實踐”的問題，通過理論與實踐有效的結合，使學生達到學以致用的目的，也為后期的現場實踐教學打下堅實的基礎?？梢钥闯?，云平臺是課堂教學的補充和延伸，是保證實踐教學環節安全的保障。

4? 虛擬與實踐的結合

基于前期的虛擬仿真，實踐過程環節將以小組的形式進行責任分擔，制定詳細的加工工藝計劃，出現問題集體討論并且由老師從中協助，從而得到最優的加工方案。通過這一系列的操作有效的將以前所學的專業知識如幾何量公差與測量、機械制造技術基礎、數控技術等一系列的課題有機的結合在一起，使學生將所學的知識與實踐有效的結合起來，形成一個較為深刻系統的認識，并對學生協作動手能力的提高有一定的幫助。

在零件實際加工過程中，由于有了之前的反復模擬練習，學生在實際操作中顯得更加的得心應手，不僅提升了學習興趣還增強實踐動手能力的培養。避免了以往老師害怕學生不熟練出現誤操作，而采取的機床演示性教學的模式，這種模式學生參與感差，學習效果不好。

加工完成后組織學生進行零件的加工質量評估，它包括了加工精度和表面質量，具體流程如圖3所示，最后填寫檢測報告[7]。

5? 結語

數控加工綜合實驗可以讓學生更加深入細致地學習數控機床加工的相關知識，在實驗動手能力、獨立思考能力、分析總結能力、團隊協作能力上都得到了綜合的訓練。同時提高了學生的學習興趣和積極性，以及對實驗內容的理解和掌握，使學生在機械制造專業素質上得到了有效提升，為我國裝備制造業輸送高水平專業人才。

參考文獻：

[1]李瑋.三維數控仿真實驗系統的研究與開發[D].東華大學，2009.

[2]王崇霞，張劍妹，趙曉麗，等.基于云計算的虛擬項目實驗教學模式研究[J].計算機教育，2016（002）：176-177.

[3]魯慧民，劉剛.基于云計算理念的虛擬實驗教學系統設計探討[J].實驗技術與管理，2012（04）：344-347，354.

[4]張乃千，楊海，周麗濤.基于云計算的虛擬實驗云平臺設計[J].計算機教育，2015（01）：39-44.

[5]任小中，蘇建新，楊丙乾.《數控技術》虛擬實驗教學系統的研究[J].實驗室科學，2009（004）：61-63.

[6]尹玉軍，楊紹敬，李影真.網上虛擬實驗室在數控加工實習與教學中的應用[C].華北，西南地區高等學校金工教學學術年會，2010.

[7]李金華，姚芳萍.虛實結合的數控機床實驗教學模式探索與實踐[J].實驗室科學，2015（04）：65-67.