中職數控專業實施虛擬仿真教學的對策

陳堅

摘 要：中職數控專業運用虛擬仿真技術開展實訓教學，能夠讓學生深入理解和掌握數控機床的操作知識，可有效鍛煉學生的實踐操作能力，提高學生的學習效率。梧州岑溪市中等專業學校數控專業教學存在資源不足、方法單一等問題，為此該校構建“雙環四步、虛實交融”虛擬仿真教學模式，通過科學設定教學內容、教學目標和教學重難點，以及科學施教等對策，提高數控專業虛擬仿真教學質量，培養高素質的技能人才。

關鍵詞：虛擬仿真；數控專業；實訓教學；中職學校

中圖分類號：G63 文獻標識碼：A 文章編號：0450-9889（2024）05-0140-05

近年來，社會對數控專業人才的需求越來越旺盛，在此背景下，各中職學校不斷加大數控專業人才的培養力度。但是，對學習基礎、學習能力相對薄弱的中職生而言，學習數控專業存在較大的難度：一是理論學習要求高。數控專業包括機械設計、計算機科學等多個領域的理論知識，內容繁雜，要求高，中職生的學習基礎較弱，難以理解和掌握數控專業的相關理論知識。二是實踐技能要求高。數控專業的實踐操作需要掌握機床操作、編程等技能，要求中職生具備很強的動手能力，這對不少中職生而言具有較高的學習難度。三是知識更新快。數控技術更新換代快，需學生不斷學習新的知識和技能，對中職生的學習能力和適應能力均有較高要求。四是學習方法欠科學。部分中職生沒有制訂合乎自己的計劃，也沒有找到科學的學習方法，這就使得學習效果并不理想。五是學習興趣不高。由于數控專業涉及的知識面廣，知識內容枯燥，部分中職生對學習數控專業的興趣不高，影響了學習效果［1］。

虛擬仿真技術是一種通過計算機模擬真實環境的技術，利用該技術可以創建一個與現實相似的虛擬環境，讓學生在這個環境中進行實踐操作，從而達到預期的學習目標。虛擬仿真技術用于數控專業教學具有以下四個方面的積極作用：一是減少學生學習理論知識的依賴。運用虛擬仿真教學，學生不用過于依賴教材和教師，通過仿真講解就可以達到較好的學習效果。二是提升了學生的實操技能，提高了學生數控加工的效果。虛擬仿真技術可以提供一個與真實平臺類似的實操平臺，促進學生更好地進行實踐操作，提高了學習效果。三是拓寬了學生的專業知識面，提高了學生的創新能力。通過運用數控虛擬仿真軟件進行教學，學生能夠在生動逼真的數控操作平臺上學習，變被動接受為主動學習，培養了學生的創新意識。四是提高了學習效率。虛擬仿真技術可以讓學生反復實踐操作，不受時間和地點限制，不用考慮資源成本，提高了學習效率。五是提高了學生的實操安全系數，減少數控機床設備發生故障的次數。在數控加工專業課教學中運用虛擬仿真技術，避免了學生在剛學習實操時因操作不熟練而容易出現失誤，進而出現人身安全和損壞機床設備等問題，提高了學生實訓過程中的安全性。六是提高了學生的學習興趣。虛擬仿真系統有充足的教學資源和形象的教學內容，能有效激發學生的學習主動性。下文，筆者將以梧州岑溪市中等專業學校（以下簡稱我校）數控專業為例，具體分析該專業教學存在的突出問題，提出實施虛擬仿真教學的措施，并以數控車加工小葫蘆實訓教學為例，具體論述虛擬仿真技術在專業教學中的應用。

一、我校數控專業教學存在的問題

（一）實訓硬件資源不足，實訓教學資源消耗大、成本高

制造行業需要的是水平高、技能硬的技術型人才，這就要求數控專業培養的學生具備豐富的理論知識和過硬的實操能力。但在實際中，由于數控機床設備價格較高，所以有部分中職學校的實訓設備在數量上不能滿足學生的學習需求。如，我校目前機械類專業有13個班共574名學生，現有數控車床僅4臺、數控銑床僅3臺。過去上實訓課，往往是10余名學生共用1臺數控機床，導致有不少學生只能觀摩不能真正動手實操，實訓教學人均操作時間很少，學生缺乏充足的實訓機會。而且數控機床是高功率設備，用電多，消耗大，設備維修成本高，一般學校難以承受這么大的投入。導致這些問題的原因主要有以下兩個方面：一是我校缺乏實訓條件，數控專業實訓設備投入巨大。由于數控器材價格高，且我校是縣級中職學校，經費有限，資金比較匱乏，致使數控實訓設備緊缺，數控車床、數控銑床等的擁有量均不能滿足開展數控實訓教學的需求。二是學?，F有的數控機床已經陳舊，而且使用次數多，設備經常出現各種故障，由于維修費用較高，個別機床損壞后難以得到及時維修與更新，因此設備常常會閑置或無法使用，這給數控專業實訓教學造成一定的困難。

（二）專業教學方法比較單一

數控專業實訓教學的關鍵在于讓中職生掌握更多實踐技能，而在實際教學過程中，很多教師主要采用“講授式”教學方法，也就是“理論講授+實操訓練+頂崗實習”的教學方法，且在前兩個環節中以教師講授為主，這容易導致數控專業理論知識和實踐操作脫節，學生在學習理論知識時很少有機會參加實踐。而且，這樣的教學方法還存在理論學習和實訓相隔時間太長的問題，這就導致不少學生難以做到學以致用，學生的動手能力不強。因為實踐能力得不到真正提高，缺乏實踐和創新的機會，所以很多學生提不起學習興趣，學習效果不佳。導致這些問題的原因主要有以下三個方面：一是教師的教學觀念比較落后，缺乏創新意識。二是我校的教學資源有限，無法提供足夠的實訓設備，教師的教學過于注重理論而忽略實訓教學，理論與實踐脫節。三是教師的教學理念比較主觀和片面。有些理論課教師在兼任實訓教學過程中受自身思維方式的限制和主觀意愿的影響，存在偏重理論、輕視實訓的現象［2］。

（三）不同的數控機床系統給教學增加難度

隨著數控機床技術發展，數控機床的系統和種類不斷更新，因此要求中職生掌握多種數控系統及數控機床的操作技能，在一定程度上增加了學習的難度。另外，由于教學資源分配和教學成本等原因，中職學校不可能擁有全部的不同類型的數控系統及數控機床，這也給數控專業實訓教學增加了難度。目前，我校有華中系統的數控車床2臺、法蘭克系統的數控車床2臺，有法蘭克系統的數控銑床3臺。鑒于兩個系統的編程不同和操作面板不同，學生要學習兩個系統，這增加了教師的教學工作量和學生的學習難度。導致這些問題的原因主要有以下兩個：一是各級技能大賽采用的數控機床的系統不同。如，2023年梧州市技能大賽數控比賽使用的是華中系統的數控車床，而自治區級技能大賽使用的是法蘭克系統的數控車床。二是各個企業所使用的數控系統不同，這就要求學生熟悉不同的數控系統，以適應企業的需求。

二、構建“雙環四步、虛實交融”的數控加工虛擬仿真實訓教學模式

針對數控加工實訓教學存在的實訓設備少、數控系統型號多和教學方法陳舊等問題，我校經過不斷的實踐探索，構建了一個具有本校特色的“雙環四步、虛實交融”的數控加工虛擬仿真實訓教學模式（如圖1所示）。

（一）“雙環四步、虛實交融”教學模式的內涵

“雙環四步、虛實交融”教學模式主要包含“雙環”和“四步”兩個方面的內容。其中，“雙環”是指數控加工實訓教學有虛擬仿真練習和實際操作練習兩個環節。每一個數控加工實訓項目都要針對不同的數控系統和實訓內容進入虛擬仿真練習環節，只有當學生在虛擬仿真練習操作達到純熟、檢查無誤的程度后，再安排學生進入實際操作練習環節，從而達到減少學生對實訓設備的依賴、提高實訓效率和實訓教學質量等目的。

“四步”是指設計、實施、檢查、評價四個步驟，上述“雙環”的每一個環節都包括這四個步驟。在進入虛擬仿真環節前，教師根據企業崗位工作和教學要求分解教學任務，設計教學內容，然后發布給學生。學生根據教學任務要求，在虛擬仿真系統中進行模擬訓練，直到任務訓練無誤、操作得當、動作純熟后，再請示教師進行考核檢查。在學生進行仿真訓練過程中，教師對每一名學生進行考核評價，如果發現學生仍然達不到實操訓練要求，則讓學生回到第一步重新領取任務，在虛擬仿真實訓環節內不斷訓練，如此循環，直到通過仿真訓練考核評價并認定已經達到了實操訓練要求，再安排學生進入實操練習環節。在實操訓練環節，教師設計相關的實操練習任務，學生領取實操練習任務后進行實操練習，完成訓練內容或加工出樣品后，再申請實操教師進行檢查。經實操教師評價，如果認定實操練習不合格，但不合格的情況比較輕微，學生可以回到實操練習的第一步，領取任務再做；如果不合格的情況比較嚴重，學生則重新回到虛擬仿真練習環節，直至完成實操練習任務為止；如果實操練習合格，學生就完成本任務實訓，可以領取下一個實訓任務。

（二）“雙環四步、虛實交融”教學模式的實踐意義

一是有利于節約教學成本，減少機床設備和其他耗材的投入。為了有效開展數控加工實訓教學，我校運用“CAXA數控車+斯沃”虛擬仿真軟件進行教學，這兩個虛擬仿真軟件都可以免費下載安裝使用。加上原有的CAD/CAM實訓室，我?，F有的虛擬仿真實訓室能同時滿足54人進行數控車、數控銑、數控加工等內容的實訓教學。虛擬仿真軟件的引入，減少了我校在購買昂貴設備上的投入，減少了刀具等耗材的損耗，大大節約了教學成本，同時也滿足了專業教學的基本需求。

二是有利于循序漸進地提高學生的專業技能，引導學生牢固樹立操作安全意識。在引入虛擬仿真教學軟件之前，我校教師往往是按小組、分批次進行數控車床操作方法的講解，10余人為一個批次。但是，據筆者觀察發現，由于每一批次的人數較多，總有某些學生因種種原因難以看到教師的操作示范，嚴重影響教學效果。此外，在學生自主練習階段，由于這部分學生或不懂或似懂非懂就很容易造成撞機、損壞刀具等情況，甚至出現學生不按規程操作，導致機床撞機或是刀具、工件飛出傷人。采用虛擬仿真軟件教學后，相當于每名學生有了一臺虛擬數控機床，可以確保學生實操時的安全。教師用屏幕廣播講解，保證學生人人都看得見、聽得到，學生也有了足夠的練習時間。如果出現失誤操作造成“撞機”，學生就能聽到虛擬仿真軟件發出的撞機噪聲，從而引起學生的重視，及時改正錯誤，總結經驗。

三是提高了加工程序的糾錯效率。虛擬仿真軟件具備程序糾錯功能，學生在計算機上編寫數控加工程序后，直接導入斯沃數控仿真系統進行模擬加工。如果程序有問題，系統就會報警顯示具體哪個部分出現錯誤，只有更正程序后，系統才會進行后續仿真加工演示。這樣有利于學生的學習和思考，節約糾錯時間，效率高，針對性強。

（三）數控專業虛擬仿真實訓教學的主要內容

1.基于UG NX軟件的集成仿真驗證模塊的仿真教學

UG NX軟件是一款廣泛用于機械設計制造領域的CAD/CAM軟件，它具有強大的虛擬仿真功能。在數控加工虛擬仿真實訓教學中，教師可以采用UG NX軟件的集成仿真驗證模塊，對數控加工過程進行全面模擬和分析。具體來說，該模塊包括以下三個方面的教學：①機床運動學模型仿真。通過對數控機床的運動學模型進行建模和虛擬仿真［3］，預測機床在加工過程中的運動軌跡和速度變化情況，為學生提供更加直觀的教學過程。②刀具路徑仿真。通過對數控加工程序中的刀具路徑進行分析和虛擬仿真，預測刀具在加工過程中的位置和姿態變化情況，讓學生更好地理解數控加工的原理和技術。③材料去除過程仿真。通過對數控加工過程中的材料去除過程進行建模和虛擬仿真［4］，預測工件表面的質量和形狀變化情況，為學生提供更全面的教學指導。

2.基于鳳凰創壹數控專業虛擬仿真教學實訓系統的練習

鳳凰創壹數控專業虛擬仿真教學實訓系統，是一款專門為數控機床專業教學設計的虛擬仿真系統，學生在虛擬仿真的環境中深入學習數控機床設備的各種型號、類型，并模擬操作數控機床進行加工工作。該系統在數控機床專業教學中有著舉足輕重的地位，它利用虛擬仿真技術模擬數控機床設備的加工環境和加工狀態，讓學生能看、能聽、能學、能操作。該教學模塊有以下三個優點：①擁有豐富的數控機床模型庫。該系統內置了多種型號、類型的數控機床模型，為學生提供更加真實的實踐學習環境。②靈活的操作界面。該系統采用直觀、易懂的操作界面，學生能夠快速上手并進行實踐操作。③全面的教學內容。該系統涵蓋了數控加工各個方面的內容，包括編程、工藝規劃、刀具選擇等，為學生提供全面的學習資源。

3.基于斯沃數控仿真軟件的加工過程模擬練習

加工過程仿真是一種有效的數控虛擬仿真教學方法，其通過將虛擬仿真技術與數控加工實踐教學相結合，能夠提高學生的實操能力和技術水平［5］。加工過程仿真在現代制造業中具有至關重要的作用。首先，有助于優化切削參數，提高加工效率。通過模擬加工過程，發現現有軌跡中存在的問題和參數設置出現錯誤的部分，對切削參數進行修正。其次，有助于在加工過程中，根據刀具磨損的程度，預測加工精度和工件的表面完整性。仿真模擬可以提前預測刀具的磨損情況，避免因刀具磨損導致的加工誤差。

綜上所述，數控虛擬仿真教學是一種非常有效的教學方法，它可以為學生提供一個安全、高效和經濟的實踐環境，幫助學生更好地掌握數控加工的知識和技能。下面，筆者運用此方法實施數控加工實訓教學。

三、虛擬仿真技術在數控加工實訓教學中的應用

（一）科學設定教學內容、教學目標和教學重難點

本文以數控車加工小葫蘆實訓教學為例，具體論述虛擬仿真技術在數控專業實訓教學中的應用。筆者明確了本次實訓課程的教學內容、教學目標、教學重點、教學難點及開展虛擬仿真教學的優勢。

首先，筆者明確教學內容有以下四個方面：①數控編程基礎，學習數控編程語言的基本語法、常用指令和編程方法，掌握數控編程的基本技巧；②數控車削工藝，學習數控車削的工藝特點、切削參數的選擇、刀具的選擇和裝夾方法等；③虛擬仿真練習，學習電腦繪圖，自動生成程序，然后進行虛擬仿真練習；④數控車削實例，通過實際操作，進行小葫蘆零件的數控車削加工，過程包括零件的尺寸測量、刀具的選擇和裝夾、程序編寫、加工過程控制等。

其次，筆者設定以下三個方面的教學目標：①知識目標，使學生掌握數控車床的基本知識和技能，熟悉數控車削的工藝特點和編程方法；②技能目標，培養學生具備獨立完成數控車削加工的能力，能夠根據零件圖紙編寫數控程序，能夠使用虛擬仿真軟件驗證數控程序是否正確，并熟練操作數控車床進行加工；③素養目標，培養學生良好的職業道德和職業素養，團隊協作能力和創新意識。

最后，筆者設定以下教學重點和難點：①教學重點，數控編程基礎主要學習數控編程語言的基本語法、常用指令和編程方法，掌握數控編程的基本技巧；虛擬仿真練習，主要學習電腦繪圖，自動生成程序，虛擬仿真練習；數控車削實例，主要通過實際操作，加工完成小葫蘆零件。②教學難點，關于數控編程基礎，學生需要掌握一定的數學和計算機知識，才能更好地理解和掌握數控編程；關于數控車削工藝，主要涉及多種切削參數的選擇和刀具的裝夾方法，學生要在實踐中不斷摸索和總結。

（二）運用虛擬仿真技術科學實施數控車削實訓教學

首先，筆者引導學生學習數控編程語言的基本語法、常用指令和編程方法，熟練數控編程的基礎技巧。然后，筆者指導學生運用CAXA數控車軟件設計小葫蘆的CAD造型；按照給定的任務圖紙，引領學生應用CAXA數控車軟件正確繪制小葫蘆2D模型。由于學生已有CAD軟件繪圖基礎，該過程學生能快速完成。接著，筆者向學生講解各項加工參數的含義與正確設置，細致講解各項加工參數一般設定值，如刀具設置、切削用量選擇、進退刀方式確定等。隨后，筆者要求學生進行以下實踐：①進行刀軌生成與優化，讓學生了解加工輪廓、毛坯輪廓、進退刀點的選擇，生成刀軌并進行分析，然后優化刀軌，提高加工效率。②進行動態加工軌跡仿真，即讓學生在CAXA數控車軟件進行動態加工軌跡仿真。③程序后置處理設置，讓學生把刀軌生成G代碼。④程序傳輸與模擬仿真加工，讓學生把生成的G代碼傳輸至斯沃Fanuc數控仿真系統進行模擬實體加工。若學生的加工程序有誤，在模擬仿真加工中系統就會發出報警提示，便于學生及時進行程序的修正。若學生編輯的加工程序正確，學生就能看到一個自己獨立完成模擬加工得出的小葫蘆模型，進一步增強學生的自信心，也為后續數控車削實踐奠定了堅實的基礎。

其次，在學生完成虛擬仿真練習后，筆者指導學生進行實訓加工。數控加工仿真軟件只能起到模仿加工過程的作用，但不是真正的加工過程，它不能百分百代替真實的教學。特別在數控加工實操過程中，由于仿真系統和實操機床在本質上不一樣，仿真系統不能替換學生在真實機床上加工時獲得的真實感覺，如在體會選擇切削用量方面［6］。所以，教師在實施教學時應適當考慮教學的時間，合理安排仿真實訓與實際在數控機床上的實訓的時間，讓學生有更多時間在實際機床上操作加工。學生先在仿真系統上模擬加工零件，再在機床進行實際加工，如此就能提高程序的正確率，降低在實際加工環節由于程序錯誤而出現安全事件的發生率［7］。

最后，筆者對虛擬仿真教學進行反思。通過虛擬仿真教學與數控加工實訓教學相融合，我校構建了一個具有本校特色的“雙環四步、虛實交融”虛擬仿真教學模式，很好地解決我校數控專業設備不足、耗材大、教學成本高、教學方法單一等難題，并有效實現了多種系統的協同教學。此外，虛擬仿真教學能提高學生的學習興趣和積極性，增強學生的實踐操作能力，提高教學質量和學生的安全文明生產意識。然而，虛擬仿真教學也存在一些不足之處：一是硬件設備要求較高。虛擬仿真教學需要高性能的計算機和專業的軟件支持，對硬件設備的要求較高。二是教師素質要求較高。虛擬仿真教學需要教師具備一定的計算機技術和虛擬現實技術知識，對教師的素質要求較高。這些都是我?；蚱渌新殞W校今后要努力解決的現實問題。

總體來說，利用虛擬仿真技術實施數控專業實訓教學具有諸多優勢，可以提高學生的學習興趣，可以提升學生的實踐操作能力，也可以節省教學資源、教學投入，還可以很好地提高教學質量。但在實際應用中，教師還需要不斷完善和優化，探索更有效的教學對策，不斷克服困難、解決問題，才能提高采用虛擬仿真技術實施專業教學的質量，從而向社會輸送更多高素質的技能人才。

參考文獻

［1］張廷.中職數控教學中存在的問題與對策研究［J］.科普童話，2019（7）：85.

［2］楊微，王蜜.中職學校數控車床實訓課程教學存在的問題及對策［J］.長春師范大學學報，2021（4）：152-154.

［3］黃振沛，樓建勇，吳陳燕.基于VERICUT的數控加工仿真技術研究［J］.機械工程師，2008（8）：75-77.

［4］陳良驥，劉元朋，王永章.五軸數控加工材料去除過程仿真方法的研究［J］.機械制造，2007（9）：9-11.

［5］賀聲陽，徐晗，卞迪，等.數控加工虛擬仿真的教學改革研究［J］.工業和信息化教育，2022（1）：90-94.

［6］鄧敏.虛擬仿真技術在數控教學中的應用［J］.廣東蠶業，2018（8）：63+65.

［7］郝二濤.應用虛擬仿真技術提升中職數控教學效率的研究［J］.南方農機，2018（19）：118.

（責編 蒙秀溪）