周棣華 趙懷昊 米憲儒 傅駿

摘? 要 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種前沿技術(shù)化手段，已得到高職院校和教師的廣泛關(guān)注。它應(yīng)用于教學(xué)，能改善學(xué)生學(xué)習(xí)環(huán)境，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，有效加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，提升學(xué)生實(shí)踐水平，豐富課堂教學(xué)方法。從職業(yè)教育發(fā)展需要虛擬仿真技術(shù)出發(fā)，分析虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在鑄造技術(shù)專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用及應(yīng)用策略，為高職院校鑄造技術(shù)等相關(guān)專業(yè)利用虛擬仿真學(xué)習(xí)系統(tǒng)提高教學(xué)質(zhì)量提供參考。

關(guān)鍵詞 高職;鑄造技術(shù);虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);實(shí)訓(xùn)

中圖分類號(hào)：G712? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）24-0045-03

Application of Virtual Reality Technology in Foundry Tech-nology Teaching//ZHOU Dihua， ZHAO Huaihao， MI Xianru， FU Jun

Abstract As a cutting-edge technology， virtual reality technology has been widely concerned by vocational colleges and teachers. It can be applied to teaching， improve students learning environment， improve students interest in learning， effectively deepen students understanding of knowledge， improve students practical level， and enrich classroom teaching methods. Starting from the need of virtual simulation technology in the development of vocational education， this paper analyzes the application and application strategy of VR technology in the teaching of foundry technology， which provides a?reference for the foundry technology and other related majors in?higher vocational colleges to use virtual simulation learning system to improve the teaching quality.

Key words higher vocational colleges; foundry technology; virtual reality technology; practical training

1 引言

四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院作為中國特色高水平高職學(xué)校建設(shè)單位，始終推進(jìn)學(xué)科專業(yè)設(shè)置與產(chǎn)業(yè)對(duì)接，強(qiáng)化傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)專業(yè)，打造新興專業(yè)，促進(jìn)學(xué)科專業(yè)動(dòng)態(tài)優(yōu)化、協(xié)調(diào)發(fā)展。最近完建的《高等職業(yè)教育創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃》虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心項(xiàng)目即材料成型虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心，運(yùn)用現(xiàn)有虛擬仿真項(xiàng)目開發(fā)引擎軟件、虛擬仿真實(shí)訓(xùn)軟件、工藝優(yōu)化虛擬仿真軟件、一體化機(jī)等軟硬件設(shè)備設(shè)施，并依托四川省航空材料檢測(cè)與模鍛工藝技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室、四川省高溫合金切削工藝技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室、四川省裝備制造業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室、德陽中科先進(jìn)制造創(chuàng)新育成中心等，形成產(chǎn)學(xué)研一體化的虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)體系。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高職院校發(fā)展的必要性

國家教育發(fā)展的需要? 以習(xí)近平新時(shí)代中國特色社會(huì)主義思想為指導(dǎo)，圍繞加快教育現(xiàn)代化和建設(shè)教育強(qiáng)國新征程，落實(shí)立德樹人根本任務(wù)，積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+教育”，堅(jiān)持信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合的核心理念，堅(jiān)持應(yīng)用驅(qū)動(dòng)和機(jī)制創(chuàng)新的基本方針，建立健全教育信息化可持續(xù)發(fā)展機(jī)制，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化、個(gè)性化、終身化的教育體系。為完善鑄造專業(yè)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)，積極推進(jìn)鑄造專業(yè)數(shù)字化、智能化、個(gè)性化的教育體系構(gòu)建需要新技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)的支撐。實(shí)現(xiàn)教育部制定的《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》目標(biāo)，推動(dòng)從專用教育資源向教育大資源、從提升師生信息技術(shù)應(yīng)用能力向全面提升其信息素養(yǎng)、從融合應(yīng)用向創(chuàng)新發(fā)展這三大轉(zhuǎn)變，構(gòu)建“三新”模式，需要VR技術(shù)。

鑄造專業(yè)發(fā)展的需要? 鑄造技術(shù)專業(yè)是不可或缺的傳統(tǒng)技術(shù)專業(yè)。近年來，3D打印、智能鑄造發(fā)展迅速，“工業(yè)4.0”[1]、“智能鑄造2025”等熱詞頻頻出現(xiàn)，信息化要求越來越高。鑄造行業(yè)的智能化速度加快，重點(diǎn)體現(xiàn)在：鑄造成型過程的數(shù)字化模擬與工藝優(yōu)化，縮短生產(chǎn)周期，提升產(chǎn)出效率;鑄造智能化機(jī)械設(shè)備和數(shù)字化生產(chǎn)線，改善工作環(huán)境;在鑄造生產(chǎn)中的各環(huán)節(jié)，如在造型與制芯、熔煉與澆注、精裝等工藝中，機(jī)器人得到廣泛應(yīng)用;紅外測(cè)溫等在線監(jiān)測(cè)技術(shù)、ERP、MIS等管理信息系統(tǒng)在鑄造生產(chǎn)過程中大量應(yīng)用;增材制造技術(shù)得到快速發(fā)展;鑄造車間數(shù)字化進(jìn)程加快。高職專業(yè)人才培養(yǎng)方案應(yīng)源于市場(chǎng)，培養(yǎng)的人才應(yīng)滿足市場(chǎng)需求。因此，加快鑄造技能人才信息化、智能化方面的培養(yǎng)迫在眉睫，亟待創(chuàng)新教學(xué)方法。[2]

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)及在鑄造專業(yè)教學(xué)中應(yīng)用的意義

隨著鑄造業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)水平的不斷提升，鑄件制造質(zhì)量的要求在不斷提高，鑄造行業(yè)的從業(yè)人員不僅要擁有豐富的專業(yè)理論知識(shí)，更要具有較強(qiáng)的生產(chǎn)實(shí)踐能力。目前，鑄造技術(shù)專業(yè)教學(xué)受到教學(xué)環(huán)境和教學(xué)設(shè)施的影響，依舊采取傳統(tǒng)的先理后實(shí)的模式，無法滿足新時(shí)代人機(jī)協(xié)同制造需求的高素質(zhì)人才的培養(yǎng)。作為新興的前沿信息化技術(shù)，VR技術(shù)是當(dāng)前教育領(lǐng)域最受歡迎的科學(xué)信息教學(xué)技術(shù)之一[3-5]。

推進(jìn)VR技術(shù)與鑄造技術(shù)專業(yè)教學(xué)的融合，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

VR技術(shù)的特點(diǎn)? VR技術(shù)主要包含交互性、多感知性與構(gòu)想性三方面的特點(diǎn)。鑄造專業(yè)的很多設(shè)備具有投資成本高、操作人員多、操作難度大、工作環(huán)境相對(duì)差等特點(diǎn)，利用VR技術(shù)的交互性特點(diǎn)，可以大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)實(shí)訓(xùn)效果;利用VR技術(shù)的多感知性特點(diǎn)，可以讓學(xué)生充分熟悉設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性能特點(diǎn);利用VR技術(shù)的構(gòu)想性特點(diǎn)，可以促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新性思維開發(fā)。在更注重工匠技能的高職教學(xué)中，應(yīng)用VR技術(shù)這種先進(jìn)的前沿信息技術(shù)手段能更有效地拓展學(xué)科視域和教學(xué)手段。

VR教學(xué)在高職鑄造專業(yè)教學(xué)中的意義

1）構(gòu)建空間思維，深化知識(shí)理解。教師在進(jìn)行教學(xué)時(shí)要注重激發(fā)學(xué)生在學(xué)習(xí)中的想象力和培養(yǎng)空間思維能力，結(jié)合生活實(shí)際，融合新舊知識(shí)，加深學(xué)生對(duì)新知識(shí)新工藝的理解。VR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，更容易幫助教師構(gòu)建出教學(xué)內(nèi)容所需的二維、三維教學(xué)情境，利用虛實(shí)結(jié)合的情境激發(fā)學(xué)生的聯(lián)想，提高他們對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，進(jìn)而提升創(chuàng)新能力。圖1為VR技術(shù)系統(tǒng)框架圖。

2）激發(fā)學(xué)生興趣，立足專業(yè)學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)的鑄造專業(yè)因工作環(huán)境等因素已逐漸淡出人們的視野，極少學(xué)生選擇。而現(xiàn)代鑄造技術(shù)逐步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、智能化，工作環(huán)境等改善巨大，VR技術(shù)的多感知性就能讓學(xué)生學(xué)習(xí)到最先進(jìn)鑄造知識(shí)，認(rèn)識(shí)先進(jìn)的鑄造設(shè)備，學(xué)習(xí)過程中受到多方面感官的刺激，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，效果明顯。

3）豐富教學(xué)手段，提升教學(xué)質(zhì)量。VR是目前前沿的信息化技術(shù)手段，將抽象的概念和實(shí)訓(xùn)操作過程通過制作仿真模擬軟件以圖形、視頻、可操作虛擬場(chǎng)景等方式真實(shí)生動(dòng)地展現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生從多維度學(xué)習(xí)。隨著近幾年的發(fā)展，相繼出現(xiàn)與VR技術(shù)某些相關(guān)的創(chuàng)新教學(xué)場(chǎng)景，如“VR小組協(xié)同交互課堂”“VR+5G沉浸式教學(xué)課堂”“VR多人協(xié)同大空間交互課堂”等[6]，教師的教學(xué)手段得到拓展，教學(xué)質(zhì)量得到較大提升。

4）拓展實(shí)踐教學(xué)，落實(shí)理實(shí)結(jié)合。高職教育培養(yǎng)技能型工匠之才，更為注重實(shí)踐教學(xué)。由于鑄造專業(yè)的專業(yè)特性，其實(shí)訓(xùn)基地投資高、建筑面積大、建設(shè)成本高、運(yùn)營成本高;又因建筑面積的限制，繼而出現(xiàn)科學(xué)性不強(qiáng)、布局不盡合理等缺陷，致使實(shí)訓(xùn)基地的設(shè)備實(shí)際使用率低，難以保障學(xué)生充分提高實(shí)踐能力。由于專業(yè)的特殊性，實(shí)訓(xùn)工位機(jī)器有限，實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)以觀察學(xué)習(xí)為主、動(dòng)手實(shí)操為輔，無法保證教學(xué)目標(biāo)的完成。最為重要的是，鑄造的部分設(shè)備，如熔煉爐、連續(xù)生產(chǎn)線等，實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)存在安全隱患，實(shí)習(xí)學(xué)生人數(shù)眾多的話，難以避免發(fā)生事故，這也是制約職業(yè)教育工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)發(fā)展的主要因素，嚴(yán)重影響學(xué)生的實(shí)踐能力和實(shí)踐水平。

VR中模擬出的真實(shí)環(huán)境，圖2為鑄造專業(yè)設(shè)備3D仿真場(chǎng)景，能使學(xué)生單獨(dú)、反復(fù)進(jìn)行實(shí)踐操作練習(xí)，直至掌握正確的操作規(guī)程。這樣既能提升學(xué)習(xí)效率和質(zhì)量，又大大降低了教學(xué)設(shè)備投入成本，且完全可避免安全事故的發(fā)生。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在鑄造專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用策略

VR技術(shù)與專業(yè)理論教學(xué)相融合? 在鑄造技術(shù)專業(yè)教學(xué)中，理論教學(xué)依然是重要的。VR融合理論教學(xué)模塊一般采用二維模式設(shè)計(jì)，根據(jù)課程章節(jié)制作VR課件，方便學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)實(shí)際選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容。同時(shí)，教師可以錄制課堂教學(xué)視頻作為學(xué)生學(xué)習(xí)的素材，豐富VR內(nèi)容。

VR技術(shù)與專業(yè)實(shí)踐教學(xué)融合? 實(shí)踐環(huán)節(jié)是高職院校教育的突出特點(diǎn)，作為實(shí)踐性強(qiáng)、工裝設(shè)備應(yīng)用頻繁的鑄造專業(yè)教學(xué)更加離不開實(shí)踐。進(jìn)行VR實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)課程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)專業(yè)教學(xué)大綱，使實(shí)踐教學(xué)模塊化。在鑄造技能基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)過程中，可分為整模造型模塊、分模造型模塊、挖砂造型模塊、刮板造型模塊等;亦可根據(jù)現(xiàn)行人才培養(yǎng)方案，分為初級(jí)技能教學(xué)模塊、中級(jí)技能教學(xué)模塊、高級(jí)技能教學(xué)模塊等。將實(shí)訓(xùn)教師的講解與實(shí)際操作過程通過三維建模、動(dòng)畫設(shè)計(jì)及制作、腳本編輯、場(chǎng)景設(shè)計(jì)等在Unity中再現(xiàn)仿真出來形成學(xué)習(xí)軟件，為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供多樣性素材。

鑄造專業(yè)虛擬仿真軟件制作? 教師在制作設(shè)備相關(guān)的VR課件內(nèi)容時(shí)，可以利用NX、CREO、Solidworks等3D建模軟件創(chuàng)建鑄造生產(chǎn)中使用的工裝、工具、設(shè)備等的三維模型，并可利用Unity制作出造型制芯、合箱、熔煉與澆注等規(guī)范操作動(dòng)作流程。另外，在鑄造造型、制芯過程中，可通過動(dòng)畫制作的方式為學(xué)生增添一些必要的鑄造生產(chǎn)過程效果圖，幫助學(xué)生了解最真實(shí)的鑄造情境。

5 結(jié)語

高等職業(yè)院校作為我國技能技術(shù)型人才的培養(yǎng)基地，在培養(yǎng)鑄造行業(yè)緊缺應(yīng)用型人才方面具有不可替代的作用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在構(gòu)建“三新”模式新形勢(shì)下的鑄造技術(shù)專業(yè)教學(xué)中越來越被重視，其不僅能改善鑄造專業(yè)學(xué)生的實(shí)訓(xùn)環(huán)境，還能在很大程度上深化學(xué)生對(duì)鑄造生產(chǎn)過程的了解、鑄造設(shè)備的結(jié)構(gòu)認(rèn)知和提高鑄造設(shè)備操作技能。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中應(yīng)用的不斷推廣和深入，教學(xué)理念、教學(xué)方法、教學(xué)評(píng)價(jià)等不同層面不斷創(chuàng)新教學(xué)模式，如“VR小組協(xié)同交互課堂”“VR+5G沉浸式教學(xué)課堂”“VR多人協(xié)同大空間交互課堂”等創(chuàng)新教學(xué)場(chǎng)景相繼出現(xiàn)，能最大限度地滿足鑄造專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與實(shí)踐能力，為學(xué)生走向社會(huì)奠定良好的基礎(chǔ)。

然而，由于鑄造技術(shù)專業(yè)的特性尤其是鑄造生產(chǎn)過程的復(fù)雜性，鑄造虛擬仿真學(xué)習(xí)軟件的制作過程相對(duì)更復(fù)雜，制作時(shí)間相對(duì)更長(zhǎng)，還會(huì)遇到鑄造專業(yè)的一系列新問題，如如何在虛擬仿真學(xué)習(xí)軟件中實(shí)現(xiàn)鑄造生產(chǎn)過程監(jiān)控仿真、型砂流動(dòng)、多人協(xié)作完成大型鑄件的造型制芯工作等。因此，要實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在鑄造技術(shù)專業(yè)的廣泛應(yīng)用，還需要廣大鑄造工作者攜手奮進(jìn)、共同完成。

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