摘要：虚拟仿真技术在机械基础加工实训教学中的应用对学生综合素质的提升产生了重要作用。首先梳理了虚拟仿真技术的发展现状，并分析了其在实训教学中的突破。接着，对虚拟仿真技术在机械基础加工实训教学中的应用与遇到的问题展开研究，并基于此提出了虚拟仿真技术应用于机械基础加工实训教学的发展思路。

　　关键词：虚拟仿真,机械基础加工,实训教学,发展思路

　　0引言

　　1发展及应用现状

　　在信息技术高速发展的今天，随着5G和AI技术的推广，虚拟仿真技术逐渐被应用于各个领域。在教育教学领域，虚拟仿真技术利用其沉浸式、交互性、虚幻性和逼真性[1]的特点不断创造和创新教育教学手段，帮助教师和学生提升教学质量。很多高校将虚拟仿真技术与机械基础加工的实训进行有机的融合，缓解了实训教学中存在的进不去、难操作以及存在危险性等问题带来的困难，解决了传统实训教学方式不够直观以及成本较高等难题。虚拟仿真技术的应用，可以很好的将现实世界中的物理模型在虚拟空间中进行映射，比如操作人员、数控机床、各种仪器、电脑等智能设备都可以通过虚拟仿真技术进行一一映射。通过这种技术，可以在虚拟空间中尽可能完整的构建一整套机械加工的综合性实训平台[2]，通过这个仿真系统将虚拟工厂的机械加工系统与自动化控制系统进行深度融合，最终通过虚拟交互的方式来实现机械加工教学的实训目的。这种以理论教学为基础，通过虚拟仿真技术实践应用进行实训的教学模式，可以帮助学生在定岗实习的过程中更加全面的掌握所学知识，并强化学生自身的综合能力与创新能力。

　　为了进一步规范虚拟仿真技术的应用和发展，2022年1月起，我国相继出台了相关的政策。《关于印发环保装备制造业高质量发展行动计划（2022—2025年）的通知》提出了开展数字化设计，推广仿真模拟软件、虚拟现实、数字孪生等先进技术，开展环保装备设计，提高企业数字化设计水平[3]；《关于印发“十四五”国家应急体系规划的通知》提出了建设综合应急实训演练基地，完善室内理论教学、室外实操实训、仿真模拟救援等设施设备；《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（2022—2026年）》提出了虚拟现实、增强现实、混合现实是新一代信息技术的重要前沿方向[4]，是数字经济的重大前瞻领域，将深刻改变人类的生产生活方式，产业发展战略窗口期已然形成。

　　1.1国外教学应用现状

　　国外虚拟仿真教学始于20世纪90年代，美国是世界上最早应用虚拟现实技术的国家，于20世纪40年代开展虚拟现实技术研究，最初用于军事目的。冷战后美国军费削减，虚拟现实技术转为民用，到了21世纪已经取得较大发展与较为突出的成果。世界各国通过国家或地区的政策支持和资金投入，开展大量虚拟仿真教学项目[5]。英国、美国高等教育已经普及了虚拟仿真实验室，通过虚拟仿真教学改进传统实验教学，主要应用技术、实验方式和平台等如表1所示。从教学模式上，德国构建了“双元制”虚拟仿真教学模式和实训管理体制，从实训的硬件资源配置上建设数字智能化焊接实训区[6]。美国麻省理工学院、斯坦福大学、哥伦比亚大学等知名高校也将虚拟仿真技术引入到教学中，相继在一些网络开放课程中增加了以虚拟实验室为依托的实践教学内容[7]。

　　1.2国内实训教学应用现状
       1.2.1应用于工程类

　　虚拟仿真技术在工科课程教学的运用实践较多，研究成果也比较丰富。郭宗新等提出了工科专业实训课程的模块项目阶梯式教学过程化考核、理实一体、虚实结合等一系列的改革探索模式[9]。赵建峰等利用“互联网+”背景下的QQ和网络实训平台，完成自动化设备的远程调试与监控，开展自动化设备实训教学改革与实践[10]。高攀等[11]开发了一套虚实结合的工业机器人实训教学平台和方法，实现了多个平台优势互补，弥补了传统实践教学与理论教学的脱节的缺点。吴晨曦等[12]通过重塑多层次模块化的虚拟仿真内容和开设虚拟仿真实验项目，构建机电工程专业的虚拟实训教学新体系。徐奋强等[13]从土木工程专业实训难问题出发，构建了虚拟仿真平台、虚拟仿真实验项目等高度逼真的教学实验环境和条件。张炜等[14]构建了虚拟动画与实景空间相结合实训平台，实现与真实机床设备一样的虚拟机床拆装。

　　1.2.2应用于机械基础加工

　　虚拟仿真在机械基础加工实训教学改革的应用还处于起步阶段，研究成果相对较少。阎汉生和王清辉等[15]研究以VR/AR为代表的虚拟现实技术在机械制图课程教学中的综合应用。郑晓庆[16]基于CULT 3D技术，开发模具钳工仿真教学系统，能使学生不用亲临现场便了解和掌握模具装配中的各种情况，完成课堂到实践的过渡。季娟等[17]设计了3D铸造仿真实训系统借助虚拟现实平台展示铸造车间，为学生提供视觉、听觉等模拟感受的人机交互，既防止学习者在实习过程中发生意外又可以加强其对铸造知识的理解。严金凤等[18]运用脚本设计、三维建模、三维场景搭建、交互功能创建等技术，开发设计了机械安全虚拟仿真实验教学系统。张钰等[19]开展了CM614卧式车床的三维建模装配、虚拟仿真装配、人机交互操作的虚拟教学空间设计，构建了VR机械加工虚拟仿真教学空间。柴博森等[20]构建“线上线下、虚实结合”的机械设计课程虚拟仿真实践教学模式，将机械设计课程设计教学过程分为“课前分散、课中集中、课下分散”3个密切关联、层级递进的教学环节。

　　1.2.3存在的问题及不足

　　尽管虚拟仿真技术在机械基础加工实训教学中有着较为明显的优势，解决了传统实训教学中存在的成本高、危险性等问题带来的困难，推动了实训教学创新，在充分利用现有教学资源的基础上最大限度优化了学校的实训教学环境，使得机械加工实训教学质量得到了较大的提升，但虚拟仿真技术本身尚处于发展阶段，还存在着诸多不足，这也导致了通过虚拟仿真技术融合的实训系统在具体教学过程中会遇到相应的问题。

　　为有效实现虚拟仿真技术在实训系统中的融合应用，需要对虚拟仿真技术、实训教学展开进一步的摸索与探讨，明确各自发展的技术阶段、能力限制、教学需求与师生接受程度等。首先，如何正确看待虚拟系统与实训之间的关系。虚拟仿真技术缺乏科学教学设计理念，目前虚拟仿真平台所承载的教学内容不足以支撑教学目标实现、教学活动组织。虚拟仿真技术虽然可以一一映射现实中的设备，降低学校实训成本，提高学生的实训效率，但虚拟与现实之间仍旧存在着不容忽视的差异。例如平台建设滞后、应用水平不高、建设标准缺乏等[21]，以及实践育人效果不显著等问题。虚拟的实训系统或平台只是教学辅助工具，在现有技术水平下仍旧难以替代现实教学，例如安全教育与加工过程等教学环节必须与真实的实训教学结合，才能全面提升学生的实训水平与综合素养[22]。其次，虚拟仿真技术在机械基础加工实训教学中体验感不足，其中包括了对生产工艺仿真不足的问题，也存在虚拟仿真技术单一的问题。在教学活动中虚拟仿真深度应用提升学生们在实训教学中的体验感，在某种程度上让学生将注意力更多的集中在新奇性的体验上，但忽视了知识与技能的学习，使得虚拟仿真在教学活动中的应用背离了教学初衷。再次，虚拟仿真技术受限于虚拟设备的技术水平，如VR等设备往往会给人带来身体上的不适感，因此出于健康考虑，使用虚拟仿真设备是有时间限制的，这对虚拟仿真技术实训的教学效率提升而言是一种客观上的阻碍。最后，在教学过程中一旦对技术产生了依赖性，就会在一定程度上限制了学生与外界之间的交流，从而忽视了与同学和老师之间的互动交流，为了加强实训效果，也有必要加强师生之间的沟通和交流。

　　2实训教学中应用虚拟仿真技术的优势
       2.1创新形式，改善条件

　　与传统机械基础加工实训教学相比，虚拟仿真技术作为一种新技术，打破了传统机械基础加工实训教学的诸多束缚，通过创建虚拟实训环境，创新教学形式，改善了教学环境。首先，在虚拟仿真技术的支持下，模拟机械基础加工技术，让整个课程摆脱理论教学的枯燥，在虚拟实训操作中，激发学生的学习兴趣，强化学生动手操作的能力。将传统教学现场模式与多媒体网络视频观摩教学结合起来，可实现金属工艺学教学模式的突破，能够极大地激发学习兴趣和创新创业灵感[23]。教师在机械基础加工实训教学中，建立教学体系，充分融合虚拟仿真技术、操作环境与理论课程，让学生身临其境去感知机械基础加工知识，在实训中成长。其次，虚拟仿真技术在一定程度上解决机械基础加工实训无法实现的场景和资源，虚拟仿真技术实现的资源可以重复使用、不断更新，节约了机械基础加工实训教学时间成本，同时为学生打造更多的实践机会[24]。最后，虚拟仿真技术的加大投入，改善了实训教学条件，提供了更多高质量教育和培训的机会。虚拟仿真技术也增强了学习的趣味性，调动学生的学生积极性，给学生营造身临其境的感受，提供更多色彩、更多维度的器官感受，让教学资料更生动，诸如此类都是虚拟现实技术在“学习体验”方面的优势。

        2.2深耕实训，强化效果

　　传统机械基础加工实训教学存在一定的弊端，如受限于教学环境、教学技术等，导致机械基础加工实训教学与理论课程无法相互结合。虚拟仿真技术的推广和应用，转变了机械基础加工实训教学，强化了实训教学实践，提升了教学效果。一方面，虚拟仿真技术可以帮助机械基础加工实训搭建教学平台，完善整个实训流程和操作环节，让学生在虚拟的实训环境中模拟操作和实践，开拓想象力。教师能够创建更贴近机械工厂实际加工环境的机械基础加工实训教学虚拟环境，模拟机械基础加工可能出现的问题，以便让学生在实训中自主寻找解决办法，加强学生的科研能力、解决问题能力以及团队协作能力等[25]。另一方面，虚拟仿真技术可以为学生提供更多研究的机会。在机械基础加工实训中，学生可以反复使用3D场景打造等机械基础加工模拟环境，开拓思维，大胆开展实训研究，充分掌握虚拟仿真技术的模拟、创建等功能，让实训教学实现模拟场景、机械基础加工流程、实训教育成果检验等全覆盖，提高机械基础加工实训的效果（图1）。

　　2.3杜绝风险，保障安全

　　机械基础加工实训存在一定的风险。在传统的机械基础加工实训课堂上，学生受伤事件时有发生。虚拟仿真技术的应用能够有效降低实训风险，免除了学生接触机械的安全风险。同时避免了教师资源的浪费，让教师有更多的精力观察和指导学生实训操作流程。此外，虚拟仿真技术能够逼真模拟安全事故的情形，能够让学生更加直观地感受不当操作、违规操作的各种风险。与此同时，教师利用虚拟电脑的仿真技术进行的机械基础加工安全实训，有助于实现一对一的教学模式，这是传统机械基础加工实训无法实现的，既能最大限度优化教师资源的利用，也能满足学生学习机械基础加工的理论知识，及时为学生解答机械基础加工难点及问题，实现杜绝风险，保障教学安全的目的。

　　3发展思路

　　3.1虚拟仿真实训平台的发展

　　学校在培养机械基础加工人才时，通常会根据本校的实际情况购买或者自行构建虚拟仿真实训平台。除了购买引进发展成熟又与学校教学需求契合度较高的软硬件平台之外，学校应根据数量较多且相对特定的教学需求，在一般软硬件平台难以满足的情况下，自主研发构建虚拟仿真实训平台[26]。通过建立虚拟仿真实训平台，提供无限接近实际操作环境的虚拟操作系统，让学生们进行实践操作。通过对机械加工过程中各项操作以及过程的详细模拟，使学生真切地感受加工环境与加工流程，完善学生的知识结构，促进实训学习效率的提升。

　　虚拟仿真实训平台的构建思路具体如图2所示。将虚拟仿真技术与实训深度融合以后，构建一个理论、虚拟、现实一体化的综合实训平台。实训平台以虚拟仿真技术作为核心，通过与人工智能技术以及数控技术的深度融合，应用于传统实训教学的改革升级，同时基于此平台系统制定相应的人才培养方案。具体而言，虚拟仿真综合实训的课程以人工智能技术与自动化技术为基础，在实训软硬件的支撑下，通过虚拟仿真打通理论教学与实训教学，从理虚实一体化的实训教学中强化人才的综合素质。也就是从理虚实一体化的实践应用到顶岗实习过程中，总结并产生一整套符合学校各种特定需求的教学模式。

　　此外，综合实训平台的构建是在培养高综合素质人才为目标的基础上，产学研相结合，围绕着专业及应用能力进行具体教学课程内容的制定。首先是对人才基本专业素质的培养，其次是以岗位目标作为依据，对人才展开有针对性的培养，最后则是职业能力的扩展以及实训顶岗实习。

　　3.2内容的规范发展

　　虚拟仿真实训内容除了专业性以外，还要与时俱进，聚焦于制造业发展进程，以及产业技术创新的大趋势，要与行业企业的开发紧密结合，能够为区域经济技术的发展提供相应的支撑。因此，实训内容设计的标准化与虚拟仿真实训的规范化就显得尤为重要。目前，我国各院校都已经认识到实训教学中应用虚拟仿真技术的重要性，加快虚拟仿真实训教学的规范化和标准化建设，推广虚实结合的实训教学理念[27]。但是，尽管虚拟仿真实训系统的建设在持续发展，但这些系统大多都是针对各院校的特定需求进行研发的，适用范围相对较小，导致可利用效率相对较低。总体来看，导致这种情况的基本因素是缺少一个可供参考的标准和规范。

　　鉴于机械专业的实训课程种类繁多，在虚拟仿真实训系统的开发过程中，在软件方面的标准进行统一是有着现实难度的，所以其标准化的方向应重点关注实训课程内容检验的标准化以及学生操作流程的标准化。以车削为例，它是机械基础加工中应用非常广泛的方法，学生只需根据操作流程进行操作，当操作完成后，虚拟仿真系统只对加工完成的倒角、曲线、外圆等加工形式进行检验，从而实现质量检验的标准化。除此以外，虚拟仿真系统还可以将各种材料的特性等数据采集进数据库，以方便数据分析的规范化，促进虚拟仿真实训教学质量的提升。
       3.3模式的优化发展
       基于虚拟仿真技术的实训虽然有很多优势，但实训仍旧不能脱离实际，因为在虚拟仿真操作中实践都是为了现实中的实际操作做准备。而且，虚拟仿真系统受限于信息技术手段，对实际情况的考量并不能面面俱到，一旦出现对制约因素的估计不足，虚拟仿真的结果就有可能与实际情况大相径庭。此外，即便虚拟仿真系统无限趋近于现实，其对实物感的仿真，仍然受限于信息技术水平，学生虽然可以通过虚拟操作熟悉操作流程，但以实物感为基础的熟练度依旧很难获得提升。这说明实践操作具有不可替代性，虚拟仿真实训教学无法完全取代传统的实训教学。

　　基于实训的不可替代性，机械加工实训教学应随之做出相应的调整，具体实训过程有必要遵循现实-虚拟-现实这种模式，将现实实训与虚拟仿真实训进行科学有机的融合。可以构建虚拟工厂仿真系统，探索实现“以虚代实，以实控虚”[28]。将关键环节、易错环节在虚拟仿真系统提供给学生反复练习，加深他们对技术要求、操作要领的理解，当在虚拟仿真系统内熟练掌握以后，则可以进一步在现实操作中进行实践操作。具体而言，在实训内容方面，学校有必要引导学生通过对实物毛坯和成品的观察，然后在虚拟仿真系统中对加工成品的操作流程进行练习，当熟练掌握实训内容的技术要领以后，在实训老师的指导下展开实物操作，在降低风险，节约成本的基础上实现快速提升学生实训效率的目标。

　　4结束语

　　院校将虚拟仿真技术应用于机械基础加工的实训教学，在一定程度上节约了学校的实训成本，降低了实际操作中可能产生的风险，学生可以摆脱传统实训中的成本制约，可以在虚拟仿真系统中反复进行操作实训，有效地提升了实训效率。此外，实训模式的优化，则将虚拟仿真系统与现实实训充分结合，培养学生的创新能力，提高学生的综合素养，充分满足机械加工行业的人才需求。

　　未来，随着虚拟仿真技术深度应用，在机械加工实训教学中还需要进一步创新。例如，相关软硬件需要加速跟上市场和行业的节奏，基础元器件、开发工具要及时更新，根据市场和行业的需求开展教学设计。例如，在虚拟仿真实训课程资源开发过程中，应从脚本编写、三维建模、程序编写、场景搭建、联调联试5个环节进行开发[29]。实训指导教师也要更加深入地掌握虚拟仿真核心技术原理，加强团队建设。建设虚拟仿真教学资源建设和数字化教学资源建设等教学能力，组建虚拟教学混编团队，加强实训教师团队建设[30]。建立科学的教学理念，强化虚拟仿真技术的体验，真正实现虚拟仿真技术的突破。

　　参考文献：

　　[1]涂然,曾怡,周学进.机械安全工程课程引入虚拟现实与计算机仿真技术的教学探索[J].教育教学论坛,2018(18):190-192.

　　[2]张文峰.虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应用研究[J].内燃机与配件,2019(19):247-248.

　　[3]王磊.虚拟仿真技术在电工电子技术教学中的应用[J].集成电路应用,2023,40(6):126-127.

　　[4]张皓惟,唐可,何雷,等.虚拟仿真技术在铁道车辆技术专业教学中的应用研究[J].时代汽车,2023(11):77-79.

　　[5]谢俊清.虚拟仿真技术在高职工程机械专业实践教学中的应用研究[J].南方农机,2019,50(13):164.

　　[6]王伟.中德合作背景下焊接专业实训教学研究与管理[J].工业技术与职业教育,2017,15(3):30-32.

　　[7]M.Mitchell Waldrop.The Virtual Lab[J].Nature,2013(18):268-270.

　　[8]王卫国,胡今鸿,刘宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索,2015,34(5):214-219.

　　[9]郭宗新,邱德发,张艺宝,等."新工科"建设背景下金工实训教学改革探究——以济宁学院机械设计制造及其自动化专业金工实训课程为例[J].科技风,2021(35):156-158.

　　[10]赵建峰,高世平."互联网+"背景下自动化设备实训教学改革与实践[J].中国现代教育装备,2022(5):20-22.

　　[11]高攀,邹胤,汤超,等.虚实结合的工业机器人实训教学平台和方法[J].机电工程技术,2022,51(9):116-121.

　　[12]吴晨曦,蒋嵘,钟超.基于虚拟仿真的机械电子工程专业实验教学改革与探究[J].黑龙江教育(理论与实践),2023(7):76-79.

　　[13]徐奋强,潘金龙,张德恒,等.土木工程专业虚拟仿真实验教学探索[J].西部素质教育,2023,9(18):149-152.

　　[14]张炜,马进中,汪炳森.虚实融合的数控机床虚拟仿真实践教学平台建设与实现[J].机电工程技术,2023,52(9):114-117.

　　[15]阎汉生,王清辉,刘子桦.VR和AR技术在机械制图课程中的应用研究[J].科技视界,2019(21):75-78.

　　[16]郑晓庆.基于CULT 3D的模具钳工仿真教学系统的研究[J].南方农机,2020,51(6):79-80.

　　[17]季娟,陈清奎,王利,等.基于虚拟现实的3D铸造仿真实训系统[J].模具工业,2021,47(12):73-76.

　　[18]严金凤,居里锴,周成.新工科背景下机械安全虚拟仿真实验教学探索[J].实验技术与管理,2022,39(1):98-102.

　　[19]张钰,李玮,张利兵.VR技术在机械加工虚拟仿真教学中的应用[J].机械工程师,2022(1):74-77,80.

　　[20]柴博森,王丽慧,寇莹,等.机械设计课程设计虚实融合的教学模式探究与实践[J].实验室研究与探索,2023,42(5):247-250.

　　[21]杨磊,张靓,申巧俐.高职院校虚拟仿真实验教学体系建设探究[J].中国职业技术教育,2023(23):42-47,75.

　　[22]哈申图雅.虚拟仿真技术在建筑材料新技能人才中的应用[J].山西建筑,2023,49(10):196-198.

　　[23]吴亮,邱腾雄,吴秀杰,等."互联网+双创"背景下高职院校金工实训教学改革研究[J].农业技术与装备,2022(3)105-107.

　　[24]郭天伟,杨敏,陈裕汉,等.虚拟仿真技术在数字地形测学课程教学中的应用[J].电子技术,2023,52(3):112-114.

　　[25]朱雅婷."新工科"背景下虚拟仿真技术在化学实验教学中的应用[J].化纤与纺织技术,2023,52(1):221-223.

　　[26]李晨星.虚拟仿真技术在建筑实训教学中的应用研究[J].江苏建材,2023(2):129-130.

　　[27]李娟.虚拟仿真技术在高职实践教学中的应用及发展策略探讨[J].科技创新导报,2017,14(18):240-242.

　　[28]冯李航,吴力帆,宋辉.虚拟工厂规划仿真系统设计及其教学案例分析[J].实验技术与管理,2023,40(1):160-168.

　　[29]戴奕,童川,张小鹏.虚拟仿真技术在实训课程资源开发过程中的研究及应用[J].中国设备工程,2023(9):262-263.

　　[30]樊俊艳,唐悦.基于职业教育虚拟仿真实训基地师资队伍建设[J].办公自动化,2022,27(21):41-43.