虚拟工厂在实训教学中的作用

摘 要：随着现代信息技术的飞速发展及其大量成果的广泛应用，职业院校传统的教师演示，学生操作，加工单一的工件的实训教学，其本身的缺陷越来越明显，已无法适应以就业为导向，校企合作、工学结合的现代职业教育人才培养模式，充分利用现代信息技术，开发虚拟工厂、虚拟车间、虚拟工艺、虚拟加工是提高教育教学质量，彰显办学特色，实现校企合作，工学结合最有效的举措。

关键词：虚拟工厂；校企合作；工学结合；实训教学

一、前言

实训的最终目的是全面提高学生的职业素质，最终达到学生满意就业、企业满意用人的目的。所以说实训教学是职业教育的重中之重。传统的实训教学在形式上重技能鉴定达标实训，轻岗位素质达标实训；在内容上重动手操作技能实训，轻心智技能实训，在程度上重单项实训，轻综合实训，虽然我们在教学模式和方法上作了一些努力，比如请企业在职师傅讲课，利用多媒体等手段，但是他们或多或少存在不同程度的缺陷，而虚拟工厂的沉浸性和交互性，使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心地投入到学习环境中去，弥补了传统实训教学的不足，使得教学情境以三维可视化的形式呈现出来，非常有利于学生的职业素质培养和技能训练的提高。

二、概述

虚拟工厂是虚拟现实技术的产物。它在计算机的基础上融合多种高科技技术，产生一个模拟的三维空间，为使用者提供逼真的三维视觉、触觉等多种感官模拟世界，使用者仿佛身临其境。教育领域中的虚拟现实系统简单，需要投入的成本较少，因而，得到了广泛的应用。[1]

虚拟工厂有多感知性、沉浸感、交互性、构想性的特点。能够让学生通过触觉、视觉、听觉和嗅觉全身心的沉浸在虚拟世界中，并获得知识。[2]设计者采用夸张的形式表现其构思和情感，激发学生的兴趣和积极性，不但可以提高学生的学习效率，更利于知识的获取和职业习惯的养成。

三、虚拟工厂在实训教学中应用的必要性

校企合作、工学结合是现在职业教育的发展方向和工作重点，职业院校的实训就应该基于企业生产工作过程的项目教学。这种实训教学的优点在于，可以使学生完全融入企业的生产环境中，了解企业文化，掌握生产流程，熟悉工艺安排，达到熟练操作设备的能力，以及知晓企业生产规模，工作特点，人际交往等方面的能力。让学生参与到企业的各项活动中，引导学生独立的思考和学习，进尔掌握分析和解决问题的能力，实现自身的可持续发展。通过虚拟工厂可实现这一目的，使学生以一名企业员工的身份生活在虚拟的三维情境中。

1.虚拟工厂的构成。虚拟工厂是包括一个虚拟的工厂环境，该环境中有多栋建筑，每栋建筑物中可以放置各种不同生产设备。在这个虚拟工厂环境中可以集成各种各样普通机床设备、数控机床设备、电加工设备、材料库房、量具室、各种检测设备等等。从而，我们可以在这样的虚拟工厂环境中组织以完成一个订单为中心的各种各样的生产活动。

（1）虚拟工厂环境。虚拟工厂包括一个三维工厂环境，该环境中有多栋建筑物。使用者可以对每栋建筑物设定各种不同的用途，比如有图纸室、工艺编制室、CAD/CAM室、材料仓库、工具刀具库、机械加工车间、数控加工车间、电加工车间、检验车间、装配车间、成品仓库等等，它们都有各自的功能和用途。[3]

（2）生产活动安排。首先，我们可以针对某份订单（比如：生产加工一副哑铃），开始进行生产工艺流程的编制、材料的配备、机床设备的配置、工具刀具的配备等等。然后，我们可以根据生产工艺流程以及教学目标的需要，设置不同的生产岗位。比如，我们可以设置以下十一个生产工作岗位。

四个生产准备岗位：生产工艺编制岗位、图纸绘制岗位、材料准备岗位、工具、量具、刀具准备岗位。生产工艺编制岗位是根据订单要求编制制造工艺和加工程序，产生加工工艺单。图纸绘制岗位是根据加工工艺单要求，设计零部件图纸、供车床和数控车床加工时使用。材料准备岗位是根据加工工艺单和零部件图纸要求，准备好毛坯材料。工具、量具、刀具准备岗位是根据加工工艺单和工具清单要求，准备好所需要的各种工具、量具和刀具。

五个生产制造岗位：车床设备操作加工岗位、数控车床设备操作加工岗位、质量检验岗位、装配调试岗位、成品入库岗位。机床设备操作加工岗位是根据加工工艺单和零部件图纸要求，进行机床设备操作，完成指定工序的加工作业。质量检验岗位是按照制造工艺、加工程序和零部件图纸要求，使用检验车间里各种检测工具和仪器设备，对全部工序完成后的零部件进行检验，并且，出具质量检验报告。装配调试岗位是按照装配要求、在装配平台或者装配流水线上，将加工好的零部件根据装配图纸进行装配调试，组装出一个完整的产品。成品入库岗位是将经过检验合格的产品放入成品仓库，并且登记入账。

一个辅助生产岗位：物流岗位是负责根据生产管理系统的物流指令，将毛坯、半成品、工具、量具、刀具送到指定的工位。

一个辅助管理岗位：除了在学生进入各操作岗位前都会有各种安全教育，另外，还设置一个安全员岗位，负责监督各岗位人员的安全生产情况。

2、虚拟工厂功能

虚拟工厂是一个平台，教师和学生可以参与其中的各种生产活动。这些生产活动让他们得到各种体验、学习和乐趣。

（1）体验整个生产工艺过程

目前，职业院校机械加工专业教学更多是偏向于单道生产工序的知识和操作技能的学习。但是，机械加工是一个包含了加工工艺编制、材料准备、工具及刀具准备、物流、机床设备操作及加工、质量检验、装配调试、成品入库、安全员等多岗位紧密配合、环环相扣的多环节的生产链。

一个仅掌握某道工序操作技能的学生进入企业必然感到很大的不适应，需要一段较长时间来适应多环节的生产链。因此，对于一个要在机械加工企业就业的学生，让其在校期间更多地了解和体验整个生产过程是十分有益和必要的。学生可以在虚拟工厂中获得对整个生产工艺过程的体验。

（2）体验工厂环境及生产管理过程

有序的工厂环境和严密的管理系统对于一个先进制造企业是非常重要的。并且，工厂环境设置和生产管理系统是紧密配合的。因此，让学生了解、体验先进制造企业工厂环境和生产管理过程显得尤为重要。学生可以在虚拟工厂中获得对工厂环境及生产管理过程的体验。

（3）体验各种生产设备的操作和加工过程

在虚拟工厂环境中，学生们可以动手操作各种具有互动操作性的虚拟生产设备。这种可操作性给学生们一个具有比较真实的操作和加工感觉，这将帮助学生更容易理解操作过程和加工过程，从而也大大提高学生的学习兴趣和学习热情。

（4）实现团队合作的教学模式

从生产一个完整的产品来看，零部件数量和加工工序往往会是比较多的。并且，其中许多零部件是类似的，因此，这样的项目比较适合团队活动方式。这样做既可以更多发挥学生团队协作意识，也更有利于理解整体设计、标准化加工等生产环节的重要性。同时，还大大增加了学生团队竞争的趣味性。我们可以在上述的虚拟工厂信息管理系统中设计各种丰富多样的学生参与生产活动的组织模式，实现让学生们进行各种带有竞争性的活动。

（5）实现以工作过程为导向的项目教学模式

以工作过程为导向的项目教学模式的推广受到多方面的条件限制。我国长期以来学科分类教学模式下的师资当然是一个重要因素。但是，教学手段也是一个不可忽视的重要因素。

虚拟工厂是一个教学载体，是一个较为完整的生产环境，是一个自由度非常高的虚拟实训平台。在该平台上与一所工厂那样，能够完成一个完整产品的加工生产。虚拟工厂不仅仅集成了各种仿真的数控机床，还集成了各种仿真的普通机床（包括车床、铣床、镗床、磨床、钻床、锯床、刨床、电火花、线切割等等），各种检测设备等等。将加工生产一个完整产品作为一个项目，我们就可以在虚拟工厂中实现以工作过程为导向的项目教学模式。

（6）加工生产不同类型产品

虚拟工厂是一个集成化的虚拟教学环境。其中各种生产设备是具有很强的虚拟加工能力。可以根据不同的订单需要，在虚拟工厂中，可以根据生产的需要，添加更多的生产设备，就可以生产出各种不同类型的产品。因此，本虚拟工厂具有良好扩充性。[4]比如，今天只是要求生产加工一副哑铃，只要简单配置一个包含车床、数控车床的机加工车间。明天要加工一套模具，我们只要再添加数控铣床、一台电火花、线切割机床。

四、虚拟工厂的应用

以生产一副哑铃为一个任务，配置一个虚拟工厂、制订生产工艺流程、配备生产设备、设定生产岗位、为各岗位配备人员组织生产。

1、制订生产流程

本订单生产任务流程如下：（1）根据实物图所示产品加工订单，将任务分解为哑铃杆、哑铃片、螺母等部件的加工子任务。（2）绘制各部件的加工图纸。（3）根据加工图纸分别对哑铃部件进行车阶梯、螺纹、切槽、圆弧、滚花、钻孔、车内螺纹等加工、检验、装配、喷涂、成品入库等生产环节。

2、配置生产环境

由于本任务涉及机械加工、检验、装配、喷涂等生产环节，虚拟工厂需要配置一个机械加工车间、一个检验车间、一个装配车间、一个喷涂车间和一个成品库。

3、配备机床设备

加工哑铃各个部件，需要配置车床、数控车床等机床设备，各种工具、刀具、量具等等。

4、设置岗位

根据本任务情况，我们可以设置十一个生产岗位，其中，四个为生产准备岗位：工艺编制岗位、图纸绘制岗位、材料准备岗位、工具、量具、刀具准备岗位；五个为生产制造岗位：车床设备操作加工岗位、数控车床设备操作加工岗位、质量检验岗位、装配调试岗位、成品入库岗位、一个辅助生产岗位、物流岗位、一个辅助管理岗位、安全员。

5、执行生产计划，完成工作任务

制订生产流程、配置生产环境、配备机床设备、设定岗位后，我们就可以将学生们分配到各个生产岗位，去完成各自的岗位任务。可以若干学生们组成一个小组共同配合完成一项产品的生产。也可以将学生们分为若干个小组，组织各小组之间开展竞赛活动。也可以让学生制订生产流程、制订生产计划、执行生产计划等生产活动。

由此可见，学生在这个虚拟场景中，通过在虚拟的环境中亲自操作、亲身参与实践训练，不断反复训练，不但能快速熟练掌握操作技能同时还可以发现自身存在的不足，同时结合校内外实践可以得到良好的培训结果和培养了良好的职业习惯的养成。

五、结束语

虚拟工厂作为新兴的高新技术，在不同领域的作用越来越明显，同时也有广泛的应用前景。传统的实训教学由于其本身所具有的缺陷，已经逐渐不能满足相关的教学工作尤其是一些专业程度较高的专业，虚拟工厂能够很好地弥补传统实训教学的缺点。总之，虚拟工厂在实训教学的应用，将对学生产生无可限量的影响，特别是在课堂中无法接触到的实体，学生可以通过感官、听觉等360度全方位学习，并对事物的发展规律有一个系统而全面的认知，随着计算机系统应用的不断成熟和发展，它的前景巨大而且深远，它将凭借其自身具有的优势，被广泛地应用到教育领域，从而使教学的理念、环境和条件不断更新完善，且地位越来越重要。

参考文献：

[1] 徐英欣《virtools虚拟装配制作实例》。重庆：电脑报电子音像出版社，2009

[2] 李喜琴《虚拟现实技术在多媒体课件开发中的应用》。《硅谷》杂志2012年第23期刊文

[3] 刘明昆《就是要做3D游戏》。北京：中国青年出版社。2010.9

[4] 罗建勤《交互式漫游动画-virtools+3ds max虚拟技术整合》。北京：中国科学技术出版社。2010

[5] 王正盛《虚拟现实编辑器-标准教程》。北京：印刷工业出版社。2011.4