引論：我們?yōu)槟砹?篇先進(jìn)制造技術(shù)課程創(chuàng)新教學(xué)研究范文，供您借鑒以豐富您的創(chuàng)作。它們是您寫作時(shí)的寶貴資源，期望它們能夠激發(fā)您的創(chuàng)作靈感，讓您的文章更具深度。
一、先進(jìn)制造技術(shù)課程教學(xué)現(xiàn)狀
先進(jìn)制造技術(shù)每年都有新的技術(shù)與理論出現(xiàn)，而作為綜合性大學(xué)，受限于經(jīng)費(fèi)等資源，高校無(wú)法及時(shí)更新前沿制造理論與技術(shù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)施[4]。而傳統(tǒng)的板書教學(xué)，對(duì)同學(xué)缺乏吸引力，難于讀懂，采用技術(shù)視頻與圖片相結(jié)合的方法進(jìn)行教學(xué)，同學(xué)處于被動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài)，只能從理論上理解該技術(shù)的基本原理[5]。上述兩種教學(xué)方法，同學(xué)是處于被動(dòng)學(xué)習(xí)的狀態(tài)，無(wú)法調(diào)動(dòng)同學(xué)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，而且未將技術(shù)和理論與實(shí)際工程應(yīng)用結(jié)合起來(lái)。在先進(jìn)制造技術(shù)的教學(xué)過(guò)程中，因課程內(nèi)容多、課時(shí)少，缺乏實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，各章節(jié)理論性高、學(xué)科跨度大、銜接過(guò)渡生硬和不完美，教學(xué)過(guò)程中板書多，學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)與知識(shí)灌輸，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)適應(yīng)能力與學(xué)習(xí)思維轉(zhuǎn)變慢，難以形成理性認(rèn)知與感性認(rèn)知等問(wèn)題。因此有必要提出一種沉浸式、體驗(yàn)式和互動(dòng)式的教學(xué)方式，使同學(xué)沉浸在學(xué)習(xí)環(huán)境中，并與環(huán)境互動(dòng)，促使同學(xué)主動(dòng)的學(xué)習(xí)，從而提高課程的教學(xué)效果與學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。
二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VirtualReality，VR）是一種新興技術(shù)，綜合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能技術(shù)、并行處理技術(shù)、多傳感技術(shù)、仿真技術(shù)和多媒體技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以現(xiàn)實(shí)生活生產(chǎn)為原型，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建三維模型及數(shù)學(xué)模型，并將三維模型與數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)，傳遞到用戶佩戴的專用頭盔、手套和背心等傳感設(shè)備上，模擬人的視覺(jué)、觸覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)等感知系統(tǒng)，使用戶沉浸在計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中，可以通過(guò)頭盔、手套和背心等專業(yè)設(shè)備將用戶的語(yǔ)言、手勢(shì)等信息與虛擬世界實(shí)時(shí)交互，是一種對(duì)用戶友好、舒適的計(jì)算機(jī)技術(shù)，具有身臨其境的良好體驗(yàn)。虛擬世界是一種多維信息空間，該空間具有良好的沉浸性、交互性和構(gòu)想性等特征[6]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最早用于飛行員的模擬飛行訓(xùn)練，隨后廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、醫(yī)療、建筑、工業(yè)、文娛、教育和旅游等行業(yè)，具有非常廣闊的前景[7]。
三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在先進(jìn)制造技術(shù)教學(xué)中新方法與思路探討
針對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)教學(xué)中學(xué)生被動(dòng)灌輸式學(xué)習(xí)、先進(jìn)實(shí)驗(yàn)條件與設(shè)施缺乏、效果不佳、教學(xué)板書、圖片多和教學(xué)效果差等問(wèn)題，結(jié)合江西理工大學(xué)的現(xiàn)有資源，提出將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于先進(jìn)制造技術(shù)教學(xué)中的創(chuàng)新教學(xué)改革方法。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在先進(jìn)制造技術(shù)的教學(xué)中，可以將教師、學(xué)生、先進(jìn)制造技術(shù)理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備有機(jī)聯(lián)系起來(lái)，如圖1所示，形成以學(xué)生為主導(dǎo)、教師為基礎(chǔ)和VR系統(tǒng)為輔助的一種關(guān)系，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)，提高教學(xué)質(zhì)量。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過(guò)構(gòu)建制造理論與技術(shù)場(chǎng)景，模擬技術(shù)的基礎(chǔ)理論、技術(shù)平臺(tái)的搭建和技術(shù)具體實(shí)施與操作方法，采用沉浸式、交互式的學(xué)習(xí)方式，使同學(xué)能夠?qū)⒗碚撆c實(shí)踐相結(jié)合，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的分析能力與動(dòng)手能力，增加其理解能力，使其牢固掌握先進(jìn)制造理論與技術(shù)，并將制造、電子、網(wǎng)絡(luò)和管理等多學(xué)科知識(shí)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，綜合運(yùn)用到工程實(shí)踐中。該方法可以有效解決同學(xué)學(xué)習(xí)主動(dòng)性低，實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏、與時(shí)代脫節(jié)、更新緩慢、學(xué)生獨(dú)立操作時(shí)間短和經(jīng)費(fèi)少等問(wèn)題。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的先進(jìn)制造技術(shù)教學(xué)方法，可以彌補(bǔ)疫情期間網(wǎng)絡(luò)授課或者遠(yuǎn)程授課時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的影響，其次可以有效避免實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生危險(xiǎn)事件，保護(hù)學(xué)生與實(shí)驗(yàn)室設(shè)備安全。在課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中，將理論與實(shí)踐進(jìn)行融合，使同學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程中達(dá)到融會(huì)貫通的狀態(tài)，這樣有助于培養(yǎng)學(xué)生健全的工程意識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生的綜合素質(zhì)與能力，使學(xué)生真正學(xué)到先進(jìn)制造理論與技術(shù)，并將所有知識(shí)應(yīng)用于社會(huì)，為祖國(guó)作貢獻(xiàn)。先進(jìn)制造技術(shù)與理論是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展的過(guò)程，采用基于虛擬現(xiàn)實(shí)的先進(jìn)制造技術(shù)教學(xué)方法，需要教師主動(dòng)學(xué)習(xí)前沿的制造理論與技術(shù)，保證制造技術(shù)與理論教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性、前沿性，并且要求具有三維建模等專業(yè)知識(shí)，能夠?qū)⑶把刂圃炖碚撆c技術(shù)簡(jiǎn)化，構(gòu)建該專業(yè)技術(shù)的理論模型、技術(shù)組裝模型和技術(shù)工藝路線等，將這些模型轉(zhuǎn)化為虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)。
（一）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在柔性自動(dòng)化制造設(shè)備教學(xué)中的應(yīng)用方法
柔性自動(dòng)化制造設(shè)備是先進(jìn)制造技術(shù)課程教學(xué)中的重要一節(jié)，而加工中心具有柔性好、生產(chǎn)效率高，是目前最廣泛應(yīng)用的柔性制造單元。以臥式加工中心為例，為滿足教學(xué)的需求，設(shè)定兩個(gè)不同功能單元，分別為認(rèn)識(shí)單元、演練單元。認(rèn)識(shí)單元介紹臥式加工中心的種類、特點(diǎn)、用途和結(jié)構(gòu)組成等。演練單元主要介紹加工仿真功能、自動(dòng)換刀功能、自動(dòng)拆裝功能和手動(dòng)拆裝功能。將加工中心與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融合，研發(fā)加工中心的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。為便于設(shè)計(jì)三維模型、裝配、教學(xué)和操作，將臥式加工中心簡(jiǎn)化為工作臺(tái)、床身、主軸箱、刀庫(kù)、立柱、冷卻系統(tǒng)、交換臺(tái)和控制面板8個(gè)分系統(tǒng)。工作臺(tái)為工件安裝固定的平臺(tái)，具有Z方向移動(dòng)與繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的功能。床身是工作臺(tái)、刀庫(kù)、主軸箱、立柱、冷卻系統(tǒng)和控制面板等分系統(tǒng)的安裝載體，需要足夠的強(qiáng)度、剛性，并且安裝有立柱沿X方向移動(dòng)的導(dǎo)軌，在床身規(guī)劃控制面板的安裝位置。主軸箱為加工中心的重要部分，主軸需要具有可調(diào)速轉(zhuǎn)動(dòng)、換刀功能。冷卻系統(tǒng)應(yīng)該安裝在主軸箱的主軸旁，用于加工過(guò)程中噴灑冷卻液。立柱上安裝主軸箱沿Y軸移動(dòng)導(dǎo)軌。交換臺(tái)用于裝卸工件，提高加工效率。刀庫(kù)由刀架、換刀機(jī)構(gòu)和動(dòng)力系統(tǒng)等構(gòu)成。三維模型構(gòu)建完成后，需采用專用軟件構(gòu)建部件展示動(dòng)畫、自動(dòng)拆裝動(dòng)畫、加工仿真動(dòng)畫和自動(dòng)換刀動(dòng)畫，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加工中心的自拆裝功能、自動(dòng)換刀功能和加工仿真功能，這樣有助于幫助學(xué)生快速了解整個(gè)機(jī)床結(jié)構(gòu)、工作原理和換刀原理等。將三維模型和動(dòng)畫導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中，設(shè)定視覺(jué)與物體的定位點(diǎn)，用戶的觀察模式等。加工中心三維模型的所有動(dòng)作是通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)的，分別對(duì)加工中心三維模型中的8個(gè)分系統(tǒng)設(shè)定獨(dú)立拆裝程序，實(shí)現(xiàn)單獨(dú)分系統(tǒng)的拆裝，再設(shè)定將加工中心拆分為8個(gè)分系統(tǒng)程序，將以上程序整合，實(shí)現(xiàn)加工中心三維模型的手動(dòng)拆裝功能。將所有模型、軟件和控制程序均放在計(jì)算中心，整合為加工中心虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)，老師和學(xué)生均可通過(guò)教學(xué)系統(tǒng)的輸入設(shè)備、輸出設(shè)備進(jìn)行教學(xué)任務(wù)與自主學(xué)習(xí)。
（二）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在受迫成形技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用方法
受迫成形指材料在外界和外力約束條件下形成特定形狀和表面的一種等材加工方法，如鍛造、沖壓等。以特種鑄造技術(shù)中的壓力鑄造為例，壓力鑄造將金屬或者非金屬液態(tài)注入模具型腔中，在一定的壓力作用下，冷卻凝固形成鑄件的方法。為適應(yīng)高壓環(huán)境，壓力鑄造一般采用金屬、陶瓷模具型腔。壓力鑄造的高壓高溫環(huán)境，危險(xiǎn)系數(shù)高，不宜進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，因此可以構(gòu)建壓力鑄造的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)用于教學(xué)。首先構(gòu)建壓鑄型、坩堝、加壓系統(tǒng)、壓室和實(shí)驗(yàn)室的三維模型，對(duì)三維模型進(jìn)行渲染，再將模型導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中，設(shè)定實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。編寫程序，設(shè)定壓力鑄造虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)具有演示、認(rèn)知和操作三種功能。演示功能演示坩堝內(nèi)的紅色液體，在加壓系統(tǒng)的作用下，通過(guò)壓室進(jìn)入到壓鑄型腔，并保持一定壓力，使紅色液體在壓鑄型腔冷卻形成灰色固體的過(guò)程，該功能通過(guò)提前設(shè)定動(dòng)畫來(lái)實(shí)現(xiàn)。認(rèn)知功能介紹壓鑄系統(tǒng)的組成、優(yōu)點(diǎn)等，該功能允許學(xué)生場(chǎng)景漫游，當(dāng)學(xué)生移動(dòng)到設(shè)備旁邊時(shí)，自動(dòng)彈出設(shè)備的簡(jiǎn)介、使用方法等動(dòng)畫。操作功能是在學(xué)生使用輸入、輸出設(shè)備，手動(dòng)操作坩堝燒制金屬液體，更換壓鑄型腔模具，控制加壓系統(tǒng)對(duì)液體進(jìn)行加壓，使其在高壓狀態(tài)下流入壓鑄型腔，并冷卻形成均勻鑄件的過(guò)程。老師和學(xué)生均可通過(guò)教學(xué)系統(tǒng)的輸入設(shè)備、輸出設(shè)備進(jìn)行教學(xué)任務(wù)、自主學(xué)習(xí)和操作工藝評(píng)定等任務(wù)。
（三）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)教學(xué)中的應(yīng)用方法
自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)實(shí)行無(wú)人管理，能夠自動(dòng)存取貨物，并進(jìn)行信息集成管理。因自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)龐大，高校一般不會(huì)引進(jìn)這類實(shí)驗(yàn)設(shè)備。自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)主要由貨架、堆垛機(jī)和管理控制系統(tǒng)構(gòu)成。構(gòu)建自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)的虛擬教學(xué)系統(tǒng)，分別設(shè)定認(rèn)識(shí)功能單元、演練功能單元。認(rèn)知功能單元介紹自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)的種類、特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)和工作原理等。演練功能單元主要介紹倉(cāng)庫(kù)貨物的自動(dòng)存放功能、自動(dòng)取貨功能、信息管理系統(tǒng)功能和手動(dòng)存取貨物功能。首先構(gòu)建自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)的三維模型，建立虛擬倉(cāng)庫(kù)的存放環(huán)境，分別構(gòu)建貨架單元、堆垛機(jī)，并將貨架單元按照一定規(guī)律放置在倉(cāng)庫(kù)中，在貨架之間鋪設(shè)軌道，將堆垛機(jī)安置在軌道上，在倉(cāng)庫(kù)的出入口設(shè)定倉(cāng)庫(kù)的管理控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示倉(cāng)庫(kù)存貨貨物的各類信息。將構(gòu)建好的三維模型導(dǎo)入動(dòng)畫制造軟件，進(jìn)行圖片渲染，增強(qiáng)模型的三維效果與真實(shí)性，分別制作自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)介紹動(dòng)畫、貨物自動(dòng)存取動(dòng)畫、倉(cāng)庫(kù)信息自動(dòng)展示動(dòng)畫、手動(dòng)控制堆垛機(jī)存取貨物動(dòng)畫及手動(dòng)查閱和修改管理控制系統(tǒng)動(dòng)畫。將三維模型和動(dòng)畫導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)模擬系統(tǒng)中，生成自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)。學(xué)生通過(guò)輸入、輸出設(shè)備訪問(wèn)教學(xué)系統(tǒng)，沉浸式、體驗(yàn)式學(xué)習(xí)自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)的知識(shí)點(diǎn)，并且也可以通過(guò)手動(dòng)控制功能，將學(xué)生視角放置在堆垛機(jī)上，體驗(yàn)學(xué)習(xí)堆垛機(jī)存取貨物的整個(gè)過(guò)程，也可以通過(guò)手動(dòng)查閱和修改管理控制系統(tǒng)。
（四）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在自動(dòng)化裝配教學(xué)中的應(yīng)用方法
本節(jié)以手動(dòng)變速箱的工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)裝配為例，構(gòu)建基于工業(yè)機(jī)器人的手動(dòng)變速箱自動(dòng)化裝配的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)。為提高教學(xué)系統(tǒng)的廣泛適用性，設(shè)定如下幾個(gè)功能單元，系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。工業(yè)機(jī)器人認(rèn)知單元、工業(yè)機(jī)器人拆解單元、工業(yè)機(jī)器人裝配單元、工業(yè)機(jī)器人手動(dòng)拆裝單元、變速箱認(rèn)知單元、變速箱換擋動(dòng)作仿真單元、變速箱拆解單元、變速箱裝配單元、變速箱手動(dòng)拆裝單元、工業(yè)機(jī)器人拆解變速箱單元和工業(yè)機(jī)器人裝配變速箱單元。分別構(gòu)建工業(yè)機(jī)器人、手動(dòng)變速箱的三維模型，渲染模型顏色和紋理，并且制作工業(yè)機(jī)器人認(rèn)知單元?jiǎng)赢嫛⒐I(yè)機(jī)器人拆解仿真動(dòng)畫、工業(yè)機(jī)器人裝配仿真動(dòng)畫、變速箱認(rèn)知單元?jiǎng)赢嫛⒆兯傧洳鸾鈩?dòng)畫、變速箱裝配動(dòng)畫、工業(yè)機(jī)器人拆解變速箱動(dòng)畫和工業(yè)機(jī)器人裝配變速箱動(dòng)畫，導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中。設(shè)定不同的工作場(chǎng)景，允許同學(xué)選擇自己喜歡的工作場(chǎng)景，并且提供全局、機(jī)械手和變速箱三種顯示模式，使用不同的視角提高同學(xué)的學(xué)習(xí)理解能力。變速箱的工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)裝配虛擬教學(xué)方法可以進(jìn)行機(jī)器人、變速箱、自動(dòng)化裝配和裝配工業(yè)等內(nèi)容教學(xué)，并能調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，促進(jìn)學(xué)生思考及實(shí)踐。
四、結(jié)束語(yǔ)
基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，提出了先進(jìn)制造技術(shù)課程的創(chuàng)新教學(xué)方法，以柔性制造單元（加工中心）、受迫成形技術(shù)（壓力鑄造）、自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)和自動(dòng)化裝配（手動(dòng)變速箱的工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)裝配）為例，提出了虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)的創(chuàng)建方法。學(xué)生沉浸式的學(xué)習(xí)先進(jìn)制造技術(shù)的理論知識(shí)，采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的方式，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)與技能的理解能力與實(shí)踐操作水平，可培養(yǎng)學(xué)生的工程綜合素養(yǎng)，顯著提升學(xué)生的工程創(chuàng)新與實(shí)踐能力。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的先進(jìn)制造技術(shù)課程教學(xué)改革方法可以為機(jī)械類相關(guān)的本科生與研究生提供良好的教學(xué)效果，適應(yīng)當(dāng)代新工科背景下的學(xué)生培養(yǎng)與教學(xué)模式，具有良好的推廣價(jià)值與教育意義。
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作者:劉青康 王慶禮 楊輝 許梁 朱曉紅 單位:江西理工大