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摘要 ：信息技术广泛应用的背景下， 如何开展“虚实结合”实训教学手段， 以满足企业对装备制造数字化 、智能化人才的需求， 成为高职院校职业教育改革所面临的关键问题 。开发了一款虚拟仿真网络平台软件， 配置 3D-LED 显示屏 、MR 教学系统等硬件， 建立虚实融合的数控机床虚拟仿真实践教学平台 。基于网络共享， 集终端 、应用系统 、平台 、课程内容于一体， 实现与真实机床 设备一样的虚拟机床拆装 。平台将虚拟动画与实景空间相结合， 将抽象概念具象化， 为学习者打造可交互 、沉浸式的三维学习环 境 。拆装过程包括机床部件拆装 、部件的零件级拆装等模块 。该软件具有二次开发功能， 支撑学生开展自主与协作 、个性化 、拓 展性学习， 让学生在学会知识与技能的同时， 提升创新性思维能力， 从而培养智慧型人才。
关键词 ：虚拟仿真,数字孪生,数控机床,实践教学
Construction of Virtual Simulation Practice Teaching Platform for CNC Based on Virtual Reality Fusion
Zhang Wei， Ma Jinzhong， Wang Bingsen
(School of Intelligent Manufacturing, Xiamen City University, Xiamen, Fujian 361008. China)
Abstract: Under the background of extensive application of information technology, how to carry out the "combination of virtual and real" practical teaching means to meet the needs of enterprises for digital and intelligent talents in equipment manufacturing has become the key problem faced by vocational education reform in higher vocational colleges . To establish a virtual simulation practice teaching platform for CNC (computer numerical control) that integrates virtual reality, the virtual simulation network platform software is developed, and hardware such as a 3D-LED display screen and MR(Mixed Reality) teaching system is configured. Based on network sharing, the terminal, application system, platform, and course content are integrated to realize the disassembly and assembly of virtual machines like real machines . The platform combines virtual animation with the actual scenario, materializes abstract concepts, and creates an interactive, and immersive 3D learning environment for learners. The disassembly and assembly process includes the disassembly and assembly of machine parts and the part level disassembly and assembly of parts. The software has the secondary development function to support students to carry out independent and cooperative, personalized, and expanding learning so that students can improve their innovative thinking ability while learning knowledge and skills, to cultivate intelligent talents.
Key words: virtual simulation; digital twins; CNC; practical teaching
引言
数控技术是制造业实现自动化 、柔性化 、集成化生 产的基础; 是提高产品质量 、提高劳动生产率必不可少 的技术手段[1-2] 。随着制造业信息化工程的进一步推进， 为提高企业的技术装备水平和产品竞争力， 制造设备正 大规模数控化 、智能化[3]， 社会对数控技术人才的需求 进一步增加。
在推动新一代信息技术和职业教育改革结合的背景下， 许多高职院校都在研究探索虚拟仿真实训基地建 设[4-5]， 希望通过“虚实结合”实现实训教学手段[6]， 拓宽 学生的学习途径。虚实融合实训基地可以促进高职院校的 人才供应， 从而紧跟装备制造数字化、智能化的发展趋势。
制造类专业学生在实训过程中存在对所学对象 (数 控机床等) 不明白， 拆装实训设备台套数不足 、拆装过 程存在安全隐患等教学的难点与痛点[7] 。VR 技术的应 用， 能够对产品设计优化过程， 提供了视觉上的判断， 并有利于设计人员和操作人员之间的沟通， 建设产品的 设计返工率[8] 。数控机床虚拟仿真实践教学平台通过典 型小型家用机床的虚拟与实际的拆装相结合， 加强学生 VR 仿真拆装和实际动手操作， 生动直观认识数控机床的 组成 、机构的传动关系 、零件与部件的基本构成 、机床 加工的主 、辅运动与精度保证等方面内容[9]。
利用混合现实 ( MR ) 技术将 3D 虚拟仿真教学内容 与老师上课实时空间画面混合[10]， 让学生通过立体眼镜沉浸到老师实时操作虚拟仿真教学场景中， 让老师的教 学内容更加立体形象 。3D-LED MR 教学系统可以帮助学 生更快学会老师讲授的专业技术知识， 身临其境感受到 真实的模拟场景， 提高学生学习兴趣和理解能力， 为进 一步学习专业课打下扎实的基础。
1 教学系统构成
教学系统采用 B/S 模式 ( Browser/Server， 浏览器/服 务器模式)， 基于英特网/校园网实现 。在用户浏览器中 嵌入虚拟现实三维互动引擎完成 3D 虚拟现实场景的渲染 显示与实验互动操作 。3D 图形底层渲染支持OpenGL、 DirectX 、以及软件渲染， 采用多线程 socket 实现动态 3D 数据传送; 同时， 通过与 PHP 动态网页相结合的方式， 实现整个客户端的浏览与界面操作。
教学平台具有资源管理 、智能导学 、在线学习 、在 线考试 、成绩管理 、用户管理等全方位教学与管理功能。 采用基于 Web3D 虚拟现实三维互动技术， 能实现智能互 动拆装及虚拟仿真实验操作 、能够智能判断用户在 3D 场 景中的操作， 并做出实时智能反应。虚拟仿真教育云平台系统架构如图 1 所示， 包括基 础设施层 、数据资源层 、平台层以及应用层。
基础设施层包括云服务器 、云存储 、云管理 、网络 设备等 。云服务器是面向用户提供公用化的互联网基础 设施 。云存储则通过虚拟化 、分布式文件系统等功能， 将云平台中的各种存储设备通过应用软件集合起来， 并 对外提供数据存储和业务访问功能的一个系统 。云管理 通过集中式管理系统建立完善的数据体系和信息共享机 制， 通过权限管理和安全机制实现数据和信息的管理 。 网络设备/5G 网络包括路由器 、交换机 、网关 、5G 网络 等， 通过这些设备和网络来构成虚拟仿真教育云平台最 底层的硬件环境。
数据资源层包括 VR 数据库 、教学资源数据库 、用 户数据库 、系统数据库 、信息标准数据库 、服务数据 库 等 。 VR 数 据 库 支 持 各 类 沉 浸 式 VR/AR/MR 硬 件 设 备 、 PC 端/移 动 端 VR 仿 真 等， 支 持 Windows 、 IOS、Android 等操作系统 。教学资源数据库允许教师直接在 平台上创建/储存培训资源， 如 VR/AR/MR 三维模型资 源 、PPT 、word 文档 、视频等 。用户数据库包含了账 号信息， 并可以对用户账户进行增加/删除/修改账号 的某些属性或者权限等操作 。系统数据库用于存储管 理所有公有云/私有云服务器信息 、系统运行状态 、历 史操作变更信息 、系统故障自动恢复等信息 。信息标 准数据库提供云平台支持的国际标准 、常用 3D 模型格 式的相关数据 。服务数据库提供私有云服务器授权信 息 、公有云/私有云平台中各类角色的权限设置信息 、 状态更新等服务 。
平台层包括身份认证平台 、VR 教学服务平台 、VR 仿真实验平台 、全国学校私有云管理平台 、VR 资源入库 管理平台 。VR 仿真实验平台提供丰富的 VR/AR 仿真实 训资源供用户使用 。全国学校私有云管理平台可以对提 供给全国各地学校的私有云服务进行统一管理， 包括对 私有云权限的分配 、课程资源的分配等， 实现学校私有 云“即插即用”。VR 资源入库管理平台允许用户上传指 定的资源， 也可以在权限范围内对平台上的 VR/AR 三维 模型资源 、文档资源进行二次编辑并保存。
应用层包括 VR 编辑器 、沉浸式 VR/AR/MR 、桌面 互动 VR 、PC/移动端 VR 、培训备课系统 、以及虚实结 合 VR[11] 。 在 VR 编 辑 器 上， 用 户 可 以 在 平 台 上 通 过 VR/AR/MR 编辑工具开发模型内容并保存 。沉浸式 VR/ AR/MR 通过 VR 设备对平台公有云上的三维资源内容 进行操作 。虚实结合 VR 能够兼容一些虚拟结合的 VR 设备， 比如数控机床 、 电子电气设备 、智能制造系统 等， 通过这些设备操作当前公有云上的 VR 内容 。PC 端/移 动 端 VR 支 持 Windows 、 IOS 、 Android 等 操 作 系 统， 通过 PC 端和移动端 (手机 、Pad) 访问和操作 VR 仿真培训平台上的各种资源 。培训备课系统有完整的 备课功能， 老师可以通过备课系统获取想要的内容包 括 VR/AR 资源 、PPT 、视频等资料进行备课， 从而优 化备课过程 。
2 虚拟仿真实践教学平台
数控机床虚拟仿真实践教学平台， 如图 2 所示， 通 过典型小型家用机床三维模型虚拟空间的拆装与装配完 成机床整体结构及运动关系， 各部件的结构及运动关系， 各零件的位置及拆装的先后顺序的 VR 实训平台 。平台 能实现对机床零件 、部件的装配关系， 加强学生对传动 系统的认识与理解， 并熟悉精度检测的方法等， 为学生 打下坚实的机械专业基础。
平台内的机床 VR 模型材质色彩与实际相近 。机床 拆装过程桌子无法移动， 使得拆装场景与实际一致 。VR 模型在装配时设有实体 、半透明 、透明等显示状态模式，放置模式 、安装模式 、完成模式， 以便拆装识别及观察。 该项目线下教学时， 拆装过程在车间环境中开展。
不同模块建设内容如下。
( 1 ) VR 机床拆卸模块
按机床总体 、部件 、零件的先后顺序进行拆卸， 如 顺序不对， 则部件 、零件不能拆下 。基于实际拆装过程， 拆卸不同零部件时需此案用相应的专用工具， 并按照拆 装章程将拆下后的零件放到规定的位置上 。为了便于学 习演练， 平台内配有拆卸过程自动演示。
( 2 ) VR 机床安装模块
机床装配时按零件 、部件 、总体的先后的顺序进行， 如顺序不对， 则零件 、部件不能装上 。装配零件 、部件 时要用专用工具才能安装， 装配所需的零件要从规定的 编号位置上取 。为了便于学习演练， 平台内配有安装过 程自动演示。
( 3 ) VR 机床传动系统模块 (透视 、剖视)
VR 机床传动系统模块中机床的运动满足传动关系， 能够实现 VR 机床运动效果， 有透视 、剖视功能达到内 部结构可视清晰， 运动关系明了。
( 4 ) VR 机床检测模块
在 VR 机床检测模块中， 利用专用的检测工具对机 床的精度进行检测， 依据标准规范制定检测方法， 检测 时表盘指针的数据要有明显变化。
( 5 ) VR 机床素材资源模块 (机床零件、工具、检具)
机床零件库 、拆装工具库 、检测工具库完整， 模型 材质色彩逼近现实 。开发的 VR 机床拆装及检测工具， 能融入机床拆/装以及检测模块， 拆装 、检测工具需放在 规定的编号位置上。
3 虚拟仿真实践教学平台实现
3.1 安全访问及硬件配置
在安全访问方面， 软件系统通过二级等级保护认证， 系统具备一定的安全防御功能[12] 。外网访问并发与软件 服务端硬件配置和网络带宽相关 。系统部署建议硬件配 置方案： 数据库服务器/高速缓存服务器 1 台， 文件存储 服务器 2 台， WEB 服务器 2 台， 软负载均衡器 1 台， 采用 CentOS7 操作系统; 证书服务器 1 台， 采用 Windows2016 标准版; 最多支持并发数 5 000.服务器配置： CPU Intel Xeon gold 主频 3.0 GHz， 内 存 16 GB， 2 TB 固态硬盘， WIN Server 2016 操作系统， 网络带宽内网 1 GB， 外网带宽 100 MB。
3.2 访问及登录方式
虚拟仿真教学资源平台有两种使用方式： 现场教学 使用模式和线上登录访问模式。
现场教学使用模式主要针对本校开课计划的师生， 在规定的上课时间， 师生在实训基地现场通过 VR 设备 登录中实践教学平台， 集中开展虚拟仿真实验 。另外， 基于兴趣爱好， 学生可以申请在非上课时间到实训基地 现场操作， 满足不同学生的个性化学习需求。
远程登录使用平台客户端或浏览器 (浏览器自动唤 起客户端) 的形式登录访问， 登录界面如图 3 。按账号 的角色登录访问， 包括学生 、教师和管理员 。登录后学 生可以进行访问教学 、实训 、考核虚拟仿真资源等操作。 教师除了学生的权限外， 还支持对课程资源的组织和编 辑; 管理员的作用则主要是后台的管理功能， 包括账号 管理 、班级管理等。
3.3 教学系统实施
MR 教学系统将上课老师的实时影像与三维立体 VR 仿真设备、仪器、仪表等在教师教学场景的实际空间内融 合起来 。老师可以对 VR 仿真设备等进行实时操作， 学生 戴上立体眼镜后， 能够沉浸到老师教学场景同一空间中， 实时看到老师在操作的三维 VR 仿真设备， 从而直观快速 理解老师所教学的复杂设备的结构 、原理 、操作规范等。
在 3D-LED MR 教学系统的支持下， 教师可以通过交 互手柄与教学场景内容模型进行实时互动， 如演示教学 场景中机床机身罩壳仿真结构原理 、安全操作规范 、拆 装等操作 。学生佩戴 3D 眼镜后， 能够从 3D-LED 环幕中 实时看到老师与教学仿真场景的交互过程， 学生也可通 过手柄参与协同互动操作。
整个实训过程按照熟悉 、掌握 、运用的步骤， 可以 分为“虚实仿真实操”、“虚实结合实训”与“真机实训” 3 个阶段。
第一阶段， 在掌握必要专业技术知识的前提下， 利 用 PC 机进行虚拟环境中的机电设备拆装， 通过智能导学 、智能评价系统对学生的虚拟仿真实训成果进行自动 评分， 将掌握虚拟装配技能的学生分流到虚实结合设备 训练。
第二阶段， 由教师或智能导学系统引导下， 学生在 虚实结合的 VR 设备进行实训， 运用与真机一样的设备 对虚拟的机械设备进行装配 、拆卸 、检修等操作， 再次 智能考核评价后进入真机实操阶段。
第三阶段， 进入真机实训阶段 。通过校外生产性实 训基地或者企业进行上岗实习， 全面提升岗位能力。
4 实践效果分析
虚拟仿真实验教学项目的建设能够有效缓解学校实 训场地小 、仿真设备数量少 、教实操过程危险等问题[13]。 通过线上 、线下不同学习模式互补， 极大提高实训设备 的利用率， 消除认知障碍， 以高纬度数据化造型的方式 创新前导认知， 有效提升学生学习兴趣[14] 。除一般性特 点外， 本项目的特色如下。
( 1 ) 智能导学模块—虚拟专家实施指导
在实训教学中， 需要学生掌握具体实训项目 、专业 技术知识和操作技能， 教师很难一对一指导学生操作 。 智能导学功能可以在学生实操过程中， 逐一引导学生根 据行业规范进行实训操作， 有效把握整个实训环节的规 范操作， 自动提示并记录学生操作错误的地方， 并给出 正确的操作方法， 推动实训教学效率提升。
( 2 ) 智能过程/结果精确评价
采用智能评价系统对实验操作进行智能评价， 根据 操作过程与结果进行智能化自动评分， 形成客观的学生 技术技能能力分析画像 。实现对学生实操过程全跟踪、 大数据精确分析学习行为， 从而帮助学生快速学会技术 技能 、智能评价学生学习效果 、提高教学效率和质量。
( 3 ) 个性化教学， 满足定制提升
通过智能导学 、智能评价系统， 按学生不同学习阶 段需求， 将学生分流到不同的实训设备与实训环境， 逐 步实质性提高学生的专业技术能力 、动手实践能力以及 实训操作得水平， 提高实训设备的利用率和实训教学的 效率 。杜绝了大锅饭式的教学无法满足学生个性化需求 的弊端 。另外， 虚实融合实训平台可以在课后通过 VPN 连接， 从而像家庭作业一样在课余实践进行练习， 激发 学生做实验的积极性， 使得实践能力得到充分提高。
5 结束语
虚实融合实训平台有效解决学生对学习专业对象缺 乏了解的问题， 明白数控机床的组成关系 、传动结构机 理 、传动关系及机床主 、辅运动， 典型产品的设计 、生 产 、加工 、检测等系统化知识点 。这种探索性的学习模 拟训练有利于激发学生的创造性思维， 使学习者在具体情境中通过主动的探索获得知识， 增强学习体验， 加强 学习效果， 从而提高学习者的动力 。学生还可以通过网 页 、在线操作的方式， 解决实训课难以复习的问题。
实训基地运用 VR/MR+云服务等前沿技术手段， 采 用“云+端”模式[15]， 打造集展示 、体验 、教学 、实训、 开发 、共享的一体化的虚拟仿真实训中心， 使之成为培 养高素质人才的重要平台 。MR 实景实训室的建设， 为 本校提供精致的课程资源 。基于此， 学校在不断改进教 学模式 、全面提高学生专业素质和实操能力的同时， 为 其它高校 、社会提供优质的教学资源， 承接相关培训课 程， 在服务社会的同时， 提高学校的社会影响力。
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