裴杰

摘要：数控的应用范围相当广泛，在各领域里都可见到相关研究与应用[1]，运用数控应用技术所营造的教学环境更是能够逼真的呈现出教学者所欲传达的知识。本文针对数控工具机的模拟，应用虚拟实境技术，结合数控程序解译模块完成程控模拟，探讨全国高职技能大赛对数控设备应用与维护专业的教学改革的影响。由于数控机具昂贵，国内的教学单位普遍有设备不足的问题，结果显示，本研究所开发的虚拟工具机可作为数值控制课程的教学辅助工具，虚拟工具机的应用对于数控教学提供了另一个思考的方向。

关键词：虚拟现实、数控工具机、技能大赛、教学辅助

中图分类号 ： G64 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）10（A）-0000-00

由于数控应用技术日趋成熟，数位化学习、数位化训练的概念，已经是未来教学模式的发展方向，加上网际网路的普及，藉由不受时间与空间限制的特点，可达到时时学习、处处教室的数位化网路学习环境，而数位教学内容又以交互式的引导学习方式较具吸引力，也能发挥更佳的教学效果，更能显现出虚拟现实的特点。本文使用虚拟现实软件配合程序语言，将虚拟工具机的控制器以独立模块开发，如同真实工具机与控制器之间的关系，在数控工具机教学应用上，虚拟工具机可辅助数控理论与程序的教学，并且可以达到一人一机的操作，使学习成效提升，此外也没有机台损坏与人员安全的疑虑，是一极佳的教学辅助工具。

1技能竞赛的学理基础与意义

1.1教育学基础

教育是受教者透过系统化的学习，以获得知识及能力的历程，在人的成长过程中每一阶段都有其既定的教育目标。而技能竞赛正是基于对参赛者预先设定其所要达到的教育目标，同时各职类的内涵可由认知与技能两个方面来探讨。

1.1.1认知领域

认知领域的教学目标是指有关知识或认知能力方面的学习结果[2]。依据认知能力发展的程序和学习的复杂程度来分，认知领域的目标依序可以分成下列六个阶层：

（1）知识：指最低层次的认知能力，包括：名词、事实、定理和原理原则等的记忆。

（2）理解：指能够掌握所学过的知识或概念意义的能力。

（3）应用：指将所学到的方法、原理原则、概念等，应用到新情境，解决新问题的能力。

（4）分析：指将所学到的概念或原理，分析成各个构造部分，或找出各部分之间相互关系的能力。

（5）综合：指将所学到的片段概念或知识、原理原则、事实等，统合、归纳或合并成一个新的整体的能力。

（6）评鉴：指最低层次的认知能力，为依据某标准做成价值判断的能力。

1.1.2技能领域

动作技能领域方面的教学目标是指屬于动作和技能方面的学习行为[3]，包括：书写、打字、游泳、演说、舞蹈、演奏、开车、跑步和操作机器及仪器等需要四肢与大脑协调的动作和技能性的学习结果。依据动作技能的发展层面来看，由简单的到复杂的行为，依序可以分成下列六个层次：

（1）感知：指用感觉器官去注意到外在现象、刺激来源或关系过程的能力。

（2）准备：指对上述感知到的动作或经验，在心理上、身体上和情绪上做预备适应的能力。

（3）模仿：指在有系统的教导下，开始学习、模仿或尝试错误新的动作技能的能力。

（4）自动化：指所学习到的动作技能经过模仿阶段，以达到非常熟练和正确的程度，不假思索即能作出反映的能力。

（5）复杂反应：指能够操作高难度和复杂度的反应，且其操作反应以达高度效率和熟练程度的能力。

（6）创作：指依据所习得的动作和技能，开始创新新动作和处理新技能的能力。

1.2技能竞赛的意义

“竞赛”是为了达成某一特定事项的一种过程，也是激发人类潜能的一种手段，从“揖让而升，下而饮”的君子之争到竞技场的热血沸腾，都是形式不一的竞赛。技能竞赛是为了解职业教育或职业训练的成效，并提升技能水平，由有关单位举办技能性的竞赛，并对有优良技能者公开表扬。此种竞赛不仅可以相互切磋技能，并可引起社会对技能的重视。技能竞赛的主旨，在建立技能价值观，鼓励青年参加技职教育与职业训练，借着竞赛的方式，激起大众的关心，促进社会的重视，检讨职业教育与职业训练的教学成效，并藉相互切磋与观摩，提高技术人力的技术水准。

学校技艺竞赛的存在，不但造就了无数顶尖基层技术人才，更重要的是它对职业教育的影响无远弗届。从学校方面来说：可以彼此观摩技能操作方法及设备仪器的使用，达到校际间沟通交流，也可藉由技艺竞赛打响学校知名度，加深社会大众对该学校的印象与好评。从教师及教学方面来说：促进教材准备更充实、教学方法更为有效，也使技能训练方法改进及教学设备更新更踏实，对学校教师产生重大震荡及改革，督促教师自我要求，在职进修以提升能力的成长。另外学生方面：激励学生学习的动机，促使技能操作的技术更熟练而使得技术水平节节升高。

2 数控设备应用与维护专业的教学改革

2.1虚拟工具机的产生

面对全球化竞争的冲击，制造模式已经扩展到资源整合的协同方式，也由于数位化革命以及资讯技术的不断进步，且网际网路的发展也加快了制造信息交换的速度，对制造系统而言，如何利用数位资料模拟出一个虚拟的制造环境，帮助各种制造活动能正确而快速的达成目的便成为虚拟制造相关领域，虚拟工作平台的开发研究，提出了进一步的人机介面概念。

由虚拟制造再缩小至虚拟加工范筹，加工机的模拟也是其中被广为探讨的研究议题，以实际CNC工具机而言，必须结合软体与硬体的功能才能正确控制机器的运作，因此，如同所有虚拟现实的应用实例，解析出虚拟空间中模型的行为是必要的，网页式虚拟使用VRML建构3D模型与场景，透过JAVA程式及EAI与VRML虚拟场景作互动，该系统结合了碰撞侦测与加工参数模拟如刀具寿命计算；网路虚拟实境除了使用VRML之外，使用JAVA3D即时显示技术，将虚拟工具机与实际机台串连，于机具上装设感应器送回座标讯息使虚拟与实际工具机能够同步动作，借以监视远程机台的状况。

2.2数位化NC教学

电脑数值控制机器的出现，解决了人为操作的不便与误差且提高了生产速度，但是技术人员的训练问题依然存在，且人员素质的良窳仍然影响生产质量，且数控机器的操作核心是数值控制程序，因此如何有效的缩短学习时程、增加教学成效，则是数值控制教学所不可忽视的[4]。随着数位化学习概念的出现，CNC教学也开始出现各种新的方式，例如虚拟训练系统的开发，辅助CNC工具机的操作训练，经由设计好的训练剧本，可降低对于初学者在操作上的犯错率；或经由虚拟加工动作可验证NC程式并应用于教学上的虚拟五轴工具机；而应用虚拟实境所开发的车床操作训练环境也有相关的研究。除此之外，结合网际网路工具，已有将数值控制知识加以整理的教学网页，可方便随时上网查询所需资料；而CNC远距教学系统的开发，弥补了因机器设备昂贵造成教学资源不足的缺点；上网搜寻亦可发现商业化经营的CNC数位课程服务，显示出数控工具教学的数位化趋势。另一方面，具有与使用者互动能力的教学工具也是发展重点，因此产生结合虚拟实境技术与网际网路以增加教学效果的方式，例如应用VRML网路3D技术所开发的NC程式学习网页，以2D与3D画面辅助程式码的教学与评量以及使用分散式环境所建构的虚拟CNC工具机教学网页。

因此，透过数位化学习，可将学习资源整合，并可运用各种多媒体工具以及虚拟现实的辅助，改变传统的教学方式，且数位化资料携带与传送的便利性，经由四通八达的网际网路更加提升，对数值控制工具机的教育训练而言，可解决设备不足的问题，故开发可用于教学辅助的虚拟加工中心机成为本研究的目的之一。

3 教学与实务

目前高中职及大专院校的数控工具机教学模式是先以教科书教授基本理论与NC程式撰写练习，配合CAM软体或由学生撰写可加工的NC程式，最后再行上机实做，NC程式的教学上，使学习者对座标系统有正确的认识是教学重点之一，必须熟悉数控机具的坐标转换才能做正确的加工，坐标的转换也是一般学习者容易发生混淆的地方，另一个部分则是刀具路径的补正，再者，使用CAM软体转出NC程式时，未考虑到实际加工时的情形，导致时间浪费在错误的尝试中。因此虚拟工具机的开发目的之一，即希望能够辅助数控工具课程的教学，使学习者能够在NC程式的学习阶段就能够有一虚拟机器测试并验证所学所得，在实际上机之前也能先熟悉加工操作流程，并對于数控原理有更正确的认识。虚拟工具机作为教学辅助的另一优点是可携带性，随时可以展示机台的动作与NC指令间的关系，不需要实际到真实机具前，且数控机具价格昂贵，教学资源有限，也无法由学习者单人单机去实际操作。

4 结论

本文针对虚拟工具机所提出的开发架构，是基于虚拟现实与数值控制理论利用程序辅助实作而成，运用虚拟现实建构数控工具机的虚拟场景可应用于数控工具机教学的辅助，由于一般加工的流程已在本系统的虚拟环境中仿真，操作者必须针对每一步骤做正确的设定才会获得预期的结果，因此可辅助实作教学，并达到一人一机的效果，对于理论与程序的教学亦可运用经过设计的虚拟场景加以说明，例如NC控制模式的运用，学习者可立即看到结果。若能运用这样的系统于教学上，这对于目前职业与技专院校中CNC设备普遍不足而造成的教学问题可有所改善。

参考文献

[1]李名梁，李媛媛.我国职业技能大赛对职业教育吸引力的影响分析[J].职教论坛.2012（24）.

[2]聂章龙，张静.关于职业技能大赛对教学改革推动作用的研究[J].职业教育研究.2012（08）.

[3]李艳梅.关于职业技能大赛对职业教育的导向功能[J].职教论坛.2012（14）.

[4]李和平.技能大赛对高职教育的助推作用[J].中国高教研究.2011（05）.