基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

羅曉東， 尹立孟， 王青峽， 許文林

(重慶科技學(xué)院 冶金與材料工程學(xué)院， 重慶 401331)

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基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

羅曉東， 尹立孟， 王青峽， 許文林

(重慶科技學(xué)院 冶金與材料工程學(xué)院， 重慶 401331)

虛擬仿真技術(shù)可以逼真地模擬現(xiàn)實(shí)世界的事物和環(huán)境，有利于培養(yǎng)學(xué)生在專業(yè)課實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的創(chuàng)新實(shí)踐能力，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。針對(duì)當(dāng)前材料成型及控制工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的相關(guān)問(wèn)題，提出虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，并針對(duì)性地分為專業(yè)基礎(chǔ)、軟件基礎(chǔ)、基礎(chǔ)仿真訓(xùn)練和綜合仿真訓(xùn)練四個(gè)模塊，循序漸進(jìn)地深入教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，從點(diǎn)到面，由淺入深，有序地完成學(xué)校無(wú)法完成的各種軋制環(huán)節(jié)。并以特種軋制工藝模擬仿真研究為例，分析建模的過(guò)程，并進(jìn)行工藝仿真。通過(guò)長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)借助于該教學(xué)平臺(tái),可解決本專業(yè)設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足、成本高等問(wèn)題，同時(shí)能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)生實(shí)際操作能力。

虛擬仿真； 材料成型及控制工程； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 模塊教學(xué)； 案例分析

0 引 言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為理論聯(lián)系實(shí)際的重要組成部分, 對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神都有十分重要的作用[1-3]。重慶科技學(xué)院是一所省屬特色突出的工科院校,材料成型及控制工程專業(yè)作為校級(jí)特色專業(yè)，背靠冶金，以軋制為主要發(fā)展方向，面向鋼鐵企業(yè)，培養(yǎng)板型管的專業(yè)技術(shù)人才，實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提高對(duì)于實(shí)現(xiàn)“具有創(chuàng)新精神的應(yīng)用型高級(jí)專門人才”的培養(yǎng)目標(biāo)顯得尤為重要[4-6]。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法和手段[7-8]通常是由教師對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行講解，對(duì)實(shí)驗(yàn)中容易出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行解釋，學(xué)生按教師的講解重復(fù)實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，而教師批改學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告記分為主，導(dǎo)致了學(xué)生只重視實(shí)驗(yàn)報(bào)告，沒(méi)有學(xué)會(huì)提出問(wèn)題，分析問(wèn)題，解決問(wèn)題的能力。

近年來(lái)，虛擬化仿真技術(shù)[9-10]發(fā)展迅速，adams，ansys，abaqus、fluent、MARC等虛擬軟件不僅能夠模擬真實(shí)的物理設(shè)備，如軋機(jī)、加熱爐、風(fēng)機(jī)等，并能像真實(shí)設(shè)備一樣對(duì)其進(jìn)行操作，非常適合材控專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究，其友好的交互界面和虛擬仿真環(huán)境，有利于培養(yǎng)學(xué)生在專業(yè)課實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的創(chuàng)新實(shí)踐能力。在實(shí)物實(shí)驗(yàn)條件達(dá)不到良好效果的情況下，運(yùn)用計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真技術(shù)可彌補(bǔ)其不足，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

本文在多年的教學(xué)過(guò)程中對(duì)材控專業(yè)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)件進(jìn)行分析，在國(guó)家虛擬仿真平臺(tái)的基礎(chǔ)上，嘗試建立基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。

1 課程設(shè)置和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改革

為了在專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程中更好地開展仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，“西門子PLC系統(tǒng)及應(yīng)用”、“有限元分析方法”、“材料加工CAD/CAE/CAM技術(shù)基礎(chǔ)”、“材料成型自動(dòng)化基礎(chǔ)”等作為基礎(chǔ)平臺(tái)課程先行開設(shè)，安排在第三或第四學(xué)期。在開設(shè)專業(yè)課時(shí)，編寫包含傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教材(“金屬壓力加工實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書”和“鋼鐵制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書”)供學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)習(xí)，并配置PLC實(shí)驗(yàn)中心和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室方便教師和學(xué)生進(jìn)行相關(guān)仿真實(shí)驗(yàn)。為了提高專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，考慮到課程的相互銜接性和完整性，完善各門課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的改革，探討從專業(yè)基礎(chǔ)課程到專業(yè)課程的基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，通過(guò)不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(開設(shè)項(xiàng)目一覽表如表1所示)逐步提升學(xué)生的操作能力和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

表1 專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課開設(shè)的實(shí)驗(yàn)情況

2 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

我校材控專業(yè)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)宗旨是，針對(duì)我校材料成型及控制工程專業(yè)的教學(xué)特點(diǎn)，加強(qiáng)教師的主導(dǎo)作用，強(qiáng)調(diào)實(shí)踐環(huán)節(jié)，以培養(yǎng)學(xué)生的能力為中心，提高學(xué)生的工程訓(xùn)練水平和實(shí)踐應(yīng)用能力。基于該原則，虛擬仿真平臺(tái)有4個(gè)部分組成。專業(yè)基礎(chǔ)+ 軟件基礎(chǔ)+基礎(chǔ)仿真訓(xùn)練+綜合仿真訓(xùn)練。專業(yè)基礎(chǔ)主要是驗(yàn)證、鞏固和補(bǔ)充課堂講授的理論知識(shí)，使學(xué)生通過(guò)視頻建立起對(duì)材料成型及控制工程專業(yè)的感性認(rèn)識(shí)，使學(xué)生能夠熟悉今后所從事的的主要工作方向。軟件基礎(chǔ)主要是通過(guò)軟件介紹和分析，讓學(xué)生選擇自己感興趣的軟件(4個(gè)選1個(gè))自主學(xué)習(xí)模型建立的方法和步驟，從而具備仿真基礎(chǔ)能力。基礎(chǔ)仿真訓(xùn)練是通過(guò)仿真軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的演示實(shí)驗(yàn)，用以幫助學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中更直觀地看到實(shí)驗(yàn)的步驟和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。綜合仿真訓(xùn)練主要是一些結(jié)合本專業(yè)的特點(diǎn)，突出課程內(nèi)容的專業(yè)性和職業(yè)指向性的應(yīng)用案例仿真。四個(gè)部分循序漸進(jìn)地將學(xué)生引入到實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，為學(xué)生營(yíng)造真實(shí)的實(shí)驗(yàn)氛圍，激發(fā)學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例分析

以特種軋制工藝中的環(huán)軋仿真為例，首先通過(guò)理論講解讓學(xué)生明白環(huán)軋工藝的特點(diǎn)，結(jié)合運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化模型[11-13]見(jiàn)圖1，對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析[14-16]，并通過(guò)某軸承企業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)件軋制過(guò)程的視頻，讓學(xué)生能夠基于有限模擬軟件建立起軋制的模型見(jiàn)圖2， 通過(guò)定義邊界條件和初始條件，并采用C3D8RT將坯料離散，然后選取材料并建立工藝參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)基本一致的工藝參數(shù)和性能特征，在檢查無(wú)錯(cuò)的基礎(chǔ)上進(jìn)行運(yùn)行。

圖1 導(dǎo)向輥的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化示意圖

圖2 徑軸向環(huán)件軋制的幾何模型

在運(yùn)行的過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)很多次錯(cuò)誤，在每次報(bào)錯(cuò)時(shí)記錄下報(bào)錯(cuò)的原因，并進(jìn)行更正，不斷調(diào)整模型和參數(shù)，直到可以運(yùn)行出來(lái)。在該基礎(chǔ)上對(duì)軋制過(guò)程進(jìn)行工藝參數(shù)改進(jìn)，按照現(xiàn)場(chǎng)的軋制工藝進(jìn)行模擬仿真，并對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行處理從而得到如圖3～6所示的模擬結(jié)果，通過(guò)這些參數(shù)的變化可以分析整個(gè)軋制過(guò)程中溫度和應(yīng)力應(yīng)變的分布，為軋制工藝的優(yōu)化提供指導(dǎo)。

圖3 環(huán)件在軋制過(guò)程中等效應(yīng)變的分布云圖

圖4 環(huán)件在軋制過(guò)程中溫度的分布云圖

圖5 成形環(huán)件橫截面上的軋制力分布情況

圖6 成形環(huán)件橫截面上的軋制力分布情況

通過(guò)環(huán)件軋制工藝的建模和仿真，學(xué)生能夠充分認(rèn)識(shí)到特種軋制過(guò)程中環(huán)件和軋輥的運(yùn)行規(guī)律，并清晰獲得軋制過(guò)程中工藝參數(shù)改進(jìn)對(duì)軋制過(guò)程的影響，為其工藝課程的理解和提升打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也為其今后走上工作崗位嚴(yán)格執(zhí)行工藝參數(shù)，認(rèn)真制定工藝制度，合理優(yōu)化工藝改革提供了有力保障。

4 結(jié) 語(yǔ)

在整個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們對(duì)學(xué)生進(jìn)行了抽卷調(diào)查，根據(jù)學(xué)生反饋結(jié)果顯示學(xué)生的興趣度由原來(lái)的29.5%提高到了87.2%，教學(xué)效果良好，同時(shí)根據(jù)鋼鐵企業(yè)調(diào)研反饋結(jié)果顯示，基于該平臺(tái)就業(yè)的2010級(jí)學(xué)生更能扎根于現(xiàn)場(chǎng)，企業(yè)的一次離職率在10%以下遠(yuǎn)低于其他高校，大大地提高了企業(yè)對(duì)學(xué)校的認(rèn)可度。2011屆共有學(xué)生187人，就業(yè)率為97.65%，在學(xué)校處于前列。

總之通過(guò)我校材料成型及控制工程專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與實(shí)踐，充分證明該虛擬教學(xué)平臺(tái)提高了學(xué)生實(shí)際操作能力, 積累了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn), 鍛煉了學(xué)生分析解決問(wèn)題的能力。

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Design of Experimental Teaching Platform Based on Virtual Simulation Technology

LUOXiao-dong,YINLi-meng,WANGQing-xia,XUWen-lin

(College of Metallurgical and Materials Engineering, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331， China)

Virtual simulation technology can realistically simulate the real world, to cultivate students’ innovative practice ability, improve experiment teaching effect. In view of the problems existing in the experimental teaching of materials processing and controlling engineering, we designed the virtual experiment teaching platform. In our design the virtual experiment teaching platform divided into professional foundation, software infrastructure, basic simulation training and comprehensive simulation training. The four modules step gradually in-depth all aspects of teaching, and are from part to integrate, from easy to difficult, can complete all kinds of rolling process. Taking the special rolling process simulation as an example, a detailed analysis of the process of modeling and process simulation are introduced. With the help of the teaching platform, it can solve the insufficient equipment and the cost, at the same time, it can stimulate students’ interest in learning, improve students’ practical ability.

virtual simulation; materials processing and controlling engineering; practical teaching; modular teaching; case analysis

2015-05-18

2014年國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心(教高司函〔2013〕94號(hào))；2014年重慶市本科高校“三特行動(dòng)計(jì)劃”特色專業(yè)群(渝教研〔2014〕7號(hào))；2014重慶科技學(xué)院特色專業(yè)(201402)；2014重慶科技學(xué)院精品資源共享課(201408)；2016重慶科技學(xué)院教改項(xiàng)目(2016025)

羅曉東(1981-)，男，河南許昌人，博士在讀，講師，主要從事塑性加工相關(guān)教學(xué)和科研工作，

Tel.：13637992925；E-mail：lxd336@163.com。

TB 31; TG 33

A

1006-7167(2016)04-0104-04