基于虛擬仿真技術的實驗教學平臺設計

羅曉東， 尹立孟， 王青峽， 許文林

(重慶科技學院 冶金與材料工程學院， 重慶 401331)

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基于虛擬仿真技術的實驗教學平臺設計

羅曉東， 尹立孟， 王青峽， 許文林

(重慶科技學院 冶金與材料工程學院， 重慶 401331)

虛擬仿真技術可以逼真地模擬現實世界的事物和環境，有利于培養學生在專業課實驗環節的創新實踐能力，提高實驗教學的效果。針對當前材料成型及控制工程實驗教學中存在的相關問題，提出虛擬實驗教學平臺的設計，并針對性地分為專業基礎、軟件基礎、基礎仿真訓練和綜合仿真訓練四個模塊，循序漸進地深入教學的各個環節，從點到面，由淺入深，有序地完成學校無法完成的各種軋制環節。并以特種軋制工藝模擬仿真研究為例，分析建模的過程，并進行工藝仿真。通過長期的教學實踐，發現借助于該教學平臺,可解決本專業設備臺套數不足、成本高等問題，同時能有效激發學生的學習興趣,提高學生實際操作能力。

虛擬仿真； 材料成型及控制工程； 實驗教學； 模塊教學； 案例分析

0 引 言

實驗教學作為理論聯系實際的重要組成部分, 對于培養學生動手能力、工程實踐能力和創新精神都有十分重要的作用[1-3]。重慶科技學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作為校級特色專業，背靠冶金，以軋制為主要發展方向，面向鋼鐵企業，培養板型管的專業技術人才，實驗教學質量的提高對于實現“具有創新精神的應用型高級專門人才”的培養目標顯得尤為重要[4-6]。

傳統的實驗方法和手段[7-8]通常是由教師對整個實驗進行講解，對實驗中容易出現的問題進行解釋，學生按教師的講解重復實驗，記錄數據，撰寫實驗報告，而教師批改學生的實驗報告記分為主，導致了學生只重視實驗報告，沒有學會提出問題，分析問題，解決問題的能力。

近年來，虛擬化仿真技術[9-10]發展迅速，adams，ansys，abaqus、fluent、MARC等虛擬軟件不僅能夠模擬真實的物理設備，如軋機、加熱爐、風機等，并能像真實設備一樣對其進行操作，非常適合材控專業的實驗教學和研究，其友好的交互界面和虛擬仿真環境，有利于培養學生在專業課實驗環節的創新實踐能力。在實物實驗條件達不到良好效果的情況下，運用計算機數字仿真技術可彌補其不足，提高實驗教學的效果。

本文在多年的教學過程中對材控專業的專業實驗教學環件進行分析，在國家虛擬仿真平臺的基礎上，嘗試建立基于虛擬仿真技術的實驗教學平臺，以激發學生的學習興趣，變被動學習為主動學習。

1 課程設置和實驗內容改革

為了在專業實驗課程中更好地開展仿真實驗教學，“西門子PLC系統及應用”、“有限元分析方法”、“材料加工CAD/CAE/CAM技術基礎”、“材料成型自動化基礎”等作為基礎平臺課程先行開設，安排在第三或第四學期。在開設專業課時，編寫包含傳統實驗和仿真實驗的實驗教材(“金屬壓力加工實驗指導書”和“鋼鐵制造虛擬仿真實驗教學中心實驗指導書”)供學生實驗時學習，并配置PLC實驗中心和虛擬仿真實驗室方便教師和學生進行相關仿真實驗。為了提高專業課程實驗教學的效果，考慮到課程的相互銜接性和完整性，完善各門課程實驗環節的改革，探討從專業基礎課程到專業課程的基于虛擬仿真實驗教學環節的設計，通過不同的實驗項目(開設項目一覽表如表1所示)逐步提升學生的操作能力和實踐經驗，提高學生的工程實踐能力。

表1 專業基礎課和專業課開設的實驗情況

2 虛擬實驗教學平臺設計

我校材控專業教學平臺的設計宗旨是，針對我校材料成型及控制工程專業的教學特點，加強教師的主導作用，強調實踐環節，以培養學生的能力為中心，提高學生的工程訓練水平和實踐應用能力。基于該原則，虛擬仿真平臺有4個部分組成。專業基礎+ 軟件基礎+基礎仿真訓練+綜合仿真訓練。專業基礎主要是驗證、鞏固和補充課堂講授的理論知識，使學生通過視頻建立起對材料成型及控制工程專業的感性認識，使學生能夠熟悉今后所從事的的主要工作方向。軟件基礎主要是通過軟件介紹和分析，讓學生選擇自己感興趣的軟件(4個選1個)自主學習模型建立的方法和步驟，從而具備仿真基礎能力。基礎仿真訓練是通過仿真軟件設計和實現的演示實驗，用以幫助學生在實驗過程中更直觀地看到實驗的步驟和實驗結果。綜合仿真訓練主要是一些結合本專業的特點，突出課程內容的專業性和職業指向性的應用案例仿真。四個部分循序漸進地將學生引入到實驗場景中，為學生營造真實的實驗氛圍，激發學生的想象力和創造力。

3 虛擬實驗教學案例分析

以特種軋制工藝中的環軋仿真為例，首先通過理論講解讓學生明白環軋工藝的特點，結合運動簡化模型[11-13]見圖1，對運動過程進行分析[14-16]，并通過某軸承企業的現場環件軋制過程的視頻，讓學生能夠基于有限模擬軟件建立起軋制的模型見圖2， 通過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，從而實現與現實實驗基本一致的工藝參數和性能特征，在檢查無錯的基礎上進行運行。

圖1 導向輥的運動簡化示意圖

圖2 徑軸向環件軋制的幾何模型

在運行的過程中可能會出現很多次錯誤，在每次報錯時記錄下報錯的原因，并進行更正，不斷調整模型和參數，直到可以運行出來。在該基礎上對軋制過程進行工藝參數改進，按照現場的軋制工藝進行模擬仿真，并對得到的結果進行處理從而得到如圖3～6所示的模擬結果，通過這些參數的變化可以分析整個軋制過程中溫度和應力應變的分布，為軋制工藝的優化提供指導。

圖3 環件在軋制過程中等效應變的分布云圖

圖4 環件在軋制過程中溫度的分布云圖

圖5 成形環件橫截面上的軋制力分布情況

圖6 成形環件橫截面上的軋制力分布情況

通過環件軋制工藝的建模和仿真，學生能夠充分認識到特種軋制過程中環件和軋輥的運行規律，并清晰獲得軋制過程中工藝參數改進對軋制過程的影響，為其工藝課程的理解和提升打下了堅實基礎，也為其今后走上工作崗位嚴格執行工藝參數，認真制定工藝制度，合理優化工藝改革提供了有力保障。

4 結 語

在整個虛擬仿真實驗過程中，我們對學生進行了抽卷調查，根據學生反饋結果顯示學生的興趣度由原來的29.5%提高到了87.2%，教學效果良好，同時根據鋼鐵企業調研反饋結果顯示，基于該平臺就業的2010級學生更能扎根于現場，企業的一次離職率在10%以下遠低于其他高校，大大地提高了企業對學校的認可度。2011屆共有學生187人，就業率為97.65%，在學校處于前列。

總之通過我校材料成型及控制工程專業虛擬實驗教學的改革與實踐，充分證明該虛擬教學平臺提高了學生實際操作能力, 積累了實踐經驗, 鍛煉了學生分析解決問題的能力。

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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年國家級虛擬仿真實驗教學中心(教高司函〔2013〕94號)；2014年重慶市本科高校“三特行動計劃”特色專業群(渝教研〔2014〕7號)；2014重慶科技學院特色專業(201402)；2014重慶科技學院精品資源共享課(201408)；2016重慶科技學院教改項目(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教學和科研工作，

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

TB 31; TG 33

A

1006-7167(2016)04-0104-04