利用虛擬制造技術(shù)進(jìn)行模具實訓(xùn)實驗教學(xué)的探討

劉東靜

摘 要： 《塑料成型工藝及模具設(shè)計》是機(jī)械專業(yè)一門重要的基礎(chǔ)課程，特別是機(jī)械制造及其自動化或模具專業(yè)尤為重要。對于我國制造業(yè)大國來講，模具的研發(fā)能力決定我國的綜合國力水平。因此，針對該課程的重要性和難教難學(xué)的特點，作者提出利用虛擬制造技術(shù)搭建實訓(xùn)實驗教學(xué)平臺，對原有的填鴨式被動學(xué)習(xí)的教學(xué)方式加以改進(jìn)，增強(qiáng)教與學(xué)的靈活性和趣味性，培養(yǎng)學(xué)生的模具設(shè)計創(chuàng)新能力，創(chuàng)造輕松的學(xué)習(xí)環(huán)境條件，增強(qiáng)學(xué)生獲取知識的效果。

關(guān)鍵詞： 模具實訓(xùn) 教學(xué)改革 虛擬制造

1.引言

模具被稱為“工業(yè)母機(jī)”，機(jī)電新產(chǎn)品的開發(fā)往往取決于模具的研發(fā)能力。現(xiàn)有的模具學(xué)習(xí)模式主要是學(xué)生分批分組地進(jìn)實驗室動手操作，對于經(jīng)費充足且學(xué)生生源比較少的學(xué)校，現(xiàn)有模式切實可行。但隨著目前各大高校招生規(guī)模逐漸增加，師生比例嚴(yán)重失衡，學(xué)生再像傳統(tǒng)實訓(xùn)模式那樣一個一個地走進(jìn)實驗室進(jìn)行實訓(xùn)教學(xué)，顯然會大大增加時間成本和經(jīng)濟(jì)成本。塑料注塑成型過程中設(shè)備成本較高，少則十萬左右，貴則五六十萬，單一的設(shè)備不能滿足實訓(xùn)教學(xué)的需求。以普通模具實訓(xùn)為例，選修該教學(xué)課程試驗96人，每批學(xué)生8人，共需12批次。一個注塑產(chǎn)品從開始到冷卻結(jié)束約需10分鐘，一大節(jié)課90分鐘，也就是說，每批次學(xué)生僅能完成注塑一個產(chǎn)品過程，完全不能滿足培養(yǎng)學(xué)生由驗證性實驗到設(shè)計性實驗的實訓(xùn)出發(fā)點。如果減少每批次人數(shù)到4人，增大批次次數(shù)到24次，老師和學(xué)生的時間成本就會大大增加一倍。另外，塑料材料在注塑的過程中會發(fā)出刺鼻的味道，對使用者造成影響，對人體造成一定的損害。因此，迫切需要對目前的實訓(xùn)教學(xué)模式進(jìn)行改革。

2.實訓(xùn)教學(xué)平臺構(gòu)建

2.1實訓(xùn)平臺系統(tǒng)組成

該實訓(xùn)平臺主要由教師模塊、服務(wù)器模塊和學(xué)生模塊三部分構(gòu)成。該平臺中教師模塊設(shè)有教師客戶端和助教客戶端，教師客戶端主要用于向?qū)W生發(fā)出任務(wù)指令，指導(dǎo)學(xué)生對實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行操作和學(xué)習(xí)，助教客戶端用于教師助理輔助教師完成教學(xué)任務(wù)，教師助理在教師缺席時行使教師職責(zé)。服務(wù)器模塊主要用于對學(xué)生實訓(xùn)教學(xué)知識的獲取進(jìn)行指導(dǎo)、訓(xùn)練，最終達(dá)到掌握知識點的目的，該模塊的實現(xiàn)基于虛擬制造技術(shù)來模擬模具成型工藝實際過程及模具設(shè)計實際效果。學(xué)生模塊中的學(xué)生客戶端主要用于對教師客戶端任務(wù)指令的反饋。教師模塊、服務(wù)器模塊和學(xué)生模塊三大模塊通過網(wǎng)絡(luò)連接組成一個閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)，教師教學(xué)通過教師客戶端發(fā)出指令，學(xué)生在學(xué)生客戶端接收到教學(xué)指令，根據(jù)自己的時間安排在服務(wù)器模塊上完成學(xué)習(xí)內(nèi)容。客戶端主要是電腦或手機(jī)等多媒體終端。

服務(wù)器模塊包括五大子模塊：理論學(xué)習(xí)子模塊、實踐教學(xué)子模塊、實訓(xùn)子模塊、創(chuàng)新子模塊和考核子模塊。這五大模塊的連接順序為順序連接，采用MATLAB軟件設(shè)計形成，每個子模塊相互關(guān)聯(lián)又可獨立運行。服務(wù)器模塊可以根據(jù)實訓(xùn)教學(xué)的不同內(nèi)容選取配有不同內(nèi)容的子模塊。理論學(xué)習(xí)子模塊，主要用于學(xué)生對模具成型工藝及模具設(shè)計基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以依據(jù)自身實際情況有選擇地進(jìn)行基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)，避免理論知識掌握程度不同的學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度一樣，浪費時間；基礎(chǔ)良好的學(xué)生可以選擇略過此步驟，基礎(chǔ)相對薄弱的學(xué)生可以快速對該部分知識進(jìn)行掌握。實踐教學(xué)子模塊中包含視頻、圖片和文字?jǐn)?shù)據(jù)庫對模具成型工藝及模具設(shè)計進(jìn)行虛擬演示、說明，并對實際的案例給予講解。實訓(xùn)子模塊中包含詳細(xì)的塑料注塑成型工藝虛擬過程演示及虛擬過程操作，且配有操作步驟語音提示，用于學(xué)生的實際案例訓(xùn)練。創(chuàng)新子模塊主要是針對注塑缺陷進(jìn)行原因分析和解釋，用于指導(dǎo)學(xué)生虛擬設(shè)計新型的模具結(jié)構(gòu)，這是本實訓(xùn)平臺的一大亮點，其他的教學(xué)方法不可比擬。考核子模塊用于對學(xué)生的考評，學(xué)生可以依據(jù)考核的結(jié)果進(jìn)行有選擇的重復(fù)學(xué)習(xí)，教師也可在教師客戶端看到考核成績，并對學(xué)生學(xué)習(xí)成績給予評定，同時對學(xué)生下一步學(xué)習(xí)進(jìn)行指導(dǎo)。

該實訓(xùn)平臺的另一亮點是學(xué)生可以申請多次考核，直到掌握知識點。子模塊設(shè)有考試題庫，學(xué)生可以申請進(jìn)行考核，但總次數(shù)不能超過三次，教師考核時由系統(tǒng)隨機(jī)選取出考試試題，測試平均值作為最后考核結(jié)果。

2.2教學(xué)案例分析

教師通過教師模塊發(fā)生任務(wù)指令，如汽車燈罩注塑的學(xué)習(xí)，學(xué)生由學(xué)生模塊接收到任務(wù)指令，根據(jù)自己的時間安排，選擇適合自己的進(jìn)度進(jìn)行學(xué)習(xí)。如學(xué)生A欲選擇周三下午七八小節(jié)進(jìn)行學(xué)習(xí)，因為自己沒有電腦工具進(jìn)行該課程的學(xué)習(xí)，所以用手機(jī)向平臺教師模塊客戶端發(fā)出預(yù)約請求，任課教師根據(jù)自己或助教的時間安排反饋給學(xué)生A，學(xué)生A按照自己的預(yù)約時間進(jìn)入平臺服務(wù)器模塊開始學(xué)習(xí)。

首先學(xué)生A根據(jù)自己的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，進(jìn)入理論學(xué)習(xí)子模塊，了解、加深、鞏固塑料基礎(chǔ)知識，如聚乙烯、聚丙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等，然后對注塑機(jī)和注塑模具知識進(jìn)行復(fù)習(xí)，再對注塑成型工藝知識進(jìn)行課程學(xué)習(xí)的前期預(yù)習(xí)；然后是實踐教學(xué)模塊，搜索操作工程案例庫，選擇汽車零部件，找到本節(jié)課的學(xué)習(xí)任務(wù)汽車燈罩，通過動畫學(xué)習(xí)汽車前大燈的主要組成，包括近光燈、遠(yuǎn)光燈、示寬燈和轉(zhuǎn)向燈等；在掌握汽車燈罩理論的基礎(chǔ)上，進(jìn)入實訓(xùn)子模塊的學(xué)習(xí)，實訓(xùn)工藝流程中系統(tǒng)會提示馬達(dá)是否加熱等，當(dāng)加熱溫度升高到250℃時，系統(tǒng)提示可以進(jìn)行下步操作，學(xué)生根據(jù)上面對注塑工藝流程的知識掌握，依次進(jìn)行合模、座臺進(jìn)、射出、保壓、冷卻、儲料、射退、開模、頂出等工藝步驟來完成汽車燈罩產(chǎn)品的注塑；如果在操作過程中流程出現(xiàn)操作失誤，系統(tǒng)會進(jìn)行語音提示，同時待樣品注塑結(jié)束，系統(tǒng)會對注塑過程中涉及的核心工藝進(jìn)行講解；在實訓(xùn)的基礎(chǔ)上，學(xué)生A可以進(jìn)行下步創(chuàng)新子模塊的學(xué)習(xí)，通過對自己注塑的汽車燈罩產(chǎn)品進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)有氣孔和熔接焊現(xiàn)象發(fā)生，分析認(rèn)為成型不良的原因可能與模具澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計缺陷有很大關(guān)系或者是模具排氣不良、脫模劑使用不當(dāng)、塑件結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理等因素有關(guān)；學(xué)生A經(jīng)過分析提出在設(shè)計過程中對塑件壁厚進(jìn)行改善，減少澆口數(shù)目，對澆口位置進(jìn)行改進(jìn)及提出設(shè)置輔助流道等方法；在興趣和知識點掌握的基礎(chǔ)上，學(xué)生A也可以進(jìn)行民生用品或工具螺絲刀、耳麥的學(xué)習(xí)；最后，學(xué)生A向考核子模塊發(fā)出申請考核，教師客戶端或助教客戶端發(fā)出隨機(jī)出題指令，學(xué)生A完成任務(wù)結(jié)束提交自己的成果，教師模塊給出考核成績，如果學(xué)生A覺得由于掌握知識點不到位，考核成績不理想，可以再次申請學(xué)習(xí)和考核，教師也可在教師客戶端看到考核成績，并對學(xué)生A學(xué)習(xí)成績給予評定，同時對學(xué)生A下一步學(xué)習(xí)進(jìn)行指導(dǎo)，通過該實訓(xùn)平臺反復(fù)學(xué)習(xí)，學(xué)生A完成模具成型工藝及模具設(shè)計內(nèi)容的學(xué)習(xí)并掌握相關(guān)知識。

3.結(jié)語

虛擬制造技術(shù)促進(jìn)了學(xué)習(xí)交流方式的變革，該平臺的設(shè)計不受時間和空間的限制、可操作性強(qiáng)、適合不同學(xué)習(xí)成績的學(xué)生自己選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，并且學(xué)生可以進(jìn)行自我考核，同時在教學(xué)過程中實驗過程無污染、時間成本和經(jīng)濟(jì)成本低，學(xué)生由“灌鴨式”被動學(xué)習(xí)變成自主學(xué)習(xí)，為學(xué)生提供輕松的學(xué)習(xí)環(huán)境條件，增強(qiáng)學(xué)生獲取知識的效果。虛擬制造技術(shù)教學(xué)開創(chuàng)了教育改革的實驗教學(xué)新局面，促進(jìn)了人才的培養(yǎng)優(yōu)化與拔高環(huán)節(jié)，目的在于培養(yǎng)杰出的社會主義接班人，是教育培養(yǎng)的核心理念和未來發(fā)展方向的體現(xiàn)。

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