虛實結合的模具設計制造實踐教學體系構建

周海+徐曉明+陳西府+黃傳錦

摘要：針對材料成型與控制工程專業模具設計制造實踐教學開展難度大、實物實訓運行與維護費用高、場地受限等問題，本文首先分析了實踐教學的現實困境，基于虛擬仿真技術、計算機網絡技術和多媒體技術等，提出虛實結合的模具設計制造實踐教學體系的建設要素及其對實踐教學的提升作用。然后從“細分三層能力結構”、“五項結合”的實踐教學運行模式、“能力主線”的課程方案和實踐教學質量保障機制等方面，重點論述虛實結合的實踐教學體系的改革及建設方案，深耕模具設計制造實踐教學的本質，就虛實結合的實踐教學內容和具體實施方法展開研究。與此同時，應用型地方本科高校虛實結合的模具設計制造實踐教學體系建設還需要堅守信息化、智能化的辦學理念，面向區域校企聯合共建。

關鍵詞：模具設計制造；實踐教學；虛實結合；應用型

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）09-0141-04

模具設計制造實踐教學是應用型本科高校學生系統掌握材料成型與控制工程專業知識的重要途徑，在培養學生模具創新設計意識、動手實踐能力和科學素質等方面發揮著不可替代的作用。然而傳統實踐教學體系中行為主義思想嚴重，實踐教學模式普遍存在機械式仿照，此外由于實踐教學場地、儀器設備等的限制，實踐教學在能力導向、創新發展的工程技術人才培養方面未能充分發揮其作用[1-2]。隨著虛擬仿真技術、計算機網絡技術和多媒體技術等在模具設計制造實踐教學中的逐步應用，與實體實訓相輔相成的虛實結合的模具設計制造實踐教學由此形成，將現代前沿信息化科技融入傳統實踐教學，深耕工程教育實踐教學體系的本質，改善實踐教學效果，提高實踐教學質量[3-4]。

一、材料成型與控制工程專業開展實踐教學的現實困境

應用型本科高校材料成型與控制工程專業，主要面向模具制造行業培養專業從事模具設計、模具加工制造等工作的高素質工程技術人才。傳統模具設計制造實踐教學因條件的限制，人才培養的質量還未能與“中國制造2025”戰略下模具制造企業對高端工程技術人才的迫切需求相同步，學生畢業后在行業領域內仍需接受較長時間的企業再培訓[5]，材料成型與控制工程專業開展實踐教學的現實困境主要表現如下。

（一）實踐教學資源成本高、利用效率低、安全隱患大

模具設計制造實踐教學函括模具設計分析、模具加工制造等多方面實踐實訓項目，普遍存在實訓儀器設備昂貴、材料消耗大、實訓周期長等問題，使得實踐教學過程中實訓項目難以在真實環境下依次開展。實訓基地和實驗室里的儀器設備在非教學時間段內基本處于停放狀態，利用效率非常低下，運作與維護成本較高[6]。在模具的機床加工制造、大型模具的拆裝等實物設備實踐教學環節中，由于學生實踐動手經驗有限，指導教師現場示范操作復雜儀器設備時，難以保證所有學生都能清楚掌握整個操作流程，學生的實訓操作也很難逐一顧及，容易發生突發性事故，影響實踐教學的安全性，因此實物實踐教學本身存在一定的局限性。

（二）學生實踐能力不足、創新意識不強

模具設計制造實踐教學設備老化，各項功能技術指標已不能達到規定標準，導致實踐教學儀器設備的數量與學生實訓人數不匹配，部分實踐教學課程多名學生共同操作一臺實訓設備，實踐教學過程還經常因故障而拖延或終止，學生個體所獲取的實踐練習嚴重不足，甚至讓實踐教學成為一種形式，失去其本身意義。由此引發理論聯系實際的專業教學轉變為以理論知識學習為主的單一教學，使得學生實踐能力相對不足、創新意識薄弱，影響材料成型與控制工程專業人才培養質量。

（三）實踐教學質量與行業企業發展需求相脫節

模具設計制造實踐教學在場地、儀器設備等硬件建設方面的投入經費逐年增加，但隨著模具行業現行技術的快速升級，原有的儀器設備型號逐漸落后，特別是相對貴重的大型儀器設備，與行業發展密切相關的先進儀器設備更是嚴重不足。這致使實踐教學內容陳舊，學生在實踐環節中所掌握的模具設計制造理論知識、加工工藝方案和設備操作技能等與現行企業生產實際嚴重不符，材料成型與控制工程專業實踐教學質量與相關企業人才能力需求的差距逐年擴大。

二、虛實結合的模具設計制造實踐教學平臺的構建

（一）面向模具設計制造過程進行全流程的高度仿真實踐教學——“虛”

模具智能化設計制造過程中內部運行規律無法進行實驗或深入理解，傳統實物實踐教學設備很難實現學生自主設計實驗[7]，將信息化虛擬設計技術引入到材料成型與控制工程專業實踐教學中，面向模具設計制造過程進行全流程的高度仿真實踐教學。在西門子公司TeamCenter系統的基礎上，全面集成NX、Tecnomatix、SolidEdge、Ansys、MSC Nastran等軟件，構建虛實結合的模具設計制造實踐教學平臺，開發面向模具設計制造行業的產品三維設計、有限元分析、計算機輔助工藝分析、虛擬制造、虛擬裝配、虛擬運營等數字化教學資源和實訓項目。借助虛擬仿真實踐教學資源，學生可以在虛擬環境中開展實驗，實現實物實驗不具備或難以完成的教學功能，促進知識的轉化與拓展。模具產品的虛擬設計是現代模具制造企業常用的設計方法，虛擬設計制造實踐教學是滿足學生掌握現代模具設計方法的必要前提[8]。因此，虛擬仿真實踐教學項目能很好地培養學生的自主設計實驗能力、創造思維能力、實驗分析能力、運用現代信息技術能力，營造符合現代先進制造業需求的數字化教學和實訓環境。

（二）平臺共享、項目驅動、賽學結合，構建虛實相長的工程實踐教學——“實”

依托虛實結合的模具設計制造實踐教學平臺，開展相關專業的實驗教學項目、創新創業訓練項目、學科競賽項目和各類學生科研項目等真實實踐教學，形成“導、賽、學”良性互動。從大一開始實施“新生導師制”，給每位新生配備導師，為學生提供四年一貫的全方位指導，從大二開始，引導學生參與學科競賽和創新創業大賽，實行學科競賽學分制，通過實施學業導師制和學科競賽學分制，推動本專業的學風建設。實踐教學過程中汲取先進的模具設計制造理念，導入工程生產管理、經營運作模式，融入現代模具企業實際案例。虛實結合的模具設計制造實踐平臺，解決了時間和空間對傳統實踐教學模式的限制，實現教學資源的共建共享、跨學科利用，為學生自主學習提供支撐。

三、遵循應用型工程技術人才培養的規律，創建虛實結合的模具設計制造實踐教學體系

（一）虛實結合的實踐教學“細分三層能力結構”

圍繞模具行業工程技術人才需求的多樣化、能力素質的多元化和學生個性的差異化，由淺入深搭建基礎能力、必備能力和拓展能力循序漸進的實踐教學“細分三層能力結構”，如圖1所示。依據模具行業的標準制定實踐教學培養方案，明確學生培養的基礎能力和必備能力要求。按照模具行業發展的趨勢、“中國制造2025”戰略提出的創新人才要求，確定學生培養的拓展能力。細分能力素質構成要素，按能力遞進層次架構相應的能力實踐教學體系。基礎能力階段培養學生的模具產品結構設計能力、模具制造工藝設計能力、CAX/PDM系統應用與項目實施能力等基礎實踐能力；必備能力階段注重學生模具設計制造專業實踐綜合能力、NX項目實踐綜合能力等的培養；拓展能力階段突出學生創新發展能力、項目運作協調能力的培養，從而滿足行業企業對復合型工程技術人才的需求。

（二）“五項結合”的實踐教學運行模式

以虛實結合的模具設計制造實踐教學平臺為核心，按照“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則，積極探索虛實結合的實踐教學運行機制。實行“虛擬仿真實驗+真實課程實驗”、“虛擬仿真實驗+課外創新實踐”、“虛擬仿真實驗+校外現場實踐”、“虛擬仿真實驗+綜合能力實踐”、“虛擬仿真實驗+畢業設計”五項結合的實踐教學運行模式，如圖2所示，以模具設計制造全流程、生產型實驗為載體，構建面向應用型工程技術人才能力素質培養的實踐教學體系。

（三）“能力主線”的實踐教學指導思想

依據“細分三層能力結構”的實踐教學體系，按照能力層級遞進規律，梳理出虛實結合的實踐教學項目之間的內在邏輯關系，模塊化設置實踐教學內容，形成以能力培養為主線的實踐教學指導思想。圍繞先進、有用、有效的原則，將模具行業企業的最新工程技術和生產工藝、實際工程問題融入實踐教學內容，提升學生分析、解決實際問題的能力。

（四）“兩督導、三評價、四評教”的實踐教學質量保障機制

按照ISO9001全面質量管理的理念，完善校、院兩級督導，實施學院、專業系、教師三級質量評價和學生評教、同行評教、督導評教、社會評教等四個方面的評教，建立起虛實結合的實踐教學全程評價體系，科學地評價學生掌握相關知識的水平，保障實踐教學環節都處于受控狀態。將實踐教學監控體系分成實訓項目標準體系、實踐教學執行體系、實踐教學效果檢查體系和實踐教學信息反饋體系四個部分，從而提高過程監控的效果，有力地保障了材料成型與控制工程專業學生培養的質量。

四、虛實結合的模具設計制造實踐教學內容和實施方法

（一）虛實結合的模具設計制造實踐教學內容建設

通過UG、Pro/E、Catia、Solidworks等工業三維軟件建立現有實踐教學儀器設備的實物模型，運用3ds MAX、Maya、Softmage等三維動畫設計軟件生成模具加工制造、拆裝的仿真演示動畫。結合實際實驗環節，使用Authorware、Directer、Flash等多媒體編輯軟件將模型、動畫和語音等素材進行整合、集成，展現模具產品不同階段的設計制造原理演示。實踐教學實訓前學生預先在虛擬現實環境下，按照制定的實驗步驟、要求及評判標準，進而實驗過程的操作與演示，從而使學生在有限實訓體驗過程中更有針對性的進行動手操作，合理分配實踐學習時間，就實踐教學中的疑問與指導教師進行討論交流，有效提升實踐教學的質量效果，如圖3所示。

（二）基于工程實際案例的模具設計制造實訓項目建設

虛實結合的模具設計制造實踐教學平臺，將高校教師的縱/橫向課題、協同企業的工程實際案例等進行細分，提煉出能夠滿足在校大學生模具設計制造實踐教學、創新創業訓練、學科競賽和畢業設計的實訓項目，如壓鑄模具的智能化設計、基于ATOS的缺陷模具數字化重構、基于知識的產品智能化快速設計等。通過實訓項目建設將學生帶入與模具設計制造密切相關的科學應用研究、工程技術開發等領域，促使學生參加社會實踐、自主創新創業等活動，激勵學生崇尚科學、追求真知、銳意進取、開拓創新。學生通過參加實踐教學實訓項目，能夠掌握很多書本上學不到的知識，很好地拓展學生的視野，豐富知識結構，提升綜合能力，同時在人際交往團隊合作方面也能得到有效鍛煉。

（三）適應大學生創新能力培養要求的實踐教學方法改革

傳統實踐教學大多數以現場觀摩、原理驗證為主，實訓內容單一，學生無需思考，按部就班地照著實訓步驟就可以完成實訓任務，缺乏自主設計性，學生學習過程機械呆板、枯燥乏味，十分不利于創新能力和創新思維的培養。通過虛實結合的模具設計制造實踐教學體系，指導教師可以靈活地增加各種創新設計性實訓內容，使學生根據實訓任務要求自行設計實訓方案，也可以結合實踐教學的需要，實時設置符合模具設計制造生產實際的特色情景模式，最大限度地激發學生自主學習的興趣，不僅能鍛煉學生獨立構思和自主設計的能力，更有利于培養學生的動手實踐能力和創新精神。

五、應用型地方本科高校虛實結合的模具設計制造實踐教學體系建設的信念堅守

（一）堅守信息化、智能化的辦學理念，以“智能設計、虛擬制造、信息管理、智能物聯”全生命周期的模具產品設計制造為主線

融入現代模具制造企業實際工程案例，引進行業高端信息化軟件，以全流程模具智能制造為載體，開發虛實結合的模具產品設計制造全周期的實踐教學項目，對學生進行實際工程項目的系統訓練，從而實現了學校、企業、學生“三方共贏”。將模具設計企業案例的生產全工藝過程進行規劃，制訂詳細的方案，構建從設計部→制造車間→檢測中心→裝配車間→成型試模車間→模具展廳→商務中心的全流程實踐教學流程。在實際生產現場跟蹤、拍攝其實際加工過程，并制作成配套教學資源包開發面向產品智能制造全周期的產品三維設計、有限元分析、計算機輔助工藝分析、虛擬制造、虛擬裝配、虛擬運營等虛實結合的實踐教學資源和實踐教學項目。

（二）堅守能力為導向、面向模具設計制造實際，突出“一個中心，兩個協同”的校企聯合共建模式

按照共同投資、聯合開發、互利共享的原則，與區域模具設計制造支柱企業、行業高端軟件公司（西門子公司）開展全方位、立體化的產學合作，逐步形成“一個中心，兩個協同”的校企聯合辦學模式。“一個中心”即以校企聯合辦學為中心，共同成立以制造業信息化為核心的虛實結合的模具設計制造實踐教學平臺。“兩個協同”即校企協同共建實訓項目、校外實踐教學基地、畢業設計課題和實踐教學指導教師隊伍等實踐教學資源，校企協同編制實踐教學內容和實踐教學方法，將模具企業的先進設計制造理念、實際工程環境氛圍融入虛實結合的模具設計制造實踐教學中，培養模具行業需求的高端應用型工程技術人才。

六、結語

基于虛擬仿真技術、計算機網絡技術和多媒體技術等的虛實結合的模具設計制造實踐教學體系，營造了虛擬實驗與真實實訓相輔相成的實踐教學環境。與傳統實踐教學相比，教學內容的深度與涉及模具行業領域的范圍都得到了改善和提高，有利于挖掘實踐教學的潛能，從而促進學生工程實踐能力和創新發展意識的培養。同時有效緩解了實踐教學經費、場地和儀器設備等方面的不足，促進信息化技術在實踐教學領域的推廣應用，加快了實踐教學內容的豐富、實踐教學方法的改革和實踐教學觀念的升級。

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Construction of Combined Virtual and Experimental Practical Teaching System of Mold Design and Manufacture

ZHOU Hai，XU Xiao-ming，CHEN Xi-fu，HUANG Chuan-jin

（Yancheng Institute of Technology，Yancheng，Jiangsu 224051，China）

Abstract：Predicament of teaching practice was analyzed such as difficult to carry out，high costs of operating and maintenance and restricted sites in the process of practice teaching for material forming and control engineering mold design and manufacturing. Based on virtual simulation technology，computer network technology and multimedia technology，the construction of teaching system for mold design and manufacture virtual and practical was built which enhanced the role of practice teaching. From the practice teaching mode of "segment capacity structures of three stages" together with " five integration"，curriculum programs of " mainline capacity " and quality assurance mechanisms of teaching practice，construction and reform program of teaching system combined the actual situation and the practice was mainly discoursed. The study on the actual situation and the practice revealed the essence of practice teaching. Meanwhile，the construction of practical teaching system in application-oriented talents training of local undergraduate universities also needs to adhere to the information，intelligent educational philosophy and united building with oriented-region enterprises.

Key words：mold design and manufacturing；practical teaching；combined virtual and experimental；application type