專業課教學引入“軋機交互式仿真裝配軟件”的實踐

高彩茹　丁樺　張福波　曹光明

摘 要 論文介紹了材料成形機械設備課程的特點及軋機仿真交互式安裝軟件的功能，總結了在材料成形設備課堂教學及實驗教學環節引入虛擬技術-軋機交互式仿真裝配軟件演示與仿真組裝的效果和經驗， 可以為高校專業課教學提供一定的借鑒和參考。

關鍵詞 專業課教學 軋機仿真交互式安裝軟件 實踐教學

Abstract This paper introduces the characteristics of the materials forming machinery and equipment and the function of the interactive installation software of the rolling mill， and summarizes the effect and experience of introducing the virtual technology - the interactive simulation assembly software demonstration and simulation assembly of the material forming equipment classroom teaching and experimental teaching， and it can provide some reference and reference for the teaching of specialized courses in colleges and universities.

Keywords specialized course teaching； Rolling Mill Interactive Simulation Assembly Software； practice teaching

1 材料成形設備課教學的特點

材料成型機械設備課程是許多冶金類高校材料成型及控制工程專業的主干課、平臺課，涉及軋制、擠壓、拉拔、鍛造、沖壓、液態成型等多個成形過程的主輔設備。教學目的是從理論和實際的結合上系統地學習材料成形機械設備方面的知識，深入了解和掌握各類設備的工作原理，結構形式，結構和力能參數確定以及主要部件的強度與變形計算的基本方法和技能，為學生將來學習和工作奠定堅實的理論基礎和技術技能。

“卓越工程師教育培養計劃”提出未來工程技術人員的培養目標是培養大學生的創新能力和實踐能力，中國工程教育專業認證標準中明確提出“設置的課程體系和課程內容要能夠培養學生解決復雜工程問題的能力”。兩項人才教育工程提出的更高的培養目標給東北大學材料成型及控制工程專業課教學的改革提出了新的課題，也為教師進行教學內容及教學方法的改革提供了努力的方向。教師須從設備課自身特點入手，尋找解決問題的突破口。

“材料成型機械設備”課程特點是內容寬泛，與冶金企業現場設備密切相關。學生對于設備的定義、結構、組成、分類等知識的理解需要現場實物的感性認識作為基礎。課程知識點相互間聯系不甚密切，各章節獨立性較強。較少涉及數學推導和邏輯思維。對于課程的深入理解更多地需要感性認識和想象力。學生的感性認識是提高理解程度和學習效果的關鍵因素。為了達到更好的學習效果，多年來本課程教師一直致力于提高學生的感性認識的方法的探索，如提高對金工實習、認識實習、生產實習等實踐環節的重視，加強教師在此環節的指導；開發多媒體視頻、電子教材等輔助材料，課堂教學穿插PPT課件、電子教材、現場錄像視頻播放、收集圖片演示等多種手段，這些措施的實施對于提高學生的課堂理解力都收到了一定的成效。

教師們注意到近年來興起的計算機虛擬技術逐漸被引入高校的專業教學中。軋制設備教學很需要這樣一個交互式仿真軟件。學生不用到工廠車間，應用電腦就可以仿真安裝軋機，相當于增加了一次實訓環節。開發了一款軋機交互式安裝軟件，即可應用于課堂教學演示，又可作為實驗課實訓內容，可謂一舉兩得。

2 軋機交互式安裝教學軟件投入教學實踐

雖然學生在認識實習階段可以得到一些金屬材料成形設備方面的一些直觀印象，但由于與課堂教學有一定時間間隔，在上專業課時往往已經淡忘或模糊。或者因為實習時無法近距離觀察或觀察時間較短，在沒有系統講解情況下停留在“外行看熱鬧”的水平上。另外，軋制過程、擠壓過程及壓鑄過程等，都伴隨著高溫、高速、高壓等復雜的環境和條件，具有一定危險性，學生無法近距離、長時間觀察設備結構，也就不能了解其詳。

2015年開始，將軋機交互式安裝教學軟件首次投入課堂教學中。

該軟件以某企業二輥實驗熱軋機 CAD 圖紙為藍本，制作200多個 3ds Max 模型，并應用UNITY引擎鏈接實現這些零部件模型的組裝、部裝和總裝。此軟件分為學習、組裝和考核三種模式。圖1為軟件的界面。

軟件具有組裝、拆卸、零件庫隨機尋找零件、零件信息庫、考核、后臺監控等多種功能。圖2為考核過程中后臺監控畫面。

首次投入課堂教學后，在學生中引起了很大的反響。學生表現出了極大的興趣和熱情。課后紛紛要求在安裝在個人電腦上在業余時間進行安裝練習。2016年、2017年又連續在課堂教學中使用。2017年正式列入2015級的材料成型機械設備實驗課內容。

3 交互式仿真安裝教學投入教學效果

軟件在課堂教學中使用時，為學生提供多方位零件圖形的觀看，零件的組裝-部裝-總裝過程，幫助學生迅速理解軋機結構及各零部件作用；讓學生自己上講臺操作增加了課堂講解的生動性和師生互動。總之，互動式仿真裝配軟件引入教學過程，在提高學生對專業課學習的興趣的同時也極大地方便教師授課時的講解，提高了教學效果。

仿真裝配軋機作為2015級材料成型及控制工程專業本科生的材料成型機械設備實驗課內容之一，共有180名學生進行了上機仿真操作。在2個學時的實驗過程中，學生首先在學習模式中首先了解各零件的信息及作用，了解基本的安裝順序，然后進入組裝模式。在組裝模式下，從隨機零件庫中挑選安裝場景中提示的零件，拖動到正確的位置，松開鼠標按鈕，零件自動安裝到其在結構中的部位。學生從這個過程中理解設備零件的種類、在設備中的位置和作用。學生還根據軟件的對錯判斷功能通過反復安裝體會現場技術人員的實際安裝順序對于整機總裝可行性的影響。在組裝模式下進行了一定時間的訓練后，學生進入軟件中考核模式。考核模式下軟件限定在60分鐘內完成軋機全部零件的組裝、部裝和總裝過程。軟件對學生整個安裝過程進行計時。記錄下學生安裝的全部所需時間。通過統計，全部180名學生都在規定的時間內完成了組裝。有60%的學生在30分鐘之內完成了全部的操作。

交互式仿真安裝軟件在課堂上演示投入使用3年的時間，在實驗課中引入了一年，效果令人滿意。我們對2015級學生發放了180份調查問卷，問卷返回率達95%。學生對軟件投入實驗課教學給出了高度的評價，對實驗課增進此項內容滿意率達100%。大部分學生認為通過仿真安裝提高了他們對軋機的認知程度、提高了對材料成型設備的學習興趣。2017年學生材料成型機械設備科期末考試平均成績及及格率較2015年都有不同程度的提高。

4 結語

材料成型機械設備課程課堂教學中引入交互式仿真軋機裝配軟件的演示，是又一種提高教學質量的教學手段的探索，從效果來看，增加了課堂教學的生動性，極大地調動了學生的學習積極性。

在實驗課中加入軋機仿真裝配，學生自己動手組裝軋機，促進學生對軋機結構及軋機各部位相互關系的了解，同時也培養了學生的動手技能。

參考文獻

[1] 高彩茹.材料成型機械設備[M].北京：冶金工業出版社，2014.

[2] 于九明，龐維成.材料成型機械設備[M].沈陽：東北大學出版社，2002.

[3] 陳廣玲.高校卓越工程師培養模式探析[J]. 高等教育發展研究.2015.32（3）.

[4] 丁樺，趙憲明，唐正友.通過工程認證促進專業建設[J].中國冶金教育，2016（4）.

[5] 于九明，龐維成，丁樺.材料成型機械設備電子版[M].北京：電子工業出版社，2003.

[6] 東北大學冶金工程與材料成型多媒體開發中心.冶金工程與材料成型多媒體教學系統.北京：電子工業出版社，2001.3.

[7] 朱喜青.基于EON的機械基礎虛擬實驗室的研究與實現[D].廣州：華南理工大學，2012.

[8] 于婷.機械虛擬實驗教學平臺的研究與實現[D].武漢：華中科技大學，2011.

[9] 高彩茹，丁樺，張福波，等.虛擬實踐教學軟件項目實施過程中的人才培養[J].中國冶金教育，2016（1）.

[10] 高彩茹，丁樺，張福波，等.虛擬實踐教學軟件的開發實踐與人才培養[J].科教導報，2016.5（下）.endprint