虛擬裝配與運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)在課堂中的應(yīng)用

李邦忠 董桂馥 張倩倩

摘要

基于機(jī)械產(chǎn)品的虛擬裝配與運(yùn)動(dòng)仿真訓(xùn)練提高對(duì)于零件制造公差與配合的表達(dá)能力，數(shù)控編程與加工仿真應(yīng)用加強(qiáng)對(duì)于零件加工工藝細(xì)節(jié)的掌握度，本文將枯燥的理論知識(shí)植入感性的虛擬現(xiàn)實(shí)中，有效提高了課堂教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】虛擬裝配 運(yùn)動(dòng)仿真 加工仿真 課堂教學(xué)

2017年2月以來(lái)，教育部多次發(fā)文積極推進(jìn)新工科建設(shè)，全力探索中國(guó)模式的教育強(qiáng)國(guó)之路。智能制造作為新工科建設(shè)的重要范疇，從業(yè)人才培養(yǎng)是我國(guó)從制造大國(guó)走向制造強(qiáng)國(guó)之路的重要前提。然而，由于過時(shí)的教學(xué)內(nèi)容、落后的教學(xué)模式以及浮躁的學(xué)風(fēng)和教風(fēng)，導(dǎo)致制造人才流失和低水平化現(xiàn)象嚴(yán)重。因此，正確認(rèn)識(shí)“四個(gè)回歸”，針對(duì)國(guó)情和學(xué)校辦學(xué)條件，積極開展新形勢(shì)下的高校教育改革勢(shì)在必行。

教育改革的第一要?jiǎng)?wù)是提升教學(xué)質(zhì)量，而課堂教學(xué)模式是影響教學(xué)質(zhì)量最為直接的因素。本文結(jié)合《模具制造技術(shù)》課程的教學(xué)實(shí)踐，堅(jiān)持以學(xué)生為本，以能力培養(yǎng)為目標(biāo)，從教學(xué)內(nèi)容整合、教學(xué)模式和教學(xué)手段創(chuàng)新等方面探索信息化技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用等在課堂教學(xué)中的應(yīng)用。

1課程設(shè)計(jì)

1.1三段式教學(xué)安排

利用基于互聯(lián)網(wǎng)的智慧教學(xué)工具（教學(xué)實(shí)踐中采用“雨課堂”），將課程劃分為課前、課中和課后三個(gè)階段。首先，教師在微信公眾號(hào)一一“雨課堂”開設(shè)《模具制造技術(shù)》課程，學(xué)生登陸進(jìn)入課堂。課前，教師將包含有知識(shí)自學(xué)、視頻觀摩和在線問答作業(yè)的課件發(fā)至學(xué)生手機(jī)端，收集課前學(xué)生的預(yù)習(xí)情況;課堂中，教師利用課堂課件+案例解析+CAD/CAM軟件應(yīng)用等輔助教學(xué)手段，再現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)中的真情實(shí)景，并補(bǔ)正課前學(xué)生自學(xué)過程中的理論知識(shí);課后，含有較大量課后作業(yè)的手機(jī)課件被發(fā)送到學(xué)生手機(jī)端，以在線提交作業(yè)的形式快速檢驗(yàn)教學(xué)效果。

1.2虛擬裝配與運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)應(yīng)用

課程教學(xué)要求掌握零件尺寸公差標(biāo)注并制定相應(yīng)的加工工藝。所以從虛擬裝配了解模具結(jié)構(gòu)原理入手，繼而借助運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真判定配合關(guān)系，并給出合理的公差數(shù)值。實(shí)施方法是學(xué)生利用Topsolid、UG等CAD/CAM軟件作為工具，課前通過視頻學(xué)習(xí)將教師提供的零件3D模型裝配成完整模具，并制作出運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)畫。教師課堂上將該案例模具中零件拆解，引導(dǎo)學(xué)生完成工程視圖表達(dá)及尺寸公差標(biāo)注，并將加工工藝制定內(nèi)容融合到這一教學(xué)過程中。例如，在斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)的滑道組件公差與加工工藝制定教學(xué)中，裝配誤差、加工誤差以及組件配做之間的關(guān)系就更容易理解了。

1.3數(shù)控編程與加工仿真技術(shù)應(yīng)用

當(dāng)前的模具制造己廣泛采用數(shù)控加工技術(shù)，模具零件加工工藝與傳統(tǒng)工藝相比發(fā)生了較大變化。例如，模具新材料的使用省略了熱處理過程，數(shù)控電火花線切割機(jī)床和數(shù)控高速車、銑加工技術(shù)的應(yīng)用取代了大部分磨削工藝和鏜削工藝，數(shù)控車銑復(fù)合機(jī)床應(yīng)用極大簡(jiǎn)化了加工工藝，顯著提高了生產(chǎn)效率。因此，數(shù)控編程技術(shù)成為模具加工工藝制定中最重要的內(nèi)容之一，數(shù)控編程所涉及的刀具路徑以及切削參數(shù)設(shè)定，有效推進(jìn)了對(duì)于加工工藝知識(shí)的深入學(xué)習(xí)。

對(duì)于大多數(shù)制造類課程，理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)是密不可分、相輔相成的。但是，限于學(xué)生基數(shù)大和投入不足的辦學(xué)條件，要想提供與時(shí)俱進(jìn)的教學(xué)案例實(shí)物和加工機(jī)床是不現(xiàn)實(shí)的。因此，前文提到的虛擬裝配與運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)的課堂應(yīng)用達(dá)到了部分實(shí)踐教學(xué)的效果，而Topsolid、UG等CAD/CAM軟件高度仿真加工技術(shù)的應(yīng)用，則使學(xué)生進(jìn)入加工現(xiàn)場(chǎng)的虛擬空間，數(shù)十上百種最先進(jìn)的完整機(jī)床結(jié)構(gòu)與逼真的切削運(yùn)動(dòng)視覺畫面，以及對(duì)于零件實(shí)施定位與夾緊的虛擬操作體驗(yàn)，將文字性的理性學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為視覺化和動(dòng)作化的感性學(xué)習(xí)，有助于提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)了理論知識(shí)學(xué)習(xí)的內(nèi)生與固化效果。

2教學(xué)效果分析

經(jīng)過多輪的教學(xué)效果比較，在使用虛擬與仿真技術(shù)授課前后教學(xué)效果出現(xiàn)了明顯變化，表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）學(xué)生課堂出勤率從70-80%上升到95%以上，滿勤成為普遍現(xiàn)象。這個(gè)結(jié)果可能與“雨課堂”智慧教學(xué)工具的教學(xué)管理功能有一定關(guān)系，但是從學(xué)生在課前、課中和課后完成的學(xué)習(xí)情況看，學(xué)習(xí)主動(dòng)性和作業(yè)完成質(zhì)量有較明顯提高;

（2）學(xué)生主動(dòng)索要更詳細(xì)的學(xué)習(xí)資料，課下與教師交流的情況增多。答疑過程中除了一些軟件操作和知識(shí)性問題外，學(xué)生對(duì)于行業(yè)情況、工作技能以及申請(qǐng)到工廠企業(yè)實(shí)習(xí)等問題也很感興趣，說明學(xué)生的專業(yè)興趣在提升。

（3）在卷面測(cè)試中，工藝規(guī)劃和制定等綜合性命題的正確率達(dá)到80%以上，而且答案呈現(xiàn)出多樣性變化趨勢(shì)，說明學(xué)生獨(dú)立思考能力在提升，實(shí)現(xiàn)知識(shí)內(nèi)生與固化的教學(xué)目標(biāo)在逐漸體現(xiàn)。

3結(jié)論

在新工科課堂教學(xué)中引入互聯(lián)網(wǎng)智慧教學(xué)工具能夠有效管理課堂教學(xué)秩序，合理分配課前、課中和課后的知識(shí)學(xué)習(xí)，提高課堂教學(xué)的效率;基于CAD/CAM軟件的虛擬與仿真技術(shù)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用，對(duì)于提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)質(zhì)量方面具有較為明顯的效果。值得注意的是，在上述教學(xué)模式實(shí)施過程中，以下幾個(gè)方面要引起重視：

（1）三段式的教學(xué)安排不宜過多占用學(xué)習(xí)時(shí)間，課上和課下的時(shí)間比例應(yīng)控制在1：1之內(nèi)。過長(zhǎng)的課下學(xué)習(xí)時(shí)間會(huì)增加學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)，容易使學(xué)生放棄或敷衍應(yīng)付，所以課前課后課件內(nèi)容應(yīng)以視頻學(xué)習(xí)和選擇題為主，計(jì)算題等綜合問題解析在課堂上進(jìn)行。

（2） CAD/CAM軟件的選擇應(yīng)有連續(xù)性，操作應(yīng)有片段性。所謂連續(xù)性是指在課程體系的多門課程教學(xué)中使用同一種軟件，譬如，在本專業(yè)的模具制造技術(shù)、模具拆裝與測(cè)繪、模具設(shè)計(jì)、模具課程設(shè)計(jì)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)環(huán)節(jié)均采用Topsolid軟件（下一步考慮使用UG軟件）。軟件操作片段性是指學(xué)生并非學(xué)習(xí)軟件完整操作，而是教學(xué)中用到什么學(xué)什么，不至于因難度增加而使學(xué)生望而卻步。

（3）有明確的教學(xué)目標(biāo)。根據(jù)人才培養(yǎng)目標(biāo)和課程學(xué)時(shí)，合理制定教學(xué)目標(biāo)，而非教材寫什么教什么。本課程為32學(xué)時(shí)，后續(xù)課程中有模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模具零件圖繪制等要求，結(jié)合模具本科教育與就業(yè)需要，將課程教學(xué)目標(biāo)定位為培養(yǎng)尺寸公差及表面粗糙度標(biāo)注、工序安排與定位面的選擇，以及數(shù)控加工編程等方面的能力。

（4）教師能力與課程要求匹配。教師應(yīng)具備一定的工程背景和密切跟蹤產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，并樂于學(xué)習(xí)先進(jìn)制造技術(shù)知識(shí)和新版本的軟件操作，這樣才能在案例選擇和能力培養(yǎng)教學(xué)中做到與時(shí)俱進(jìn)。

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