虛擬仿真技術在《復合材料工藝與設備》實驗教學中的應用探索

董抒華,魏春城,朱國全,林治濤,譚洪生,孟凡濤

(山東理工大學 材料科學與工程學院，山東 淄博 255049)

《復合材料工藝與設備》是高分子材料與工程專業本科生的重要課程之一，復合材料是建立在三大傳統材料基礎之上的新型材料，是新型材料發展的主流方向之一。培養具有復合材料方面的高素質人才是高校復合材料專業的主要目標之一[1]。實踐教學是學生理論聯系實際的重要途徑，是培養開拓型人才的重要課堂，也是高校課程建設的重要環節。課程要求學生掌握各種復合材料成型工藝的過程、設備及工作原理，熟悉實驗過程。傳統實踐教學主要是采用教師現場先講解演示，再輔導學生操作，訓練學生掌握操作技能與方法。在實驗過程中有些實驗如模壓成型、注塑成型、RTM成型或層壓成型及纏繞成型等通常考慮到原材料成本問題、設備安全操作問題等使得實驗開展并不是很順利，而且學生在工藝的實訓環節無法觀察到工作中的設備內部機構運轉情況，對實驗結果也無法預評估，因此難以獲得理想的教學效果。

隨著虛擬現實仿真技術(Virtual Reality,VR)的不斷發展，將VR技術應用到各種學科實驗教學中，能夠有效地克服傳統實驗中存在的問題。目前，針對復合材料成型工藝的操作性與交互性的VR仿真系統較少。開發虛擬仿真教學實驗平臺可以讓學生在虛擬環境中交互式體驗，如同身臨其境完成復合材料實驗過程，通過網上平臺學習不僅可充分提高學生實驗理論水平，還能大大激發學生參與的興趣，提高教學效果，還可大大提高設備操作安全性，節約實驗成本和能源消耗，而且最終通過平臺建設還可實現實驗資源共享。

1 《復合材料工藝與設備》課程實驗教學的現狀及存在的問題

本課程是一門實踐性強，涉及知識面較廣的課程。通過學習《復合材料工藝與設備》這門課程，要求學生掌握復合材料的各種成型工藝，能根據工程上對復合材料制品的要求，確定合適的成型工藝和設備，從而達到預期的要求。

本課程對應理論模塊可開設的實驗主要有手糊成型、RTM成型、SMC成型、模壓成型、纖維纏繞成型、注塑成型等。然而，在實際教學過程中實踐教學配套跟不上，存在的問題很多，比如有些工藝很重要但實驗室沒有配套設備；有些實驗原材料成本太高；有些設備陳舊無法保證安全性；有些設備數量有限而學生人數很多無法保證人人參與實驗，采取分組的教學方式，還是難以實現一對一模式，多數學生只能采取圍觀式的實驗，很難參與其中，對工藝加工過程認識走馬觀花不深刻，無法理解實驗過程和實驗結果；而有些設備即使配套完整，但后期維護和保養也是需要很多經費，這些原因往往導致教學效果達不到預期實驗效果，學生的能力培養也達不到預期要求。另外，有些實驗由于實驗儀器設備構造復雜，精密度較高等原因，學生不能參與調試，設備內部運轉情況也無法看到，因此導致學生不能充分學習工藝過程和設備工作原理，對實驗儀器了解不透徹，不精準。

2 虛擬仿真技術的特點及在實驗教學中的應用

虛擬仿真技術推動了教育現代化的進程和發展，目前是高校專業方向實驗教學建設的重中之重[2]。虛擬仿真技術是在計算機技術、網絡技術和圖像處理技術的基礎上發展起來的，通過計算機和網絡技術創建一個虛擬、交互式的三維動態場景，利用可視化技術實現實驗場景的仿真，讓人置身于環境中有如身臨其境的感覺，可實現與虛擬環境的交互[3-4]。虛擬仿真技術具有交互性、開放性和便捷性等特點，將虛擬仿真實驗放在平臺，學生可以通過登錄仿真平臺自主學習實驗知識，觀摩操作訓練，可鞏固所學知識并熟悉實驗過程，尤其適合線上實驗教學，采用這種方式授課克服了傳統實驗教學的時間和空間限制，從而提高了信息化教學效果并提高教學質量。

將虛擬仿真技術引入本課程的實驗中大大提高了學生參與積極性，提高學生對本課程的興趣。李艷霞等[5]建設了復合材料成型固化過程虛擬仿真平臺，學生可快速分析樹脂體系的固化特性、設計和評價工藝制度、探究制件結構因素對工藝制度和工藝窗口的影響。學生利用虛擬實驗可對變量進行選擇和設計，從而促進了學生實踐和知識擴展，提升了學生的創新能力。馬世博等[6]采用虛擬仿真技術，結合生產實際案例，全面呈現了典型塑件的注塑成型工藝過程和主要工藝參數對塑件質量的影響規律，虛擬的設計、加工與交互環境，真實演示實驗與虛擬仿真實驗結合，這種方法調動了學生思考，培養了學生分析問題解決問題的能力。

3 虛擬仿真技術在實驗課程中開發和應用

2013年教育部開始強化建設國家級虛擬仿真實驗教學工作，積極推進高校虛擬仿真實驗中心的建設發展。目前有很多高校順應潮流積極推進虛擬仿真實驗室的建設，將該技術充分應用在科研研究與教學研究中[3]。山東理工大學依托車輛工程與交通國家級虛擬仿真實驗教學中心，積極組織各個學院老師根據專業需求建設信息化項目，學校資助經費立項推動虛擬仿真實驗建設，并強化可持續發展。學校也動員老師積極申報教育部產學合作協同育人項目。本課程虛擬仿真實踐教學改革被教育部產學合作協同育人項目立項，并得到了北京潤尼爾網絡科技有限公司和上海曼恒數字技術股份有限公司的大力支持，以及學校教務處的立項支持，利用虛擬仿真教學優勢資源搭建網絡虛擬實驗平臺，使得更多學生受益，尤其今年疫情線上教學優勢凸顯，有效解決學生在家無法做實驗的難題，達到了非常好的教學效果。通過和專業技術公司合作極大推動了虛擬仿真技術在專業課程實驗教學方面的發展，公司專業人員來學校講解技術同時也給同學拓寬了眼界增長了知識，激發了學習興趣。

4 結束語

虛擬仿真技術應用于實驗教學，是推進現代信息技術融入課堂的重要舉措，是實驗內容在時間和空間的拓展和提升，為學校拓寬人才培養提供了幫助，是提高教學質量的重要選擇。虛擬仿真實驗克服傳統實驗教學的弊端，線上教學優勢凸顯，從而提升了教學效果，拓寬了學生的視野，培養了學生創新精神與實踐能力。