材料成型虛擬仿真實驗教學平臺的建設與探索

方輝 吳方娟 王火生 范新鳳

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?根據工程教育認證要求和材料成型及控制工程專業(yè)的培養(yǎng)計劃，福建工程學院材料成型虛擬仿真實驗教學平臺通過校企聯(lián)合開發(fā)、自主研發(fā)、科研成果轉化等方式構建了“機械基礎”“材料基礎”“材料成型基礎”“模具設計與制造”和“制品生產”五個的虛擬仿真實驗課程模塊，探索適于學生工程實踐能力培養(yǎng)的平臺運行和管理模式。

[關 ? ?鍵 ? 詞] ?虛擬仿真;材料成型;實驗教學

[中圖分類號] ?G642 ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2020）36-0080-02

材料成型是工業(yè)過程的重要環(huán)節(jié)，材料成型類人才的培養(yǎng)中，工程實踐能力是重中之重。[1]目前隨著信息化技術的發(fā)展，虛擬仿真技術逐漸進入課堂。[2，3]虛擬仿真實驗不僅可以作為實體實驗的重要補充，而且還能完成實體實驗無法實現(xiàn)的教學功能，現(xiàn)已成為培養(yǎng)學生工程實踐能力的重要手段之一。[4，5]

福建工程學院材料成型虛擬仿真實驗教學平臺在實體實驗的基礎上，依據材料成型及控制工程專業(yè)的培養(yǎng)計劃和工程教育認證要求，通過校企聯(lián)合開發(fā)、自主研發(fā)、科研成果轉化等方式，構建材料成型虛擬仿真實驗教學平臺。

一、材料成型虛擬仿真實驗教學平臺建設的必要性

材料成型相關專業(yè)實踐性很強且高度依賴實驗教學，但實體實驗教學存在以下不足。

（一）內部微觀行為無法直觀觀察，妨礙學生對微觀機理的理解及對宏觀過程控制方式的認識

材料成型過程的微觀行為往往決定了材料的宏觀性能和形狀，只有認識和理解微觀過程，才能從宏觀上控制加工產品的性能。而在實體實驗中無法觀察到內部微觀行為，如材料變形過程中位錯的運動、組織的演變、晶粒生長的過程、晶界的運動、微區(qū)材料的流變等。材料成型的微觀機理比較抽象，不易于掌握，從而導致對宏觀控制的方式難以理解，無法取得良好的教學效果。虛擬仿真實驗能形象、生動、直觀地展示傳統(tǒng)實驗手段難以實現(xiàn)的材料微觀過程。

（二）部分材料成型實驗危險性大、耗材耗能高，難以進行實體教學

軋鋼、壓鑄、冶煉等部分實驗危險性大、耗材耗能高、實際操作復雜，學校難以開設，需要深入工業(yè)生產中進行實踐教學，如認識實習、生產實習等。然而，學生在工廠也很難與這些設備或生產線進行“親密接觸”，一方面是保障生產的需要，另一方面是無法觀測到設備運轉時的內部細節(jié)。因此，學生難以做到“知其然”，在出現(xiàn)復雜工程問題時，也就做不到“知其所以然”了。虛擬仿真實驗在這方面具有其獨到之處。例如，學生在數字化軋鋼生產線虛擬仿真實驗中，可以了解整個生產過程、各部件的作用，并進行工藝調整等，補充在實體實驗中無法進行的觀測與操作。

（三）大型貴重儀器設備不能滿足本科實驗教學要求

材料分析方法是材料成型類專業(yè)學生需要掌握的基本知識。但許多材料分析測試儀器設備價格昂貴、操作復雜，臺套數只有一兩臺，不能滿足每個學生實際動手操作的要求，如透射電鏡、場發(fā)射掃描電鏡等。通過大型貴重儀器設備的虛擬仿真實驗可以讓學生在虛擬環(huán)境中對設備進行操作，從而了解設備的操作流程及工作原理。

由此可見，材料成型實體實驗由于實驗本身的局限性、危險性、數量限制等原因，一定程度上制約對學生工程實踐能力的培養(yǎng)，采用虛擬仿真實驗可以有效克服實體實驗中存在的上述問題，具有直觀、安全、不受時間和空間限制、低成本、高效率等特點。虛擬仿真實驗教學中心和實體實驗教學中心相互配合、相互補充，通過構建“虛實結合、相互補充、能實不虛”的新型實驗教學模式，揚長避短，促進學生加深對理論知識的理解，強化工程實踐能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識。

二、材料成型虛擬仿真實驗教學平臺的研究與設計

材料成型虛擬仿真實驗教學平臺根據材料成型及控制工程專業(yè)的知識體系構架，并結合學校本專業(yè)發(fā)展的自身特點，構建“三層次、五模塊、五結合”的實驗教學體系。根據材料成型的知識體系構架，虛擬仿真實驗教學體系涵蓋了五個模塊，分別是機械基礎模塊、材料基礎模塊、材料成型基礎模塊、模具設計與制造模塊、制品生產模塊。

（一）機械基礎模塊

機械基礎相關課程主要研究機械中常用機構和通用零件的工作原理、運動特性、結構特點以及機械零件失效分析等，機械基礎是材料成型裝備的基礎和材料成型工程控制的基礎，是材料成型等專業(yè)學生必須掌握的基礎知識和技能。因此在相關的課程學習過程中，部分機械組件由于體積大，拆裝和搬移困難，不能在課堂進行實體演示教學，在課堂教學中學生對機械機構運動的原理及特點不能直觀形象地觀察，因此，采用虛擬仿真動畫的演示手段，有助于更加直觀、形象地演示機械構件的工作原理、運動特性，同時也可以提高學生的實踐動手能力，從而讓學生加深對理論知識的理解。

（二）材料基礎模塊

材料科學基礎是材料類專業(yè)的基礎理論，學習與掌握材料的制備、組成、組織結構與性能之間關系的基本規(guī)律。在相關課程的學習中，部分基礎知識較為抽象，特別是材料的微觀結構、微觀行為等在學習過程中較難理解。因此，采用動畫仿真形式，將相關的知識點直觀形象地呈現(xiàn)在課堂演示過程中，如晶體結構原子堆垛、位錯運動、金屬與合金凝固過程和固態(tài)相變等。另外，在材料科學基礎實驗方面，部分實驗設備由于較為精密昂貴，無法讓學生動手操作，如場發(fā)射掃描電鏡、透射電鏡等，因此可以采用先通過虛擬實驗的方式讓學生了解相關設備的工作原理和操作流程，必要時再開展相關的實體實驗。

（三）材料成型基礎模塊

材料成型制品的生產必然涉及材料、成型工藝、設備和模具等生產要素，材料成型工藝是材料成型過程控制、制品加工精度和質量保證的關鍵。材料成型工藝的虛擬仿真是以各種材料成型加工工藝為基礎，將金屬材料和塑料材料成型加工工藝方法以虛擬仿真方式呈現(xiàn)出來，使材料成型過程的工藝流程、參數設置與控制、加工狀態(tài)、產品精度、產品質量等有機整合，最大限度地再現(xiàn)實際生產過程。學生可以根據制品的生產和使用要求，將材料的特性、生產工藝、設備性能和模具結構等諸因素進行綜合考慮與分析，并應用所學專業(yè)理論知識開展材料成型規(guī)律的探討，從而接受材料成型方法的正確選擇、加工工藝規(guī)程的制定、工藝參數的合理設定等方面的訓練，提高學生分析問題、解決問題的能力。

（四）模具設計與制造模塊

模具設計與制造虛擬實驗平臺主要為滿足沖壓工藝與模具設計、注塑工藝與模具設計、壓鑄工藝與模具設計、模具制造工藝學等課程的課堂教學和實驗環(huán)節(jié)的需要。設計三個虛擬實驗模塊，包括模具設計虛擬實驗模塊、模具結構裝配虛擬實驗模塊和模具數控與電加工虛擬實驗模塊。這些模塊結合商業(yè)化的CAD、CAE、CAM等專業(yè)軟件，引用企業(yè)開發(fā)案例進行虛擬實驗平臺建設，達到實驗與實戰(zhàn)相結合的訓練效果。

（五）制品生產模塊

據統(tǒng)計，當今工業(yè)中90%的制品是通過模具來成型生產的，制品生產也是設計制造模具的根本目的。用于生產制品的模具類型眾多，如傳統(tǒng)的鈑金模具、塑料模具等。隨著技術的快速發(fā)展，對制品成型質量及性能的要求不斷提高，制品結構和成型工藝越來越復雜，對模具設計制造和成型生產提出新的要求。近幾年，我校材料科學與工程學院與福建省內知名企業(yè)開展產、學、研合作，在材料研究與制備、產品開發(fā)與生產、模具設計與制造中存在的技術難點進行聯(lián)合研發(fā)，攻克了在材料、工藝、模具等方面眾多行業(yè)的技術難題，獲得多項福建省科技獎。以這些產、學、研成果為依托，開發(fā)制品生產模塊，本模塊吸收了多種目前企業(yè)中先進、具有代表性制品的成型模具、成型工藝和成型生產：汽車玻璃塑料包邊、汽車鋼化玻璃、薄壁異型壓鑄件等，使學生了解、學習真實工程案例，培養(yǎng)學生的工程實踐能力、創(chuàng)新意識和能力。

三、平臺管理及運行的探索

材料成型虛擬仿真實驗教學平臺秉持“以生為本、虛實結合、融合創(chuàng)新、共享發(fā)展”的虛擬仿真實驗教學理念，構建平臺構架、實驗教學運行模式及管理方式。

（一）平臺的構架

開放式虛擬仿真實驗教學的管理和共享平臺系統(tǒng)依托校園網絡，以虛擬實驗技術和網絡信息技術增強實驗實踐教學，包括虛擬實驗中心門戶網站、實驗前的理論學習、實驗的開課管理、典型實驗庫的維護、實驗教學安排、實驗過程的智能指導、實驗結果的自動批改、實驗成績統(tǒng)計查詢、數字化資源管理、師生互動交流和系統(tǒng)管理等子系統(tǒng)。

（二）平臺的教學運行

本平臺可支持學生多人同時在線學習，不受時間和地點的限制。在實驗前，學生通過練習、自測、課件等方式學習實驗理論知識。在實驗過程中，學生遇到問題可以請求指導，系統(tǒng)給出指導信息，也可以通過在線留言的方式，由教師進行答疑。學生提交實驗結果后，系統(tǒng)會自動評判，給出分數和評分點。教師則可通過平臺上傳試題庫，并對學生的學習情況進行評價。這種人機交互界面，可以激發(fā)學生的學習興趣。[6]學生可以通過多次練習和測試，逐步掌握所學知識。

（三）平臺的管理

本平臺根據所指定的相關虛擬仿真實驗教學管理文件，采用線上與現(xiàn)場監(jiān)控相結合的管理方式，及時把握學生的學習情況及實驗教學效果，通過督導聽課、召開師生見面座談會和網絡評議等多種形式，充分聽取師生的意見和建議，并進一步優(yōu)化和改善實驗教學體系及方法，提高教學質量。

四、結語

福建工程學院材料成型虛擬仿真實驗教學平臺的建設，根據虛擬仿真實驗的“虛實結合、相互補充、能實不虛”原則，依據材料成型及控制工程專業(yè)的知識體系構架，并結合學校本專業(yè)發(fā)展的自身特點，通過校企聯(lián)合開發(fā)、自主研發(fā)、科研成果轉化等方式，構建“三層次、五模塊、五結合”的實驗教學體系。在平臺的運行和管理上，秉持“以生為本、虛實結合、融合創(chuàng)新、共享發(fā)展”的虛擬仿真實驗教學理念，與實體實驗教學一起支撐起材料成型及控制工程專業(yè)的實驗實踐教學體系。

參考文獻：

[1]李永志，謝玉敏，張德勤.基于卓越計劃的地方應用型高校材料成型專業(yè)“133”實踐教學體系的構建[J].輕工科技， 2020，36（5）：163-164，168.

[2]李萱.高校虛擬仿真實踐教學綜合平臺建設的研究與實踐[J].新課程研究，2017（3）：100-101.

[3]王煥友，曾曉華，謝光奇.虛擬仿真實驗教學中心信息化平臺與資源建設的探索[J].2019，35（12中）：49-50，120.

[4]祖強，魏永軍，熊宏齊.江蘇省高校虛擬仿真實驗教學共享平臺建設與實踐[J].實驗技術與管理，2019，36（5）：1-4，46.

[5]馬登成，張新榮，胡永彪，等.工程機械虛擬仿真實驗教學中心體系建設[J].實驗室研究與探索，2019，38（4）：143-146，183.

[6]鄭春龍，邵紅艷.以創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)為目標的高校實踐教學體系的構建與實施[J].中國高教研究，2007（4）：85-86.

編輯 趙瑞峰