數字經濟背景下模具虛擬實驗平臺的發展趨勢

趙小娟，張巍，鄧四平

摘要：該文以模具虛擬實驗室為例就目前國內虛擬實驗室的基本形式展開了分析，對應用型本科人才培養中模具虛擬實驗室的基本情況進行了剖析，并提出了存在的問題及發展趨勢，為各應用型本科模具虛擬實驗平臺的搭建提供一定的借鑒。

關鍵詞：模具結構;虛擬實驗室;應用型本科;模具工藝分析

中圖分類號：TP3? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）34-0127-02

以人工智能、物聯網、大數據技術為背景，應用型高校在人才培養中，對實踐環節的執行方式也發生了變化，從傳統的實驗室實物到新興的虛擬實驗平臺，學生的實驗環境不受限于傳統的有限平臺設備，使學生這種技能級別較低的“新手”能放手操作設備，而不怕設備因操作不慎或參數設置不合理導致的破壞狀況，甚至在操作過程中有引導性提示，指導學生完成實驗，為學生興趣的開展和知識的掌握提供了基礎[1-2]。

1 虛擬實驗室的類型

目前國內虛擬實驗室類型大致有三種，①借助虛擬現實設備，如VR眼鏡，虛擬出現實環境，在虛擬環境中進行實驗;②借助虛擬軟件平臺，創建虛擬實驗場景，建立一定量的實驗參考模型，通過交互作用界面，在場景中完成實驗，如圖1所示，此方法不需要虛擬現實設備;③建立資源庫，將傳統的理論知識、實踐操作知識點、圖庫、試題等資料匯總到一個系統中，設定一定的考核環節，完成考核任務[3]。因為虛擬軟件平臺不需要額外的輔助設備，操作環節流程可控性強的特點，成為目前虛擬實驗室中應用最為廣泛的類型。資源庫成為繼傳統網絡技術交流平臺轉高校實驗技術平臺的紐帶，將傳統的理論知識綜合歸納，融入部分實踐內容，供學生學習，同時又可以與校外技術人員溝通、交流，達到實踐的目的。

張勇亮等人[4]將3D max中建模的實驗室場景導入虛擬現實軟件unity3D中，從而創建了船舶輪機虛擬實驗室。該虛擬實驗室就是利用了虛擬軟件平臺，結合實際實驗室場景，創建的全新虛擬實驗室，不僅能夠實現原有的實驗內容，還開發出了新的實驗環節，增加了實驗的可操作性降低了實驗成本。

李陽等人[5]，利用實驗室自行開發的快速運動仿真系統（RP-DMU），建立了沖壓模具運動仿真的虛擬系統，并建立了相關的實驗課程體系，進行了干涉分析，對學生理解模具工藝過程具有重要意義。

江星瑩等人[6]，基于COMSOL Multiphysics多物理場仿真模擬軟件，解決了傳統使用Deform軟件基礎操作環節，又增加了多物理場耦合，使學生的實驗過程更快捷、更可靠、易上手。

大型高校以創建虛擬實驗室平臺為主，經費緊張的高校以單打獨斗的小系統開發為主。引申出CAI課件制作、某些課程的實驗課程體系設計、課程復習平臺搭建等。張曉光等人[7]將模具設計實驗課程與CAE實踐綜合，形成部分虛擬、部分現實的實踐場景。

以上實驗平臺是對傳統實驗室演示、驗證為主的實驗設備的補充，學生可以方便、快捷完成實驗過程。

2 應用型本科模具專業實驗需求分析

由于各個高校模具專業研究方向的不同，實驗課程也差別較大，本文以沖壓模具實驗為例，分析應用型本科人才培養對沖壓模具實驗課程的需求。

從模具專業來看，應用型本科教學目的是培養具備模具專業的基礎理論、專業知識和應用能力，能在工業生產領域從事模具工裝設計與制造、設備維護與管理等方面工作的應用型工程技術人才。對于實驗環境，要求能夠展示模具工裝設計及工藝過程為主。以沖裁模具為例，該實驗環節需要展示沖壓工藝過程、沖壓排樣、沖壓模結構、沖壓模設計影響因素[8]。沖壓工藝過程對于應用型本科來說，需要了解工藝中間隙、凸凹模表面精度、沖壓力等工藝因素對工藝過程的影響，從而為沖壓模的設計提供一定的理論依據，如圖2所示，沖壓工藝與模具設計課程實驗內容，實驗部分對工藝影響的探討作為重點，而塑性成形原理理論知識其次。

3 應用型本科模具虛擬實驗室建設現狀

根據應用型本科模具設計課程需求，模具實驗項目一般包含工藝分析和模具結構設計兩大分支。

工藝分析部分，傳統的實驗教學是利用一定的設備，如壓力機或注塑機等，以適當的工藝參數，對原材料進行工藝過程的演示或試驗，以分析工藝中存在的問題及各工藝參數對產品的影響。而模具生產的連續性，對實驗過程的影響較大，加之設備的維護條件不同，導致工藝參數的分析很難有較細節的區別。所以此部分內容大部分高校是采用仿真分析的方式進行，借助通用的三維軟件對工藝進行模擬仿真。例如ProCAST 軟件用于對鑄造模具工藝過程的模擬，而Deform對金屬的塑性成形工藝過程有較好的仿真，Moldflow用于塑料成型工藝過程的仿真。

由于實驗室條件的限制，工藝分析部分通過動畫演示或者實物模型，以結果的形式展示給學生，學生則以課前預習的形式進行，僅僅滿足演示功能。雖然此種數據庫不能滿足實驗動手的需求，但由于動畫模型庫數據較多，種類豐富，滿足不同學生對各種工藝的需求，具有一定的適用性。部分小型設備模型也被用來實驗教學，鄭國強等[9]通過試制桌面式擠出機，完成了聚合物成型原理的實驗部分演示。沖壓過程仿真環節，傳統的實驗教學模式通過演示，或者模擬，而因為需要必要的軟件基礎，往往需要開設相關軟件的培訓課程，而實驗環節一般只是以演示的形式進行。教育部辦公廳在2017年開展了首次虛擬仿真平臺建設，創建了實驗空間—國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務平臺，對實驗教學的多樣性及普適性具有較大意義。西南石油大學的《塑性成型原理及工藝》的課程實驗中“大型沖壓件成形過程虛擬仿真實驗”項目對沖壓工藝仿真部分是采用Deform軟件模擬，根據模擬分析結果評估設計內容。

沖壓模結構實驗環境的教學，大部分高校是以模具實物拆裝實驗來進行的，由于模具的復雜程度不同，以及學生缺乏必要的鉗工技能，在裝配過程中，難以有效裝配，并且拆裝過程不確定性因素較多。此部分內容高校虛擬實驗平臺內容較豐富，創建虛擬裝配環境，或者利用VR技術虛擬裝配等，根據模具種類不同，形式各有區別。同樣在實驗空間平臺，模具結構的實驗平臺如河南工業大學的“沖壓模具拆裝及結構分析虛擬實驗”，是完全創建了一個模具車間虛擬場景，在場景中通過控制按鍵來實現模具拆裝的基本過程，將實驗中的動手環節轉變為電腦操作，解決了學生拆裝技能的問題，但由于模具種類限制，結構數量較少，僅實現了本套模具的拆裝，多樣性較難滿足要求。

另外，根據模具種類不同，模具設計工藝環節有不同的設計內容，以沖壓模具為例，還需要進行必要的排樣設計，該環節一般是以計算題題目的形式進行，需要學生根據所學知識，設計幾種不同排樣類型，分別計算其材料利用率，一般在專業軟件的輔助下完成。

前面介紹的三種虛擬仿真實驗類型對傳統的模具實驗都有一定的改進，也都存在一定的問題。

首先，實驗平臺的共享。由于系統開發投入較大，一般高校在建設實驗室后也缺乏后期的維護，導致實驗平臺只能滿足本校學生的使用。

其次，課程設置同步性問題。應用型本科課程設置一般重應用，重操作，而理論基礎相對較弱，而仿真平臺需要有理論基礎的相關課程設置，也對軟件基本技能也有一定要求，針對不同課程，平臺不能很好地兼容各軟件并直接打開進行實驗。

然后，虛擬實驗平臺中實驗的設置，會產生相關的實驗課程設計的改革以及實驗考核方式的變革。作為應用型本科學校，實驗的過程性考核方式沒有統一的標準，那么實驗環節的設置也應該有所不同，實驗課程的設置學期、課程內容、考核標準等應該有不同的標準。

最后，二次開發難度較大。虛擬實驗室搭建思路基本是以實物建模+虛擬軟件+計算機編程的模式進行，對于傳統的工科教師來說，在實驗環節中，只能按照設定的流程逐步進行，科研性較差，且對應用型本科來說，實驗環境相應的比重較大，模型數量和實驗條件應該有所區別，但由于各虛擬實驗平臺兼容性較差，對不同軟件環境的教師不夠友好，需要相應的知識能力積累，進行必要的調整、修改，或者后期優化難度大。

4 發展趨勢

根據以上分析，模具虛擬實驗平臺目前的發展還在起步階段，針對存在的問題，筆者認為可能的發展趨勢有以下四方面。

①與企業協同創建虛擬實驗平臺?，F有的模具虛擬實驗平臺過分強調“虛”的演示，對于工科“實際問題”忽略不計[10]，應用型本科對動手能力強、有一定實踐訓練并能夠綜合解決問題的人才的培養一直都是非常重視，這就需要加強與企業的合作，由企業提出實際問題，并共同搭建虛擬實驗平臺，教師設置考核點及評分標準，學生在真實的生產環境中自主完成實踐內容。

②虛擬實驗平臺的統一。從應用型人才培養目標看，不僅需要獨立的思考能力，較強的動手能力，還需要與實際生產相匹配的能力。以模具設計為例，設計部分需要考慮到后期的加工與工藝過程，目前的虛擬平臺過分強調了每個考核環節的標準，甚至設置的選項中不考慮實際生產環節的問題，模具加工部分數據與數控加工虛擬平臺的統一配合，使學生從設計到加工各個環節綜合考慮，也實現了模具加工課程與設計課程的綜合。

③相關配套資料的完善。虛擬實驗平臺的搭建使得實踐動手能力明顯區別于傳統實驗操作，這就需要配套的相關操作說明及教材等配套資料。該配套資料不同于通用軟件的使用教程，只適合本虛擬實驗平臺，相關教師及學生在實驗開始前需要熟悉并掌握相關的理論知識及軟件基礎知識。

④課程體系的改革。課程之間的銜接關系將進一步放大，勢必影響課程體系設置的改革。模具虛擬實驗平臺與前期的三維建模、工程材料、互換性與技術測量、模具設計、數控加工、生產實踐，將在一個平臺中完成。傳統的以學期為單位的課程體系將被打破，變成以項目驅動形式進行的課程體系改革。

5 總結

模具虛擬實驗平臺的搭建為廣大學生及愛好者提供了一個實踐機會，減少了實驗室經費，切實解決了應用型本科部分設備不足的問題，為學生掌握必要的理論知識、實踐經驗以及實驗平臺操作提供了一定的條件，但在使用過程中還存在應用局限，對教師、學生以及教務部門都提出了一定的要求。教師方面，需要具備課程相關的全科知識，又要有一定的建設思路，能從學生、企業、實操三個方面思考可操作性及考核標準，還需要具備一定的虛擬實驗室建設知識，從數字化的角度分析實驗平臺搭建中的問題。學生方面，不再以一門課程的實驗成績作為課程考核實踐部分的分數，此時應該綜合考慮各學科間的關聯，以及實踐問題的解決。教務部門應該做好服務工作，為模具虛擬平臺的課程建設與改革提供必要的條件，并積極配合課程改革。模具虛擬實驗平臺的利用任重道遠，各應用型本科在實踐過程還需要努力探索一條適合自己的發展道路。

參考文獻：

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[10] 趙昌葆，賀平，高鐵軍，等.模型和實物并重的系統化模具專業綜合實驗研究[J].實驗技術與管理，2020，37（11）：15-19.

【通聯編輯：朱寶貴】