黑龍江 李超 劉月群 李彩霞

模具專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)與教學(xué)實(shí)踐

黑龍江 李超 劉月群 李彩霞

針對(duì)模具專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)設(shè)難度大，設(shè)備昂貴、場(chǎng)地受限等問(wèn)題，基于信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)等開(kāi)發(fā)了模具專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐，結(jié)果表明，采用該平臺(tái)可突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的限制，促進(jìn)了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；模具專業(yè)

近幾年來(lái)，隨著高等教育改革的不斷深化，傳統(tǒng)的教學(xué)模式越來(lái)越跟不上時(shí)代的步伐，特別是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，受到設(shè)備、場(chǎng)地、師資等因素的限制，那些陳舊、落后、重復(fù)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，極大地制約了學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此改革傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段勢(shì)在必行。在模具專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于模具實(shí)物及相關(guān)設(shè)備價(jià)格昂貴、易于損耗，因此傳統(tǒng)的模具專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在適應(yīng)性與實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題。飛速發(fā)展的現(xiàn)代教育技術(shù)將虛擬仿真的理念引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，提出了全新的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，可以預(yù)見(jiàn)，采用虛擬化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式可極大地克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的弊端，必將成為未來(lái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要途徑和方式，并在飛速發(fā)展的信息時(shí)代日趨完善、成熟，擔(dān)當(dāng)起培養(yǎng)順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的創(chuàng)新型人才的重任。

一、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的概念及特點(diǎn)

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的概念最早是由美國(guó)University of Virginia的William Wulf教授于上世紀(jì)80年代提出來(lái)的，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)理念是采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣去完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并取得與真實(shí)環(huán)境中相同甚至更佳的學(xué)習(xí)或訓(xùn)練效果。借助虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成教學(xué)課程中的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，具有實(shí)驗(yàn)效率高、設(shè)備費(fèi)用低、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富、使用方便、界面友好、集成性強(qiáng)、與計(jì)算機(jī)技術(shù)同步發(fā)展等明顯的優(yōu)勢(shì)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)也在向著網(wǎng)絡(luò)化、智能化、互動(dòng)化等方向發(fā)展，該技術(shù)在高校教學(xué)、實(shí)驗(yàn)課程中的推廣應(yīng)用，將對(duì)發(fā)展現(xiàn)代教育思想，提高教學(xué)水平，改善實(shí)驗(yàn)環(huán)境，優(yōu)化教學(xué)過(guò)程，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的人才產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響?？梢灶A(yù)期在不遠(yuǎn)的將來(lái)，基于先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛擬仿真系統(tǒng)將會(huì)被普遍采用。

二、模具專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方法

本文所設(shè)計(jì)的模具專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的系統(tǒng)組成如圖1所示。該系統(tǒng)通過(guò)將實(shí)物模型、過(guò)程演示動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)集成，在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下設(shè)置不同的模具拆裝及工作原理演示實(shí)驗(yàn)。制定實(shí)驗(yàn)步驟、要求及評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而虛擬實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的操作與演示。與此相關(guān)的系統(tǒng)組成，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程中所涉及的主要方法如下：

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的系統(tǒng)組成

1.虛擬實(shí)物模型的建立

根據(jù)模具典型零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，運(yùn)用三維機(jī)械 CAD 軟件（如 Pro/E、UG、Catia、Solidworks等）創(chuàng)建模具零件三維實(shí)體模型，并運(yùn)用軟件的裝配設(shè)計(jì)功能，對(duì)三維零件進(jìn)行虛擬裝配，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)物模型的建立。

2.過(guò)程動(dòng)畫(huà)的制作

根據(jù)模具工作原理及各零部件之間的裝配關(guān)系，以上述所建立的虛擬實(shí)物模型為素材，應(yīng)用三維動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)軟件（如3DSMAX、Maya、Softmage等），生成模具工作過(guò)程及拆裝過(guò)程的仿真演示動(dòng)畫(huà)。

3.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)的整合與集成

根據(jù)真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，運(yùn)用多媒體編輯軟件（如Authorware、Flash、Directer等），將模型素材、動(dòng)畫(huà)素材、語(yǔ)音素材等整合集成，通過(guò)編制控制程序等方法，虛擬設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)步驟、要求及評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而虛擬實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的操作與演示。

三、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在模具專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為教學(xué)實(shí)踐提供了一個(gè)既先進(jìn)又靈活的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使得課堂教學(xué)不再局限于有形的場(chǎng)地、有限的設(shè)備，教與學(xué)的方式、方法得到了無(wú)形的擴(kuò)展，因此傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式亟待改革，以適應(yīng)全新的教學(xué)手段與技術(shù)。

1.設(shè)置特色情景模式，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)大多數(shù)以驗(yàn)證性為主，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，學(xué)生無(wú)需思考，按部就班地按照實(shí)驗(yàn)步驟就可以做完實(shí)驗(yàn)，缺乏設(shè)計(jì)性，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)機(jī)械呆板、缺乏興趣，十分不利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在教學(xué)過(guò)程中，教師可靈活地增加各種設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并根據(jù)教學(xué)需要，實(shí)時(shí)設(shè)置符合生產(chǎn)實(shí)際的特色情景模式，最大限度地激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不僅能鍛煉學(xué)生的獨(dú)立構(gòu)思和設(shè)計(jì)能力，而且能激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，這樣更有利于培養(yǎng)出具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的人才。

2.全程操作記錄，建立科學(xué)客觀的評(píng)價(jià)體系

傳統(tǒng)的模具專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)體系受到時(shí)間、空間的限制，往往帶有一定的局限性，不能客觀地反映學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的掌握，學(xué)生出現(xiàn)差錯(cuò)，教師也很難及時(shí)并準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)問(wèn)題的環(huán)節(jié)所在，糾正起來(lái)更加困難，極大地影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，系統(tǒng)可以方便地對(duì)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程進(jìn)行全程的記錄，并以各種形式輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，方便教師實(shí)時(shí)進(jìn)行跟蹤分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并科學(xué)地針對(duì)問(wèn)題原因進(jìn)行實(shí)時(shí)輔導(dǎo)，及時(shí)糾正。在結(jié)果評(píng)價(jià)體系上，則應(yīng)并建立起實(shí)驗(yàn)全程的評(píng)價(jià)體系，科學(xué)地評(píng)價(jià)學(xué)生掌握相關(guān)知識(shí)的水平。

3.適時(shí)鏈接實(shí)景錄像，提升課堂學(xué)習(xí)效果

虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的一大弱點(diǎn)是缺乏真實(shí)感，為彌補(bǔ)這一缺憾，應(yīng)在教學(xué)過(guò)程中適時(shí)添加實(shí)景錄像，如實(shí)際的模具工作過(guò)程、修模過(guò)程、拆裝過(guò)程等，這樣既可以用真實(shí)的聲音、影像等多媒體手段增強(qiáng)虛擬環(huán)境的真實(shí)感，又可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提升訓(xùn)練效果。

四、結(jié)束語(yǔ)

基于信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)的模具專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，營(yíng)造了一個(gè)虛擬但“真實(shí)”的模具專業(yè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)室訓(xùn)練在空間與時(shí)間上的統(tǒng)一。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较啾?，更有利于挖掘?qū)嶒?yàn)教學(xué)的潛能，促進(jìn)了綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性、障礙性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)，從而促進(jìn)了學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。同時(shí)解決實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)不足和模具模型元件損耗的問(wèn)題，加快了實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，方便了計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的開(kāi)展，促進(jìn)了教育觀念的改變。

[1]陳萍，周會(huì)超，周虛.構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011（28）3.

[2]楊彥明，吳為團(tuán)，戚甫鋒.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建模方法研究[J].海軍航空工程學(xué)院院報(bào)，2006（21）2.

[3]宋象軍.虛擬實(shí)驗(yàn)室在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用前景[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2005（22）1.

[注]：哈爾濱理工大學(xué)教學(xué)研究課題資助C200800147。

（編輯 王旸）

（作者單位：李超，李彩霞，哈爾濱理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；劉月群，哈爾濱華夏計(jì)算機(jī)職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)應(yīng)用系）