廖華勇，徐建平

(1.常州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇省環(huán)境友好高分子材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常州 213164; 2.常州大學(xué) 材料科學(xué)與工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，江蘇 常州 213164)

《高分子材料成型模具》是高分子專業(yè)的必修專業(yè)課，大綱要求能力目標(biāo)之一是能對(duì)高分子制件與高分子成型模具零部件的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行準(zhǔn)確的分析與表達(dá)，識(shí)別其中的關(guān)鍵因素。由于高分子專業(yè)的學(xué)生機(jī)械零件與機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)較薄弱，空間想象力欠缺，在學(xué)習(xí)中難以理解具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制件和模具零部件的工作原理。到實(shí)驗(yàn)室觀察模具實(shí)物有助于解決問題，但模具內(nèi)部的結(jié)構(gòu)并不容易觀察到，并且頻繁地拆裝厚重的模具并不方便，對(duì)模具也有損傷。而借助于3D軟件，可以方便地繪制出需要的制件和模具零部件三維圖，并且能以不同的視角旋轉(zhuǎn)觀察，有利于更清楚地展示結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生理解，提高學(xué)生的空間想象力。虛擬的模具模型要與實(shí)際的模具實(shí)物對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)，這就是模具教學(xué)中的“虛”、“實(shí)”結(jié)合。

1 高分子制件

我院使用的教材和制作的教學(xué)PPT上也有一些3D圖片和動(dòng)畫，但并不是很全。需要教師自己準(zhǔn)備，查找資料或者自己繪制。如下圖是筆者設(shè)計(jì)的塑料凳子的3D圖，看起來比較直觀。圖是用Solidworks軟件[1]繪制的。圖1a是塑料凳子的三視圖，右下角是其3D圖，可以看出，三視圖不太直觀，而3D圖較為直觀，結(jié)構(gòu)清晰。但從圖1a的角度，還不能最大限度地觀察到塑料凳子底部的結(jié)構(gòu)。圖1b是旋轉(zhuǎn)一個(gè)適當(dāng)?shù)慕嵌群笏芰系首拥慕Y(jié)構(gòu)，可更加清楚地看到凳子底部布局。如果需要，還能夠旋轉(zhuǎn)，看到凳子上表面的結(jié)構(gòu)，而僅僅從三視圖上難以做到。凳子底部設(shè)計(jì)有加強(qiáng)筋，增加凳子的強(qiáng)度和剛度。凳子外表面邊緣設(shè)計(jì)有圓角，方便人使用，避免尖銳棱角傷人。要注意凳子壁厚適當(dāng)，有一定的脫模斜度，凳子外表面光滑。這樣有了三維圖，就將塑件設(shè)計(jì)的各個(gè)影響因素都聯(lián)系在一起，便于學(xué)生學(xué)習(xí)。

圖1 塑料凳子的三視圖和3D圖

2 模具零部件

圖2 (a) 正視剖切圖(b)斜視剖切圖

在介紹塑料制件設(shè)計(jì)時(shí)，一般用拼塊組合方法成型形狀復(fù)雜的孔，如圖2a所示，正視剖切圖并不是特別容易理解，但如果制作3D圖，并且旋轉(zhuǎn)一個(gè)適當(dāng)?shù)慕嵌龋慈鐖D2b所示的斜視剖切圖，則模具內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常清晰，一目了然。三維圖比三視圖顯然更加易讀，模具外表面和內(nèi)部的孔以不同明暗光線顯示，分界線清晰。圖2中所示剖面的位置可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)，以最大限度地顯示模具的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在學(xué)習(xí)用3D軟件設(shè)計(jì)繪制制件圖和模具圖的過程中，能夠發(fā)現(xiàn)三視圖設(shè)計(jì)難以發(fā)現(xiàn)的問題，還能獲得設(shè)計(jì)完成后的美感和成就感，給設(shè)計(jì)者以激勵(lì)，增加學(xué)習(xí)興趣，將單調(diào)枯燥的學(xué)習(xí)變成充滿樂趣的自主學(xué)習(xí)。

這樣的例子還有很多，例如潛伏式澆口的結(jié)構(gòu)[2]、冷卻水道[3]用3D圖表示更容易理解。在帶本科畢業(yè)生做畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，我們要求學(xué)生學(xué)習(xí)3D軟件(如Solidworks，Pro/E[4])，設(shè)計(jì)出3維的塑件圖、模具零件圖和裝配圖。高分子專業(yè)制圖能力相對(duì)較差，可以向機(jī)械專業(yè)的同學(xué)學(xué)習(xí)。一開始學(xué)生有畏難情緒，但通過自學(xué)和請(qǐng)教他人，逐步掌握了制作3D圖的方法，這幾年都是這樣，取得了一定成績(jī)。作為教師，也要學(xué)習(xí)新知識(shí)(如學(xué)習(xí)3D制圖)，掌握新的教學(xué)方法，更新教學(xué)模式。3D軟件只是完成了制件或模具的設(shè)計(jì)，但熔體在模具中充模如何、澆口設(shè)計(jì)合理與否等等還是未知數(shù)。而Moldflow軟件[5]將模具與熔體充模流動(dòng)分析結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)模-流互動(dòng)，優(yōu)化模具設(shè)計(jì)，將零碎的模具、材料知識(shí)融合。這樣，教學(xué)獲得的成功能夠大大激發(fā)教師教學(xué)興趣和學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

虛實(shí)結(jié)合，是模具類以及機(jī)械專業(yè)課的發(fā)展趨勢(shì)。一些輔助的教學(xué)模式，如慕課教學(xué)模式在我院主干課中推廣，課堂教學(xué)與在線學(xué)習(xí)有機(jī)結(jié)合，學(xué)生通過手機(jī)或電腦在線學(xué)習(xí)、做單元測(cè)驗(yàn)、在線考試等環(huán)節(jié)，學(xué)習(xí)效果有了明顯的提高。當(dāng)然，無論什么教學(xué)手段，目的是要學(xué)生掌握知識(shí)，提高能力。而要真正提高教學(xué)效果，教學(xué)內(nèi)容是最主要的。虛實(shí)結(jié)合，虛就是虛擬，實(shí)是實(shí)際、實(shí)物?，F(xiàn)在流行一種VR(Virtual reality)即虛擬現(xiàn)實(shí)，在一定程度上代替實(shí)驗(yàn)室操作，讓學(xué)生在虛擬現(xiàn)實(shí)中做虛擬實(shí)驗(yàn)，能夠提高工程實(shí)踐能力。虛也能夠轉(zhuǎn)化為實(shí)，如用Pro/E或UG等3D軟件繪制3D圖，借助3D打印機(jī)，打印出實(shí)物模型，如塑料模具，供學(xué)生組裝學(xué)習(xí)，是提高空間想象力的好辦法。正如科研有實(shí)驗(yàn)方法和仿真方法一樣，數(shù)值模擬技術(shù)迅猛發(fā)展，大大促進(jìn)了虛擬仿真技術(shù)的進(jìn)步。

3 結(jié)束語(yǔ)

模具教學(xué)中虛實(shí)結(jié)合，甚至推廣到其他課程中實(shí)現(xiàn)虛實(shí)互動(dòng)，虛要以實(shí)際、實(shí)物為原型，實(shí)物實(shí)際若虛化為立體模型，將促進(jìn)教學(xué)進(jìn)步，教師和學(xué)生能夠從中獲得成就感，將模具知識(shí)融合成有機(jī)整體。再結(jié)合課堂教學(xué)、MOOC或SPOOC等在線課程，給傳統(tǒng)課堂注入新鮮活力。