方輝 吳方娟 王火生 范新鳳

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?根據(jù)工程教育認(rèn)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(xué)院材料成型虛擬仿真實驗教學(xué)平臺通過校企聯(lián)合開發(fā)、自主研發(fā)、科研成果轉(zhuǎn)化等方式構(gòu)建了“機(jī)械基礎(chǔ)”“材料基礎(chǔ)”“材料成型基礎(chǔ)”“模具設(shè)計與制造”和“制品生產(chǎn)”五個的虛擬仿真實驗課程模塊，探索適于學(xué)生工程實踐能力培養(yǎng)的平臺運(yùn)行和管理模式。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?虛擬仿真;材料成型;實驗教學(xué)

[中圖分類號] ?G642 ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)逐漸進(jìn)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(bǔ)充，而且還能完成實體實驗無法實現(xiàn)的教學(xué)功能，現(xiàn)已成為培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力的重要手段之一。[4，5]

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

一、材料成型虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)的必要性

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

（一）內(nèi)部微觀行為無法直觀觀察，妨礙學(xué)生對微觀機(jī)理的理解及對宏觀過程控制方式的認(rèn)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(rèn)識和理解微觀過程，才能從宏觀上控制加工產(chǎn)品的性能。而在實體實驗中無法觀察到內(nèi)部微觀行為，如材料變形過程中位錯的運(yùn)動、組織的演變、晶粒生長的過程、晶界的運(yùn)動、微區(qū)材料的流變等。材料成型的微觀機(jī)理比較抽象，不易于掌握，從而導(dǎo)致對宏觀控制的方式難以理解，無法取得良好的教學(xué)效果。虛擬仿真實驗?zāi)苄蜗?、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(jìn)行實體教學(xué)

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(fù)雜，學(xué)校難以開設(shè)，需要深入工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行實踐教學(xué)，如認(rèn)識實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)等。然而，學(xué)生在工廠也很難與這些設(shè)備或生產(chǎn)線進(jìn)行“親密接觸”，一方面是保障生產(chǎn)的需要，另一方面是無法觀測到設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時的內(nèi)部細(xì)節(jié)。因此，學(xué)生難以做到“知其然”，在出現(xiàn)復(fù)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(dú)到之處。例如，學(xué)生在數(shù)字化軋鋼生產(chǎn)線虛擬仿真實驗中，可以了解整個生產(chǎn)過程、各部件的作用，并進(jìn)行工藝調(diào)整等，補(bǔ)充在實體實驗中無法進(jìn)行的觀測與操作。

（三）大型貴重儀器設(shè)備不能滿足本科實驗教學(xué)要求

材料分析方法是材料成型類專業(yè)學(xué)生需要掌握的基本知識。但許多材料分析測試儀器設(shè)備價格昂貴、操作復(fù)雜，臺套數(shù)只有一兩臺，不能滿足每個學(xué)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(shè)備的虛擬仿真實驗可以讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中對設(shè)備進(jìn)行操作，從而了解設(shè)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(shù)量限制等原因，一定程度上制約對學(xué)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(diǎn)。虛擬仿真實驗教學(xué)中心和實體實驗教學(xué)中心相互配合、相互補(bǔ)充，通過構(gòu)建“虛實結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實不虛”的新型實驗教學(xué)模式，揚(yáng)長避短，促進(jìn)學(xué)生加深對理論知識的理解，強(qiáng)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(xué)平臺的研究與設(shè)計

材料成型虛擬仿真實驗教學(xué)平臺根據(jù)材料成型及控制工程專業(yè)的知識體系構(gòu)架，并結(jié)合學(xué)校本專業(yè)發(fā)展的自身特點(diǎn)，構(gòu)建“三層次、五模塊、五結(jié)合”的實驗教學(xué)體系。根據(jù)材料成型的知識體系構(gòu)架，虛擬仿真實驗教學(xué)體系涵蓋了五個模塊，分別是機(jī)械基礎(chǔ)模塊、材料基礎(chǔ)模塊、材料成型基礎(chǔ)模塊、模具設(shè)計與制造模塊、制品生產(chǎn)模塊。

（一）機(jī)械基礎(chǔ)模塊

機(jī)械基礎(chǔ)相關(guān)課程主要研究機(jī)械中常用機(jī)構(gòu)和通用零件的工作原理、運(yùn)動特性、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及機(jī)械零件失效分析等，機(jī)械基礎(chǔ)是材料成型裝備的基礎(chǔ)和材料成型工程控制的基礎(chǔ)，是材料成型等專業(yè)學(xué)生必須掌握的基礎(chǔ)知識和技能。因此在相關(guān)的課程學(xué)習(xí)過程中，部分機(jī)械組件由于體積大，拆裝和搬移困難，不能在課堂進(jìn)行實體演示教學(xué)，在課堂教學(xué)中學(xué)生對機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)動的原理及特點(diǎn)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(jī)械構(gòu)件的工作原理、運(yùn)動特性，同時也可以提高學(xué)生的實踐動手能力，從而讓學(xué)生加深對理論知識的理解。

（二）材料基礎(chǔ)模塊

材料科學(xué)基礎(chǔ)是材料類專業(yè)的基礎(chǔ)理論，學(xué)習(xí)與掌握材料的制備、組成、組織結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的基本規(guī)律。在相關(guān)課程的學(xué)習(xí)中，部分基礎(chǔ)知識較為抽象，特別是材料的微觀結(jié)構(gòu)、微觀行為等在學(xué)習(xí)過程中較難理解。因此，采用動畫仿真形式，將相關(guān)的知識點(diǎn)直觀形象地呈現(xiàn)在課堂演示過程中，如晶體結(jié)構(gòu)原子堆垛、位錯運(yùn)動、金屬與合金凝固過程和固態(tài)相變等。另外，在材料科學(xué)基礎(chǔ)實驗方面，部分實驗設(shè)備由于較為精密昂貴，無法讓學(xué)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(xué)生了解相關(guān)設(shè)備的工作原理和操作流程，必要時再開展相關(guān)的實體實驗。

（三）材料成型基礎(chǔ)模塊

材料成型制品的生產(chǎn)必然涉及材料、成型工藝、設(shè)備和模具等生產(chǎn)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(zhì)量保證的關(guān)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(chǔ)，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(shù)設(shè)置與控制、加工狀態(tài)、產(chǎn)品精度、產(chǎn)品質(zhì)量等有機(jī)整合，最大限度地再現(xiàn)實際生產(chǎn)過程。學(xué)生可以根據(jù)制品的生產(chǎn)和使用要求，將材料的特性、生產(chǎn)工藝、設(shè)備性能和模具結(jié)構(gòu)等諸因素進(jìn)行綜合考慮與分析，并應(yīng)用所學(xué)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(shù)的合理設(shè)定等方面的訓(xùn)練，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

（四）模具設(shè)計與制造模塊

模具設(shè)計與制造虛擬實驗平臺主要為滿足沖壓工藝與模具設(shè)計、注塑工藝與模具設(shè)計、壓鑄工藝與模具設(shè)計、模具制造工藝學(xué)等課程的課堂教學(xué)和實驗環(huán)節(jié)的需要。設(shè)計三個虛擬實驗?zāi)K，包括模具設(shè)計虛擬實驗?zāi)K、模具結(jié)構(gòu)裝配虛擬實驗?zāi)K和模具數(shù)控與電加工虛擬實驗?zāi)K。這些模塊結(jié)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(jìn)行虛擬實驗平臺建設(shè)，達(dá)到實驗與實戰(zhàn)相結(jié)合的訓(xùn)練效果。

（五）制品生產(chǎn)模塊

據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)今工業(yè)中90%的制品是通過模具來成型生產(chǎn)的，制品生產(chǎn)也是設(shè)計制造模具的根本目的。用于生產(chǎn)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(shù)的快速發(fā)展，對制品成型質(zhì)量及性能的要求不斷提高，制品結(jié)構(gòu)和成型工藝越來越復(fù)雜，對模具設(shè)計制造和成型生產(chǎn)提出新的要求。近幾年，我校材料科學(xué)與工程學(xué)院與福建省內(nèi)知名企業(yè)開展產(chǎn)、學(xué)、研合作，在材料研究與制備、產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)、模具設(shè)計與制造中存在的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)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(shù)難題，獲得多項福建省科技獎。以這些產(chǎn)、學(xué)、研成果為依托，開發(fā)制品生產(chǎn)模塊，本模塊吸收了多種目前企業(yè)中先進(jìn)、具有代表性制品的成型模具、成型工藝和成型生產(chǎn)：汽車玻璃塑料包邊、汽車鋼化玻璃、薄壁異型壓鑄件等，使學(xué)生了解、學(xué)習(xí)真實工程案例，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力、創(chuàng)新意識和能力。

三、平臺管理及運(yùn)行的探索

材料成型虛擬仿真實驗教學(xué)平臺秉持“以生為本、虛實結(jié)合、融合創(chuàng)新、共享發(fā)展”的虛擬仿真實驗教學(xué)理念，構(gòu)建平臺構(gòu)架、實驗教學(xué)運(yùn)行模式及管理方式。

（一）平臺的構(gòu)架

開放式虛擬仿真實驗教學(xué)的管理和共享平臺系統(tǒng)依托校園網(wǎng)絡(luò)，以虛擬實驗技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)增強(qiáng)實驗實踐教學(xué)，包括虛擬實驗中心門戶網(wǎng)站、實驗前的理論學(xué)習(xí)、實驗的開課管理、典型實驗庫的維護(hù)、實驗教學(xué)安排、實驗過程的智能指導(dǎo)、實驗結(jié)果的自動批改、實驗成績統(tǒng)計查詢、數(shù)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(xué)運(yùn)行

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

（三）平臺的管理

本平臺根據(jù)所指定的相關(guān)虛擬仿真實驗教學(xué)管理文件，采用線上與現(xiàn)場監(jiān)控相結(jié)合的管理方式，及時把握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況及實驗教學(xué)效果，通過督導(dǎo)聽課、召開師生見面座談會和網(wǎng)絡(luò)評議等多種形式，充分聽取師生的意見和建議，并進(jìn)一步優(yōu)化和改善實驗教學(xué)體系及方法，提高教學(xué)質(zhì)量。

四、結(jié)語

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

參考文獻(xiàn)：

[1]李永志，謝玉敏，張德勤.基于卓越計劃的地方應(yīng)用型高校材料成型專業(yè)“133”實踐教學(xué)體系的構(gòu)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(xué)綜合平臺建設(shè)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(xué)中心信息化平臺與資源建設(shè)的探索[J].2019，35（12中）：49-50，120.

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

[5]馬登成，張新榮，胡永彪，等.工程機(jī)械虛擬仿真實驗教學(xué)中心體系建設(shè)[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(biāo)的高校實踐教學(xué)體系的構(gòu)建與實施[J].中國高教研究，2007（4）：85-86.

編輯 趙瑞峰