虚实结合的模具设计制造实践教学体系构建

周海+徐晓明+陈西府+黄传锦

摘要：针对材料成型与控制工程专业模具设计制造实践教学开展难度大、实物实训运行与维护费用高、场地受限等问题，本文首先分析了实践教学的现实困境，基于虚拟仿真技术、计算机网络技术和多媒体技术等，提出虚实结合的模具设计制造实践教学体系的建设要素及其对实践教学的提升作用。然后从“细分三层能力结构”、“五项结合”的实践教学运行模式、“能力主线”的课程方案和实践教学质量保障机制等方面，重点论述虚实结合的实践教学体系的改革及建设方案，深耕模具设计制造实践教学的本质，就虚实结合的实践教学内容和具体实施方法展开研究。与此同时，应用型地方本科高校虚实结合的模具设计制造实践教学体系建设还需要坚守信息化、智能化的办学理念，面向区域校企联合共建。

关键词：模具设计制造；实践教学；虚实结合；应用型

中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）09-0141-04

模具设计制造实践教学是应用型本科高校学生系统掌握材料成型与控制工程专业知识的重要途径，在培养学生模具创新设计意识、动手实践能力和科学素质等方面发挥着不可替代的作用。然而传统实践教学体系中行为主义思想严重，实践教学模式普遍存在机械式仿照，此外由于实践教学场地、仪器设备等的限制，实践教学在能力导向、创新发展的工程技术人才培养方面未能充分发挥其作用[1-2]。随着虚拟仿真技术、计算机网络技术和多媒体技术等在模具设计制造实践教学中的逐步应用，与实体实训相辅相成的虚实结合的模具设计制造实践教学由此形成，将现代前沿信息化科技融入传统实践教学，深耕工程教育实践教学体系的本质，改善实践教学效果，提高实践教学质量[3-4]。

一、材料成型与控制工程专业开展实践教学的现实困境

应用型本科高校材料成型与控制工程专业，主要面向模具制造行业培养专业从事模具设计、模具加工制造等工作的高素质工程技术人才。传统模具设计制造实践教学因条件的限制，人才培养的质量还未能与“中国制造2025”战略下模具制造企业对高端工程技术人才的迫切需求相同步，学生毕业后在行业领域内仍需接受较长时间的企业再培训[5]，材料成型与控制工程专业开展实践教学的现实困境主要表现如下。

（一）实践教学资源成本高、利用效率低、安全隐患大

模具设计制造实践教学函括模具设计分析、模具加工制造等多方面实践实训项目，普遍存在实训仪器设备昂贵、材料消耗大、实训周期长等问题，使得实践教学过程中实训项目难以在真实环境下依次开展。实训基地和实验室里的仪器设备在非教学时间段内基本处于停放状态，利用效率非常低下，运作与维护成本较高[6]。在模具的机床加工制造、大型模具的拆装等实物设备实践教学环节中，由于学生实践动手经验有限，指导教师现场示范操作复杂仪器设备时，难以保证所有学生都能清楚掌握整个操作流程，学生的实训操作也很难逐一顾及，容易发生突发性事故，影响实践教学的安全性，因此实物实践教学本身存在一定的局限性。

（二）学生实践能力不足、创新意识不强

模具设计制造实践教学设备老化，各项功能技术指标已不能达到规定标准，导致实践教学仪器设备的数量与学生实训人数不匹配，部分实践教学课程多名学生共同操作一台实训设备，实践教学过程还经常因故障而拖延或终止，学生个体所获取的实践练习严重不足，甚至让实践教学成为一种形式，失去其本身意义。由此引发理论联系实际的专业教学转变为以理论知识学习为主的单一教学，使得学生实践能力相对不足、创新意识薄弱，影响材料成型与控制工程专业人才培养质量。

（三）实践教学质量与行业企业发展需求相脱节

模具设计制造实践教学在场地、仪器设备等硬件建设方面的投入经费逐年增加，但随着模具行业现行技术的快速升级，原有的仪器设备型号逐渐落后，特别是相对贵重的大型仪器设备，与行业发展密切相关的先进仪器设备更是严重不足。这致使实践教学内容陈旧，学生在实践环节中所掌握的模具设计制造理论知识、加工工艺方案和设备操作技能等与现行企业生产实际严重不符，材料成型与控制工程专业实践教学质量与相关企业人才能力需求的差距逐年扩大。

二、虚实结合的模具设计制造实践教学平台的构建

（一）面向模具设计制造过程进行全流程的高度仿真实践教学——“虚”

模具智能化设计制造过程中内部运行规律无法进行实验或深入理解，传统实物实践教学设备很难实现学生自主设计实验[7]，将信息化虚拟设计技术引入到材料成型与控制工程专业实践教学中，面向模具设计制造过程进行全流程的高度仿真实践教学。在西门子公司TeamCenter系统的基础上，全面集成NX、Tecnomatix、SolidEdge、Ansys、MSC Nastran等软件，构建虚实结合的模具设计制造实践教学平台，开发面向模具设计制造行业的产品三维设计、有限元分析、计算机辅助工艺分析、虚拟制造、虚拟装配、虛拟运营等数字化教学资源和实训项目。借助虚拟仿真实践教学资源，学生可以在虚拟环境中开展实验，实现实物实验不具备或难以完成的教学功能，促进知识的转化与拓展。模具产品的虚拟设计是现代模具制造企业常用的设计方法，虚拟设计制造实践教学是满足学生掌握现代模具设计方法的必要前提[8]。因此，虚拟仿真实践教学项目能很好地培养学生的自主设计实验能力、创造思维能力、实验分析能力、运用现代信息技术能力，营造符合现代先进制造业需求的数字化教学和实训环境。

（二）平台共享、项目驱动、赛学结合，构建虚实相长的工程实践教学——“实”

依托虚实结合的模具设计制造实践教学平台，开展相关专业的实验教学项目、创新创业训练项目、学科竞赛项目和各类学生科研项目等真实实践教学，形成“导、赛、学”良性互动。从大一开始实施“新生导师制”，给每位新生配备导师，为学生提供四年一贯的全方位指导，从大二开始，引导学生参与学科竞赛和创新创业大赛，实行学科竞赛学分制，通过实施学业导师制和学科竞赛学分制，推动本专业的学风建设。实践教学过程中汲取先进的模具设计制造理念，导入工程生产管理、经营运作模式，融入现代模具企业实际案例。虚实结合的模具设计制造实践平台，解决了时间和空间对传统实践教学模式的限制，实现教学资源的共建共享、跨学科利用，为学生自主学习提供支撑。

三、遵循应用型工程技术人才培养的规律，创建虚实结合的模具设计制造实践教学体系

（一）虚实结合的实践教学“细分三层能力结构”

围绕模具行业工程技术人才需求的多样化、能力素质的多元化和学生个性的差异化，由浅入深搭建基础能力、必备能力和拓展能力循序渐进的实践教学“细分三层能力结构”，如图1所示。依据模具行业的标准制定实践教学培养方案，明确学生培养的基础能力和必备能力要求。按照模具行业发展的趋势、“中国制造2025”战略提出的创新人才要求，确定学生培养的拓展能力。细分能力素质构成要素，按能力递进层次架构相应的能力实践教学体系。基础能力阶段培养学生的模具产品结构设计能力、模具制造工艺设计能力、CAX/PDM系统应用与项目实施能力等基础实践能力；必备能力阶段注重学生模具设计制造专业实践综合能力、NX项目实践综合能力等的培养；拓展能力阶段突出学生创新发展能力、项目运作协调能力的培養，从而满足行业企业对复合型工程技术人才的需求。

（二）“五项结合”的实践教学运行模式

以虚实结合的模具设计制造实践教学平台为核心，按照“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，积极探索虚实结合的实践教学运行机制。实行“虚拟仿真实验+真实课程实验”、“虚拟仿真实验+课外创新实践”、“虚拟仿真实验+校外现场实践”、“虚拟仿真实验+综合能力实践”、“虚拟仿真实验+毕业设计”五项结合的实践教学运行模式，如图2所示，以模具设计制造全流程、生产型实验为载体，构建面向应用型工程技术人才能力素质培养的实践教学体系。

（三）“能力主线”的实践教学指导思想

依据“细分三层能力结构”的实践教学体系，按照能力层级递进规律，梳理出虚实结合的实践教学项目之间的内在逻辑关系，模块化设置实践教学内容，形成以能力培养为主线的实践教学指导思想。围绕先进、有用、有效的原则，将模具行业企业的最新工程技术和生产工艺、实际工程问题融入实践教学内容，提升学生分析、解决实际问题的能力。

（四）“两督导、三评价、四评教”的实践教学质量保障机制

按照ISO9001全面质量管理的理念，完善校、院两级督导，实施学院、专业系、教师三级质量评价和学生评教、同行评教、督导评教、社会评教等四个方面的评教，建立起虚实结合的实践教学全程评价体系，科学地评价学生掌握相关知识的水平，保障实践教学环节都处于受控状态。将实践教学监控体系分成实训项目标准体系、实践教学执行体系、实践教学效果检查体系和实践教学信息反馈体系四个部分，从而提高过程监控的效果，有力地保障了材料成型与控制工程专业学生培养的质量。

四、虚实结合的模具设计制造实践教学内容和实施方法

（一）虚实结合的模具设计制造实践教学内容建设

通过UG、Pro/E、Catia、Solidworks等工业三维软件建立现有实践教学仪器设备的实物模型，运用3ds MAX、Maya、Softmage等三维动画设计软件生成模具加工制造、拆装的仿真演示动画。结合实际实验环节，使用Authorware、Directer、Flash等多媒体编辑软件将模型、动画和语音等素材进行整合、集成，展现模具产品不同阶段的设计制造原理演示。实践教学实训前学生预先在虚拟现实环境下，按照制定的实验步骤、要求及评判标准，进而实验过程的操作与演示，从而使学生在有限实训体验过程中更有针对性的进行动手操作，合理分配实践学习时间，就实践教学中的疑问与指导教师进行讨论交流，有效提升实践教学的质量效果，如图3所示。

（二）基于工程实际案例的模具设计制造实训项目建设

虚实结合的模具设计制造实践教学平台，将高校教师的纵/横向课题、协同企业的工程实际案例等进行细分，提炼出能够满足在校大学生模具设计制造实践教学、创新创业训练、学科竞赛和毕业设计的实训项目，如压铸模具的智能化设计、基于ATOS的缺陷模具数字化重构、基于知识的产品智能化快速设计等。通过实训项目建设将学生带入与模具设计制造密切相关的科学应用研究、工程技术开发等领域，促使学生参加社会实践、自主创新创业等活动，激励学生崇尚科学、追求真知、锐意进取、开拓创新。学生通过参加实践教学实训项目，能够掌握很多书本上学不到的知识，很好地拓展学生的视野，丰富知识结构，提升综合能力，同时在人际交往团队合作方面也能得到有效锻炼。

（三）适应大学生创新能力培养要求的实践教学方法改革

传统实践教学大多数以现场观摩、原理验证为主，实训内容单一，学生无需思考，按部就班地照着实训步骤就可以完成实训任务，缺乏自主设计性，学生学习过程机械呆板、枯燥乏味，十分不利于创新能力和创新思维的培养。通过虚实结合的模具设计制造实践教学体系，指导教师可以灵活地增加各种创新设计性实训内容，使学生根据实训任务要求自行设计实训方案，也可以结合实践教学的需要，实时设置符合模具设计制造生产实际的特色情景模式，最大限度地激发学生自主学习的兴趣，不仅能锻炼学生独立构思和自主设计的能力，更有利于培养学生的动手实践能力和创新精神。

五、应用型地方本科高校虚实结合的模具设计制造实践教学体系建设的信念坚守

（一）坚守信息化、智能化的办学理念，以“智能设计、虚拟制造、信息管理、智能物联”全生命周期的模具产品设计制造为主线

融入现代模具制造企业实际工程案例，引进行业高端信息化软件，以全流程模具智能制造为载体，开发虚实结合的模具产品设计制造全周期的实践教学项目，对学生进行实际工程项目的系统训练，从而实现了学校、企业、学生“三方共赢”。将模具设计企业案例的生产全工艺过程进行规划，制订详细的方案，构建从设计部→制造车间→检测中心→装配车间→成型试模车间→模具展厅→商务中心的全流程实践教学流程。在实际生产现场跟踪、拍摄其实际加工过程，并制作成配套教学资源包开发面向产品智能制造全周期的产品三维设计、有限元分析、计算机辅助工艺分析、虚拟制造、虚拟装配、虚拟运营等虚实结合的实践教学资源和实践教学项目。

（二）堅守能力为导向、面向模具设计制造实际，突出“一个中心，两个协同”的校企联合共建模式

按照共同投资、联合开发、互利共享的原则，与区域模具设计制造支柱企业、行业高端软件公司（西门子公司）开展全方位、立体化的产学合作，逐步形成“一个中心，两个协同”的校企联合办学模式。“一个中心”即以校企联合办学为中心，共同成立以制造业信息化为核心的虚实结合的模具设计制造实践教学平台。“两个协同”即校企协同共建实训项目、校外实践教学基地、毕业设计课题和实践教学指导教师队伍等实践教学资源，校企协同编制实践教学内容和实践教学方法，将模具企业的先进设计制造理念、实际工程环境氛围融入虚实结合的模具设计制造实践教学中，培养模具行业需求的高端应用型工程技术人才。

六、结语

基于虚拟仿真技术、计算机网络技术和多媒体技术等的虚实结合的模具设计制造实践教学体系，营造了虚拟实验与真实实训相辅相成的实践教学环境。与传统实践教学相比，教学内容的深度与涉及模具行业领域的范围都得到了改善和提高，有利于挖掘实践教学的潜能，从而促进学生工程实践能力和创新发展意识的培养。同时有效缓解了实践教学经费、场地和仪器设备等方面的不足，促进信息化技术在实践教学领域的推广应用，加快了实践教学内容的丰富、实践教学方法的改革和实践教学观念的升级。

参考文献：

[1]盛苏英.开放式虚实结合实验教学探索与实践[J].实验科学与技术，2014，12（1）：98-101.

[2]杨建良.电类基础课程实验教学“虚实结合”模式的构建[J].实验室研究与探索，2014，33（7）：101-104.

[3]蒙艳玫，唐治宏，董振，等.机械工程虚拟仿真实验教学体系的研究与实践[J].实验技术与管理，2016，33（5）：109-112.

[4]李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，32（11）：5-8.

[5]黄登红.机电一体化专业虚实结合实训模式应用研究[J].中国科技信息，2013（12）：161-162.

[6]王秀萍，张方.虚实结合扩大大型仪器设备对本科实验教学开放[J].实验技术与管理，2014，31（4）：237-239.

[7]赵红丽，李海林.基于虚拟仿真软件在模具拆装教学中的应用[J].模具制造，2016（3）：85-90.

[8]李超，刘月群，李彩霞.模具专业虚拟仿真实验平台的开发与教学实践[J].职业技术，2012（4）：20-21.

Construction of Combined Virtual and Experimental Practical Teaching System of Mold Design and Manufacture

ZHOU Hai，XU Xiao-ming，CHEN Xi-fu，HUANG Chuan-jin

（Yancheng Institute of Technology，Yancheng，Jiangsu 224051，China）

Abstract：Predicament of teaching practice was analyzed such as difficult to carry out，high costs of operating and maintenance and restricted sites in the process of practice teaching for material forming and control engineering mold design and manufacturing. Based on virtual simulation technology，computer network technology and multimedia technology，the construction of teaching system for mold design and manufacture virtual and practical was built which enhanced the role of practice teaching. From the practice teaching mode of "segment capacity structures of three stages" together with " five integration"，curriculum programs of " mainline capacity " and quality assurance mechanisms of teaching practice，construction and reform program of teaching system combined the actual situation and the practice was mainly discoursed. The study on the actual situation and the practice revealed the essence of practice teaching. Meanwhile，the construction of practical teaching system in application-oriented talents training of local undergraduate universities also needs to adhere to the information，intelligent educational philosophy and united building with oriented-region enterprises.

Key words：mold design and manufacturing；practical teaching；combined virtual and experimental；application type