虚拟仿真教学平台在材料成型专业中的应用探索

郭瑞华 李振亮 陈林 张建飞 赵团 丁国 李慧琴 方琪

摘要：针对材料成型专业课程涉及面广、实践性强、内容抽象，实习费用高、危险系数大等传统教学难题，我校材料与冶金学院新引进了仿真教学平台设备，该平台将虚拟仿真与课堂教学、现场实习及毕业设计相结合，通过现场3D动画及生产视频可让学生更直观的认识了解生产工艺流程、生产设备、操作系统等专业知识。仿真教学平台为材料成型专业的科技化教育探索了一条新出路，提高了学生的实践操作能力和创新能力，同时也加强了对卓越工程师创新能力的培养。

关键词：材料成型；仿真平台；课堂教学；实习；毕业设计

中图分类号：G40-034 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（a）-0000-00

引言

虚拟仿真又称虚拟现实技术或模拟技术，就是用一个虚拟的系统模仿另一个真实系统的技术，目前已广泛应用于教学、科研等领域。将其应用于冶金，钢铁行业，解决了相关专业高校学生实践困难等的诸多问题。虚拟仿真平台已陆续为多个相关专业提供虚拟仿真教学，受到了各专业学生的欢迎，收到了良好的教学效果。

一、虚拟仿真教学平台建设的必要性

仿真教学平台的建立不但模拟了现实生产现场的工艺流程，还通过3D视频演示出现场作业的情况，对不同重点设备进行单一解剖，使学生更为直观的认识了解重要设备的构造和工作原理，其次，学生的实际操作可以使其理解并掌握生产工艺，促进了学生专业知识方面的理解。

二、虚拟仿真教学平台的特色

（一）教学工厂

大量的现场3D动画和图片生动地展现了轧钢生产的全过程和主要设备参数及设备结构。教师根据工程教育、生产实习、毕业实习的不同实践类型及实践目的，来制定和编写仿真实践平台的实践教学大纲、教学内容、学时分配，进而有针对性地来确定学生仿真实践的培训计划、培训方案，丰富了课件资源，将一些知识内容相互结合，充分解决在不同实习中的教学问题。

（二）仿真操作功能

仿真操作系统有许多模型，其中包括严格的工艺模型和数学模型，以及操作仿真模型和后台数据库模型，在成型加工进程中，它们能保证实时的必要数据和必要结果，从而达到仿真操作的目的。

（三）教学资源库功能

丰富的教学资源包括虚拟的3D动画和图片以及配套的设备控件等，教师可以很方便的设置多媒体电子教案和根据不同的需要添加媒体资源，从而给学生在专业知识上有着良好的授课效果，同时该资源库可以借助网络资源扩展相关知识点，从而实现资源库的补充。

三、虚拟仿真教学平台模块的应用

（一）虚拟仿真教学平台在轧钢工艺学课程中的应用

在轧钢工艺学这门课程中，虚拟仿真教学平台通过建立中厚板的连续加热轧制，证实了该平台不仅对控制系统中的算法和工艺模型能进行计算和分析，也可以设计系统的参数和调控系统的结构，例如，中厚板生产线压下规程的制定，如图1所示，该平台将中厚板热连轧仿真系统与控制系统相结合起来，使学生对轧制压下规程有更为形象直观的认识和更为精准的计算过程，让学生能够通过简单的方法去学习轧钢工艺学这门课程，为教学提供了非常便利。

图1 压下规程的工艺模拟

（二）虚拟仿真教学平台在实习中的应用

材料成型专业的生产实习、毕业实习等实践环节主要在包钢等钢铁联合企业进行，但目前钢铁企业的发展由于市场环境的不景气而受到制约，使学生在实习过程中不能靠近轧钢设备，必须在安全通道中参观整个生产线，使得学生很难看清楚生产的每一环节，然而，仿真教学平台可以作为仿真实践系统中的工艺模型和数学模型的关键工艺数据接口，学生可以修改工艺参数并实施仿真过程，如图2所示，所形成的虚拟画面形象逼真、设备动作准确，同时清楚的展现了轧钢生产的每一环节，以及精准的轧制时间、轧制周期、轧机距离等一系列参数都可以让学生一目了然，这些都增强了学生的感性认识，也给予学生在独立建模过程中的一定指导和帮助。

图2 中厚板生产线

（三）虚拟仿真教学平台在毕业设计中的应用

目前对大学生毕业设计的要求在逐渐下降，正是由于高校的教学条件、设计时间以及研究经费等的制约，学生在做毕业设计时，所设计的具体内容与现实的生产过程严重不匹配，然而，仿真教学平台能够指导学生更轻松的完成毕业设计，例如，中厚板虚拟仿真的压下规程，在输入板坯厚度、宽度、板坯长度、成品厚度、成品宽度后，就会详细的介绍每道次的轧制厚度、轧制速度、相对变形量等数据，同时能计算出总的轧制道次数，如图3所示。这为学生毕业设计图纸的绘制提供了最有利的资源，也增加了学生对毕业设计的兴趣性，并且也扩充了知识量，从而确保了本专业的毕业设计质量。

图3 压下规程的计算

四、总结

综上所述，仿真教学平台的应用是一个重要的发展趋势，它完美地使课堂教学方式与计算机虚拟教学方式相结合。该仿真实践平台的模拟训练可在最短的时间内能加深学生对专业知识的理解，也能提高学生解决现场实际问题的能力，使学生可以深刻地掌握相关的专业知识，也可以更好的加强教学质量。同时，这也为卓越工程师的培养奠定了坚定的基础。

五、参考文献

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