材料成型及控制工程专业虚拟仿真实验室的建设与实践

郑 超, 宋立彬, 王新洪, 栾贻国, 赵国群

(1. 山东大学 材料科学与工程学院, 山东 济南 250061； 2. 山东大学 材料液固结构演变与加工教育部重点实验室, 山东 济南 250061)

在材料成型及控制工程专业培养过程中,实验教学占有较高的比重,是实现专业培养目标必不可少的内容。然而,该专业相当一部分实验项目具有高危、高成本、高消耗等特点,实际操作难度较大,严重制约了实验教学效果,导致学生能力和素质的培养不足,已经成为专业实验教学中的普遍共性问题[1-3]。多媒体、计算机、网络和虚拟现实等技术的迅速发展和普及应用,促进了高等教育教学的深层次变革和多元化发展,也为实验教学的信息化带来了契机和挑战[4-5]。山东大学材料成型及控制工程专业结合当前高校实验教学新变化,着力推动信息技术与实验教学的紧密融合,建设了一批虚拟仿真实验教学项目。本文以塑性成形与模具技术方向为例,介绍了山东大学材料成型及控制工程专业近年来在虚拟仿真实验室建设方面的一些探索,以及在本科实验教学方面的应用效果与经验。

1 虚拟仿真实验室建设的必要性和可行性

1.1 现阶段真实实验教学存在的问题

材料成型及控制工程是实践性很强的专业,实践能力培养在本专业教学中具有非常重要的地位。该专业传统的实验教学以真实实验为主,即学生使用实验试样,操作仪器设备,按照实验教学大纲要求在实验室完成实验,随后对实验结果进行分析处理,最终完成并上交实验报告。通过分析国内高校同类专业的实验教学现状[6-8],结合我校材料成型专业实验教学实践,发现真实实验教学存在一些共性问题,如：

(1) 材料成型相关的实验仪器设备昂贵,占用空间大,数量和种类少,学生学习和使用设备时间少。以塑性成形与模具技术方向为例,目前实验室已经拥有了加工中心、机械压力机、液压机、线切割机床、注塑机、万能材料试验机等教学仪器设备,但由于价格较高(一般>10万元/台),普遍数量很少(大部分设备只有1台)。与此形成对比的是实验课时相对较少,每名学生在开展实验时实际的上机操作时间很短,且在实验前需要花费大量时间用于仪器设备操作规程与安全注意事项的讲解,导致动手能力的训练不够。

(2) 材料成型类的实验材料种类和规格多、消耗大,实验过程中设备能耗高,实验总体成本很高。以开式冲孔和环形件模锻为例,每组学生均需要3个尺寸不等的铅质试件,而铅试件的加工制备工序多、难度大,且有一定的污染性,外协加工时价格较高。在专业综合实验中,设有模具制造教学环节,如果对每名学生设计的产品均采用实际加工制造方法开展教学,则加工周期长、原材料需求大,以现有的实验教学课时无法满足教学要求。

(3) “机械热加工”的专业特点使实验带有高危险性,并导致一些实验项目暂时无法开设。如在部分高温实验中,为安全起见采取铅质试件代替钢试件的加热环节,但这样却使学生无法直观了解和准确掌握材料成型过程中的加热实践知识。此外,剪板机、机械压力机、液压机等设备均具有一定的危险性,由于学生对设备不熟悉,缺乏敬畏心,即便在室温条件下开展实验,仍可能在一定程度上威胁到学生的人身安全。一旦因学生误操作导致设备出现故障,设备维修和调试的周期长、费用高,因此部分设备存在不让用、不敢用、用不起等现实问题,最终导致学生不会用。

1.2 虚拟仿真实验室建设的重要意义

著名机械工程专家杨叔子院士曾指出先进制造方法的发展趋势,即“数”“自”“集”“网”“智”。而虚拟仿真技术是数字化和智能化设计、控制和制造中贯穿始终的必不可少的关键技术。近年来,以信息科学和网络技术为代表的现代科技渗透到社会经济生活的各个领域,虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库等信息化技术蓬勃发展和日趋成熟,为材料成型及控制工程专业实验教学的提质增效带来新的机遇。《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》中把“加快教育信息化进程”单独作为一部分进行了专门阐述[9]。教育部也加强了对高校实验教学工作和实验教学信息化工作的宏观指导,制定了《教育信息化十年发展规划(2011—2020年)》,明确了发展规划及目标,即推动信息技术与高等教育深度融合,创新人才培养模式[10]。教育部《关于全面提高高等教育质量的若干意见》也明确提出,要强化实践育人环节,提升实验教学水平[11]。特别是在2013年,教育部《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》拉开了虚拟仿真实验教学中心建设的序幕,在高校掀起了虚拟仿真实验资源和教学中心建设的热潮[12-14]。

综上可见,构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象,发展和实现实验教学的信息化,既是国家对我国高等教育事业发展提出的新要求,也是专业实验教学模式深入改革的必然途径。通过开发高水平虚拟仿真实验教学平台,形成以真实实验和虚拟仿真实验有机结合为特征的完整的专业实验教学体系,有望提升本专业实验教学的深度和广度,拓展实验教学的空间和时间,增强学生的自主学习能力、工程实践能力和创新意识,从而适应国家、社会对本专业人才的高素质复合型要求。因此,结合材料成型及控制工程专业培养目标和教学大纲的要求,积极发展可靠、经济、安全、内容丰富、受益面广的虚拟仿真实验教学模式,形成虚拟仿真实验与真实实验相结合的实验教学模式,能够有效克服真实实验环境中的诸多限制,有效激发学生自主学习的积极性,具有重要的现实意义。

1.3 虚拟仿真实验室建设的可行性

我校材料成型及控制工程专业是国家级高等学校特色专业、“卓越工程师教育培养试点”专业、教育部“专业综合改革试点”专业,也是学校国际化建设专业。拥有材料液固结构演变与加工教育部重点实验室、山东省塑性成形仿真与模具工程技术研究中心及山东省现代焊接工程技术研究中心等科研平台。拥有教师61人,其中教授(级)27人,副教授(级)24人,讲师(级)10人。专任教师绝大多数有博士学位，有企业工程经历、有国际焊接工程师证书或参与企业研发经历。本专业实验室是山东省实验教学示范中心——材料科学与工程省级实验教学示范中心的重要组成部分,实验室面积达3 000多m2,现有仪器设备1 000多台套,价值4 200多万元。上述基础条件为实现学科专业与信息技术深度融合、开展虚拟仿真实验室建设提供了有力支撑和条件保障。

2 虚拟仿真实验室建设概况

2.1 虚拟仿真实验室的建设思路

结合材料成型及控制工程专业培养目标和材料科学与工程学科发展方向,坚持“科学规划、突出重点、提高效益、持续发展”的指导思想,以“虚实结合、相互补充、能实不虚”为基本原则,以共享优质实验教学资源为核心,以建设信息化实验教学资源为重点,以实现真实实验不具备或难以完成的教学功能为建设任务,涵盖锻压、焊接、铸造三大专业培养方向,建立材料成型及控制工程虚拟仿真实验室,形成虚拟仿真实验与真实实验相结合的教学模式,从而满足本科教学大纲要求,实现专业培养目标。

由于本专业培养方向多、信息量大、涉及面广,在虚拟仿真实验室建设过程中,确立了分专业方向、分期重点建设的思路。以学生培养需求为中心,选择真实实验问题突出、建设要求迫切、教学资源基础较好的实验项目予以优先建设。每建设一批项目,及时地将该部分内容应用于本科实验教学中。通过教学实践和学生反馈,总结教学过程中存在的问题及需进一步完善的功能,从而对已建设的虚拟仿真实验教学内容进行持续改进,最大程度提升实验教学效果。

2.2 虚拟仿真实验室的建设内容

材料成型及控制工程专业塑性成形与模具技术方向联合山东山大华天软件有限公司,先后建立了模具虚拟装配和模具虚拟制造两个较为成熟的虚拟仿真实验教学系统。教学系统由前台部分和后台部分组成。前台部分包括实验性质与目的、实验原理、实验仪器与设备、实验材料、实验场景分布、实验操作图片或视频、虚拟交互实验操作、实验考核、实验报告等内容；后台部分包括教学班级与学生管理、实验项目与内容管理、实验成绩管理、实验报告评阅与管理等内容。

2.2.1 模具虚拟装配实验教学系统

结合专业教学与企业设计开发经验,先后建设了包括单工序模、复合模、级进模和汽车覆盖件模具等多种模具的虚拟装配实验项目。借助该系统,学生能够应用三维交互技术模拟典型冲压模具的拆卸与安装过程。此外,学生还可以导入自己设计的模具零件三维数模,手动安装与拆卸零件,从而不断丰富虚拟仿真教学资源,实现该虚拟仿真教学系统的持续完善。每个实验项目均按照实验预习、实验学习、实验练习、实验考核流程进行,并最终完成和提交实验报告。图1所示为模具虚拟装配实验教学系统的操作界面。

下面以实验学习和实验练习环节为例,说明该虚拟仿真实验教学系统的功能。在实验学习环节,系统提供了冲模零件(包括工作零件、定位零件、压料/推件/卸料零件、导向零件、固定零件、紧固零件等)基本信息。每类零件用二维图、三维图或实物图展示,通过文字或图片方式说明每类零件的功能、常用材料、设计方法和选用原则。应用内置的华天软件自主研发的SView浏览器展现模具结构,可以进行平移、旋转、缩放等视图操作,支持零件移动、旋转、删除等功能。在实验练习环节,通过录制拆装动画、提供提示信息等生动形象的方法方式来指导学生学习与进行模具拆装。学生按照预设的拆装步骤手动依次拆卸或安装每个零件,拆装练习过程不受时间限制。通过反复练习,达到熟悉模具结构、熟知零件功能、熟练拆装操作的教学目的。图2和图3分别展示了模具虚拟装配实验教学系统的实验学习和实验练习环节。

图2 模具虚拟装配实验学习环节

图3 模具虚拟装配实验练习环节

2.2.2 模具虚拟制造实验教学系统

该教学系统采用山东山大华天软件有限公司开发的三维机加工艺设计系统SVMAN-M软件。借助于该软件,教师可以建立三维机加工艺样例,学生可以学习、练习零件的机加工艺过程。该软件主要包括工艺项目、特征提取、毛坯设计、工艺设计4个功能模块。工艺项目主要用来进行零件的导入与属性维护、工艺模型的打开与存储。特征提取是指分析哪些面是加工面,并对这些加工面进行加工方法的选择设计。在完成加工方法链的设计之后,根据被加工特征的余量进行毛坯模型的形状和尺寸设计；毛坯类型支持棒料、方料、铸锻件快速创建,另外也支持外部毛坯模型的导入。工艺设计是安排加工顺序,设计工艺过程,确定各工序工步的详细加工工艺参数。

以下模座虚拟制造为例说明模具虚拟制造实验教学系统的学习功能。学生首先导入下模座零件三维数模,借助“零件属性”可以查看零件的管理信息、生产信息、工艺信息等。在加工特征学习环节,学生学习查看下模座的哪些特征为加工特征,哪些特征为非加工特征,从而对零件的加工需求有较为全面的了解,为后续加工方法链的选择设计和工艺过程的设计提供基础。在加工方法链学习环节,学生根据下模座图纸的技术要求,如形位公差、尺寸公差、表面粗糙度及其他技术要求等,对照学习加工方法的选择设计。在毛坯设计学习环节,学习各种毛坯的导入和创建方法,以及对设计的毛坯进行相关编辑操作。在工艺过程学习环节,学生系统地学习下模座零件从毛坯到成品的制造全过程,通过交互式工艺设计过程详细了解各机加工工步的工艺参数快速设计、编辑与修改方法,从而熟悉模具零件的制造过程。图4所示为下模座虚拟制造的工艺过程学习环节。

图4 下模座虚拟制造的工艺过程学习环节

2.2.3 实验教务管理

材料成型虚拟仿真实验教学系统还具备实验教务管理功能,如添加和管理教师、学生信息；通过用户、角色、组三层结构定义和维护组织结构；采用规则授权,可以对不同的组织、角色、用户、数据状态、数据类型等设置不同权限,从而建立完善的权限管理；教师可以查询和批阅每个学生的实验报告,并能够按照学号进行排序及导出实验报告；教师可以按照学号、姓名、成绩分数进行排序,查看所有学生的实验成绩,对成绩进行平均分计算统计,并能够以Excel表格导出成绩等。

2.3 虚拟仿真实验室的建设成效

模具虚拟装配和模具虚拟制造两个虚拟仿真教学系统建立后,已连续在三届材料成型及控制工程专业卓越工程师试验班和模具班使用,从教学过程和课后学生反馈来看,取得了很好的教学效果。在实验报告中,要求学生单独列出一节,说明自己参与实验的体会及对于实验课程的建议。通过汇总发现,学生对虚拟仿真实验室教学的认可度较高,对于这一种新的教学模式充满兴趣,主动参与积极性明显提升。学生普遍认为,虚拟仿真实验教学的开展提供了更多的实验时间和操作机会,对于实验项目内容的理解更加深入,对相关知识点的掌握更为牢固。另外,通过预先开展虚拟仿真实验,再到实验室进行真实实验,学生能够更加清楚自己需要做什么、怎么做、为什么做,遇到问题时能够通过个人思考、小组讨论等方式尝试解决,锻炼了分析问题和解决问题的能力。显然,实行虚拟仿真实验与真实实验相结合的实验教学模式,能够有效克服真实实验教学中的诸多局限,更能激发学生学习相关知识的兴趣,实验过程效率高,教学效果极为显著。

本专业多年的教学实践表明,采用虚拟仿真实验教学能够很好地弥补现有真实实验的不足,实现真实实验不具备或难以完成的教学功能,使一些之前做不了、做不上、做不好的实验项目能够顺利开设,弥补并提升了真实实验的教学效果,且在一定程度上延伸了课堂理论教学的功能。通过虚拟仿真实验室的教学实践,进一步总结了在材料成型及控制工程专业实验教学中采用虚拟仿真实验教学的优势,如表1所示。

2.4 虚拟仿真实验室建设的持续改进

虚拟仿真实验教学的开展,充分发挥了信息技术在高等教育教学中的作用,为高校实验教学注入了生机和活力。然而,在教学实践过程中发现,作为一种新的教学模式,虚拟仿真实验教学仍存在一些问题,亟需在建设和发展过程中予以重视和解决：

表1 材料成型及控制工程专业实验教学中采用虚拟

(1) 在真实实验过程中,教师与学生始终在一起,能够实时观察和评价学生的实验过程,这为学生思想上重视实验、顺利完成实验提供了保障。而在虚拟仿真实验教学过程中,由于学生可以随时随地实验,师生可以线上进行交流,因此教师与学生并不一定在一起。此时,如何确保学生有足够的实验投入时间,如何监控实验过程,如何对虚拟教学结果进行恰当评价等,成为制约实验效果的重要因素。

(2) 目前我校材料成型及控制工程专业的虚拟仿真实验教学主要在大四上学期开展,此时正逢学生找工作、准备考研的关键时期,不可避免地存在时间上的冲突。如何在满足教学大纲要求、实现实验教学效果的前提下,探索更为灵活高效的虚拟仿真实验教学方式方法,设计更具吸引力的虚拟仿真实验教学教案,形成更为合理的虚实结合、虚实互补的教学方案,是虚拟仿真实验教学建设面临的重要课题。

(3) 2017年开始,教育部启动了虚拟仿真实验教学项目建设工作,针对虚拟仿真实验教学提出了新要求和新标准。特别指出需高度重视项目的开放共享,搭建具有开放性、扩展性、兼容性和前瞻性的虚拟仿真实验教学项目运行平台,满足不同区域、不同层次、不同类型学生开展实验的需求。因此,以新时期虚拟仿真实验教学项目建设为契机,改进和完善已有的虚拟仿真实验教学内容,以开放共享为目标积极推动实验教学项目的在线可持续运行,是实验教学人员必须高度重视和着力落实的一项工作。

3 结语

材料成型及控制工程专业虚拟仿真实验室的建设,使学生能够在虚拟环境中开展实验,教师能够在虚拟环境中管理实验,达到了优化教育资源、有效提高教学质量的目的,实现了信息技术和实验教学的有机融合。材料成型及控制工程专业实验室将进一步强化虚拟仿真实验室的建设,丰富已有的两个虚拟仿真教学系统的内涵,积极开发新的虚拟仿真教学系统,涵盖更广泛的专业内容,面向更多学生开放,将虚拟仿真实验室建设和发展成为高素质、创新型材料科学人才培养的重要平台。