模具專業(yè)虛擬仿真實驗平臺的開發(fā)與教學(xué)實踐

黑龍江 李超 劉月群 李彩霞

模具專業(yè)虛擬仿真實驗平臺的開發(fā)與教學(xué)實踐

黑龍江 李超 劉月群 李彩霞

針對模具專業(yè)實驗課程開設(shè)難度大，設(shè)備昂貴、場地受限等問題，基于信息技術(shù)、計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)等開發(fā)了模具專業(yè)虛擬仿真實驗平臺，并應(yīng)用于教學(xué)實踐，結(jié)果表明，采用該平臺可突破傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的限制，促進了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

虛擬仿真；實驗教學(xué)；模具專業(yè)

近幾年來，隨著高等教育改革的不斷深化，傳統(tǒng)的教學(xué)模式越來越跟不上時代的步伐，特別是在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，受到設(shè)備、場地、師資等因素的限制，那些陳舊、落后、重復(fù)的驗證性實驗，極大地制約了學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此改革傳統(tǒng)的實驗教學(xué)手段勢在必行。在模具專業(yè)的實驗教學(xué)中，由于模具實物及相關(guān)設(shè)備價格昂貴、易于損耗，因此傳統(tǒng)的模具專業(yè)實驗教學(xué)存在適應(yīng)性與實時性差等問題。飛速發(fā)展的現(xiàn)代教育技術(shù)將虛擬仿真的理念引入到實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，提出了全新的虛擬仿真實驗教學(xué)模式，可以預(yù)見，采用虛擬化實驗教學(xué)模式可極大地克服傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的弊端，必將成為未來實驗教學(xué)的重要途徑和方式，并在飛速發(fā)展的信息時代日趨完善、成熟，擔(dān)當(dāng)起培養(yǎng)順應(yīng)時代發(fā)展的創(chuàng)新型人才的重任。

一、虛擬實驗平臺的概念及特點

虛擬實驗平臺的概念最早是由美國University of Virginia的William Wulf教授于上世紀(jì)80年代提出來的，該實驗平臺的設(shè)計理念是采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來實現(xiàn)各種虛擬實驗環(huán)境，使實驗者可以像在真實的環(huán)境中一樣去完成各種預(yù)定的實驗項目，并取得與真實環(huán)境中相同甚至更佳的學(xué)習(xí)或訓(xùn)練效果。借助虛擬實驗平臺完成教學(xué)課程中的相關(guān)實驗，具有實驗效率高、設(shè)備費用低、實驗內(nèi)容豐富、使用方便、界面友好、集成性強、與計算機技術(shù)同步發(fā)展等明顯的優(yōu)勢。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真實驗技術(shù)也在向著網(wǎng)絡(luò)化、智能化、互動化等方向發(fā)展，該技術(shù)在高校教學(xué)、實驗課程中的推廣應(yīng)用，將對發(fā)展現(xiàn)代教育思想，提高教學(xué)水平，改善實驗環(huán)境，優(yōu)化教學(xué)過程，增強學(xué)生實驗動手能力，培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的人才產(chǎn)生深遠的影響。可以預(yù)期在不遠的將來，基于先進計算機技術(shù)的實驗教學(xué)虛擬仿真系統(tǒng)將會被普遍采用。

二、模具專業(yè)虛擬實驗平臺的實現(xiàn)方法

本文所設(shè)計的模具專業(yè)虛擬實驗平臺的系統(tǒng)組成如圖1所示。該系統(tǒng)通過將實物模型、過程演示動畫系統(tǒng)集成，在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下設(shè)置不同的模具拆裝及工作原理演示實驗。制定實驗步驟、要求及評判標(biāo)準(zhǔn)，進而虛擬實現(xiàn)實驗過程的操作與演示。與此相關(guān)的系統(tǒng)組成，其實現(xiàn)過程中所涉及的主要方法如下：

圖1 虛擬仿真實驗平臺的系統(tǒng)組成

1.虛擬實物模型的建立

根據(jù)模具典型零件的結(jié)構(gòu)特點，運用三維機械 CAD 軟件（如 Pro/E、UG、Catia、Solidworks等）創(chuàng)建模具零件三維實體模型，并運用軟件的裝配設(shè)計功能，對三維零件進行虛擬裝配，實現(xiàn)虛擬實物模型的建立。

2.過程動畫的制作

根據(jù)模具工作原理及各零部件之間的裝配關(guān)系，以上述所建立的虛擬實物模型為素材，應(yīng)用三維動畫設(shè)計軟件（如3DSMAX、Maya、Softmage等），生成模具工作過程及拆裝過程的仿真演示動畫。

3.虛擬仿真實驗平臺系統(tǒng)的整合與集成

根據(jù)真實實驗環(huán)境，運用多媒體編輯軟件（如Authorware、Flash、Directer等），將模型素材、動畫素材、語音素材等整合集成，通過編制控制程序等方法，虛擬設(shè)置不同的實驗步驟、要求及評判標(biāo)準(zhǔn)，進而虛擬實現(xiàn)實驗過程的操作與演示。

三、虛擬實驗平臺在模具專業(yè)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬實驗平臺為教學(xué)實踐提供了一個既先進又靈活的實驗環(huán)境，使得課堂教學(xué)不再局限于有形的場地、有限的設(shè)備，教與學(xué)的方式、方法得到了無形的擴展，因此傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式亟待改革，以適應(yīng)全新的教學(xué)手段與技術(shù)。

1.設(shè)置特色情景模式，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣

傳統(tǒng)實驗大多數(shù)以驗證性為主，實驗內(nèi)容單一，學(xué)生無需思考，按部就班地按照實驗步驟就可以做完實驗，缺乏設(shè)計性，學(xué)生學(xué)習(xí)起來機械呆板、缺乏興趣，十分不利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。應(yīng)用虛擬仿真實驗平臺，在教學(xué)過程中，教師可靈活地增加各種設(shè)計性實驗內(nèi)容，使學(xué)生根據(jù)實驗要求，自行設(shè)計實驗方案，并根據(jù)教學(xué)需要，實時設(shè)置符合生產(chǎn)實際的特色情景模式，最大限度地激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣。因此，虛擬仿真實驗不僅能鍛煉學(xué)生的獨立構(gòu)思和設(shè)計能力，而且能激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，這樣更有利于培養(yǎng)出具有創(chuàng)新精神和實踐能力的人才。

2.全程操作記錄，建立科學(xué)客觀的評價體系

傳統(tǒng)的模具專業(yè)實驗教學(xué)評價體系受到時間、空間的限制，往往帶有一定的局限性，不能客觀地反映學(xué)生對專業(yè)知識的掌握，學(xué)生出現(xiàn)差錯，教師也很難及時并準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)所在，糾正起來更加困難，極大地影響了實驗教學(xué)效果。在虛擬仿真實驗平臺上，系統(tǒng)可以方便地對實驗操作過程進行全程的記錄，并以各種形式輸出實驗結(jié)果，方便教師實時進行跟蹤分析，及時發(fā)現(xiàn)問題，并科學(xué)地針對問題原因進行實時輔導(dǎo)，及時糾正。在結(jié)果評價體系上，則應(yīng)并建立起實驗全程的評價體系，科學(xué)地評價學(xué)生掌握相關(guān)知識的水平。

3.適時鏈接實景錄像，提升課堂學(xué)習(xí)效果

虛擬實驗環(huán)境的一大弱點是缺乏真實感，為彌補這一缺憾，應(yīng)在教學(xué)過程中適時添加實景錄像，如實際的模具工作過程、修模過程、拆裝過程等，這樣既可以用真實的聲音、影像等多媒體手段增強虛擬環(huán)境的真實感，又可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提升訓(xùn)練效果。

四、結(jié)束語

基于信息技術(shù)、計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)的模具專業(yè)虛擬仿真實驗平臺，營造了一個虛擬但“真實”的模具專業(yè)實驗環(huán)境，可實現(xiàn)課堂教學(xué)與實驗室訓(xùn)練在空間與時間上的統(tǒng)一。與傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ较啾龋欣谕诰驅(qū)嶒灲虒W(xué)的潛能，促進了綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性、障礙性實驗的開設(shè)，從而促進了學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。同時解決實驗經(jīng)費不足和模具模型元件損耗的問題，加快了實驗室的發(fā)展和實驗教學(xué)改革，方便了計算機輔助教學(xué)的開展，促進了教育觀念的改變。

[1]陳萍，周會超，周虛.構(gòu)建虛擬仿真實驗平臺探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式[J].實驗技術(shù)與管理，2011（28）3.

[2]楊彥明，吳為團，戚甫鋒.虛擬仿真實驗系統(tǒng)的建模方法研究[J].海軍航空工程學(xué)院院報，2006（21）2.

[3]宋象軍.虛擬實驗室在高校實驗教學(xué)中的應(yīng)用前景[J].實驗技術(shù)與管理，2005（22）1.

[注]：哈爾濱理工大學(xué)教學(xué)研究課題資助C200800147。

（編輯 王旸）

（作者單位：李超，李彩霞，哈爾濱理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；劉月群，哈爾濱華夏計算機職業(yè)技術(shù)學(xué)院計算機應(yīng)用系）