模具專業虛擬仿真實驗平臺的開發與教學實踐

黑龍江 李超 劉月群 李彩霞

模具專業虛擬仿真實驗平臺的開發與教學實踐

黑龍江 李超 劉月群 李彩霞

針對模具專業實驗課程開設難度大，設備昂貴、場地受限等問題，基于信息技術、計算機技術、多媒體技術等開發了模具專業虛擬仿真實驗平臺，并應用于教學實踐，結果表明，采用該平臺可突破傳統實驗教學模式的限制，促進了學生創新能力的培養。

虛擬仿真；實驗教學；模具專業

近幾年來，隨著高等教育改革的不斷深化，傳統的教學模式越來越跟不上時代的步伐，特別是在實驗教學環節中，受到設備、場地、師資等因素的限制，那些陳舊、落后、重復的驗證性實驗，極大地制約了學生創新意識、創新能力的培養。因此改革傳統的實驗教學手段勢在必行。在模具專業的實驗教學中，由于模具實物及相關設備價格昂貴、易于損耗，因此傳統的模具專業實驗教學存在適應性與實時性差等問題。飛速發展的現代教育技術將虛擬仿真的理念引入到實驗教學環節中，提出了全新的虛擬仿真實驗教學模式，可以預見，采用虛擬化實驗教學模式可極大地克服傳統實驗教學模式的弊端，必將成為未來實驗教學的重要途徑和方式，并在飛速發展的信息時代日趨完善、成熟，擔當起培養順應時代發展的創新型人才的重任。

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80年代提出來的，該實驗平臺的設計理念是采用虛擬現實技術來實現各種虛擬實驗環境，使實驗者可以像在真實的環境中一樣去完成各種預定的實驗項目，并取得與真實環境中相同甚至更佳的學習或訓練效果。借助虛擬實驗平臺完成教學課程中的相關實驗，具有實驗效率高、設備費用低、實驗內容豐富、使用方便、界面友好、集成性強、與計算機技術同步發展等明顯的優勢。

隨著計算機技術的發展，虛擬仿真實驗技術也在向著網絡化、智能化、互動化等方向發展，該技術在高校教學、實驗課程中的推廣應用，將對發展現代教育思想，提高教學水平，改善實驗環境，優化教學過程，增強學生實驗動手能力，培養具有創新意識和創新能力的人才產生深遠的影響。可以預期在不遠的將來，基于先進計算機技術的實驗教學虛擬仿真系統將會被普遍采用。

二、模具專業虛擬實驗平臺的實現方法

本文所設計的模具專業虛擬實驗平臺的系統組成如圖1所示。該系統通過將實物模型、過程演示動畫系統集成，在虛擬現實環境下設置不同的模具拆裝及工作原理演示實驗。制定實驗步驟、要求及評判標準，進而虛擬實現實驗過程的操作與演示。與此相關的系統組成，其實現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組成

1.虛擬實物模型的建立

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

2.過程動畫的制作

根據模具工作原理及各零部件之間的裝配關系，以上述所建立的虛擬實物模型為素材，應用三維動畫設計軟件（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的整合與集成

根據真實實驗環境，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，虛擬設置不同的實驗步驟、要求及評判標準，進而虛擬實現實驗過程的操作與演示。

三、虛擬實驗平臺在模具專業實驗教學中的應用

虛擬實驗平臺為教學實踐提供了一個既先進又靈活的實驗環境，使得課堂教學不再局限于有形的場地、有限的設備，教與學的方式、方法得到了無形的擴展，因此傳統的實驗教學模式亟待改革，以適應全新的教學手段與技術。

1.設置特色情景模式，激發學生自主學習興趣

傳統實驗大多數以驗證性為主，實驗內容單一，學生無需思考，按部就班地按照實驗步驟就可以做完實驗，缺乏設計性，學生學習起來機械呆板、缺乏興趣，十分不利于創新能力的培養。應用虛擬仿真實驗平臺，在教學過程中，教師可靈活地增加各種設計性實驗內容，使學生根據實驗要求，自行設計實驗方案，并根據教學需要，實時設置符合生產實際的特色情景模式，最大限度地激發學生自主學習的興趣。因此，虛擬仿真實驗不僅能鍛煉學生的獨立構思和設計能力，而且能激發學習的興趣，這樣更有利于培養出具有創新精神和實踐能力的人才。

2.全程操作記錄，建立科學客觀的評價體系

傳統的模具專業實驗教學評價體系受到時間、空間的限制，往往帶有一定的局限性，不能客觀地反映學生對專業知識的掌握，學生出現差錯，教師也很難及時并準確地發現出現問題的環節所在，糾正起來更加困難，極大地影響了實驗教學效果。在虛擬仿真實驗平臺上，系統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果，方便教師實時進行跟蹤分析，及時發現問題，并科學地針對問題原因進行實時輔導，及時糾正。在結果評價體系上，則應并建立起實驗全程的評價體系，科學地評價學生掌握相關知識的水平。

3.適時鏈接實景錄像，提升課堂學習效果

虛擬實驗環境的一大弱點是缺乏真實感，為彌補這一缺憾，應在教學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境的真實感，又可以激發學生學習的興趣，提升訓練效果。

四、結束語

基于信息技術、計算機技術、多媒體技術的模具專業虛擬仿真實驗平臺，營造了一個虛擬但“真實”的模具專業實驗環境，可實現課堂教學與實驗室訓練在空間與時間上的統一。與傳統實驗模式相比，更有利于挖掘實驗教學的潛能，促進了綜合性、設計性、創新性、障礙性實驗的開設，從而促進了學生創新意識和創新能力的培養。同時解決實驗經費不足和模具模型元件損耗的問題，加快了實驗室的發展和實驗教學改革，方便了計算機輔助教學的開展，促進了教育觀念的改變。

[1]陳萍，周會超，周虛.構建虛擬仿真實驗平臺探索創新人才培養模式[J].實驗技術與管理，2011（28）3.

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

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

[注]：哈爾濱理工大學教學研究課題資助C200800147。

（編輯 王旸）

（作者單位：李超，李彩霞，哈爾濱理工大學材料科學與工程學院；劉月群，哈爾濱華夏計算機職業技術學院計算機應用系）