機械制造教學實訓仿真系統的構建

楊志偉

摘 要：為了解決高校在應用型人才培養過程中實訓條件嚴重不足的狀況，近幾年基于計算機提出了運用虛擬仿真和知識工程的原理與技術，在UGNX平臺上開發與建立機械制造教學實訓仿真系統的綜合性實踐教學模式。

關鍵詞：仿真；虛擬制造；教學實訓；構建主義

隨著社會的發展，傳統的教育理念已無法滿足企業對應用型人才的大力需求。因此新的教學模式與理念的提出迫在眉睫，而構建主義學習理念（Constructivism）的提出正好填補了這一空白。建構主義是把情景化與知識的應用性結合起來，利用計算機技術，對現實工廠進行仿真，在仿真的環境中學生通過與計算機的互交而學習。其主張情景化教學，只有在合適的情境中才能充分發揮作用。根據機械設計制造及其自動化專業對人才的培養目標和知識結構要求，基于機械制造專業課程的特點和應用型人才的培養模式，結合實踐教學經驗，通過教學設計把建構主義的教學理論與體驗式教學模式以及機械制造實踐要求結合起來，利用SiemensNX三維建模與仿真功能模塊建立機械制造教學實訓系統。借助于計算機的便利，將建構主義的學習理念和教學理論變成可操作的教學環節，使教、學、練相結合，最終達到教學目標。

一、仿真系統及構建主義教學理念的介紹

機械制造教學實訓仿真系統是基于計算機技術，結合機械專業課程特點和構建主義教學理念而開發的虛擬仿真平臺，可以通過與該平臺的交互給學生一種真實場景的感覺。通過計算機仿真系統進行培訓有它的優勢，比如在保證迅速提高學生素質的同時，還能保障學員的安全和節約教學成本。把仿真系統教學推廣到各大院校中，已是大勢所趨。

傳統的教學是教師如何教學生就如何學，其中老師是主體，而建構主義主張的教學是圍繞學生如何學而進行，教師只是組織者，其中學生是主體。建構主義提倡情景化教學（situated instruction），教學應當與現實結合起來，盡量選擇具有真實性、可體驗性的學習內容。在情景化教學中，教師首先設計好情景，然后學生在此情景下自主研究、學習并且實踐。在豐富的情景化教學環境中，學生有足夠的自我建構知識的空間，建構出新的知識。只有這樣才能更好地處理教與學的關系，同時也可以調動學生的學習積極性。

二、機械制造教學實訓仿真系統的設計方案

基于建構主義的機械制造教學實訓仿真系統的教學設計主要由目標分析、情境設計、資源設計、功能模塊設計和效果評價五部分組成。

1.目標分析

隨著經濟的飛速發展，企業特別是中小型企業開始越來越傾向于對應用型技術人才的招聘。然而由于各大院校的人才培養與社會需求的脫節，尤其是因為資金短缺等帶來的實驗室投入不足、實訓基地建設落后等問題使學生參加工程實訓的機會顯得非常少。為了解決這種大學培養的人才跟企業需要的人才不匹配的現象，實踐性教學顯得尤其重要。

2.情境設計

在情境中學習，設計的情境要能使學生產生強烈的學習動機，同時有助于學生自主學習。這種情境必須要與學習內容相融合，以便達到建構知識意義的目的。在基于建構主義的機械制造教學實訓仿真系統的設計中，利用UGNX，CAM，CAD，CAE等計算機輔助技術，構建工廠環境和工藝流程，集成加工工藝資源，將學生完全帶入工廠的制造情境中進行學習。讓學生在已有知識基礎上不斷地通過信息資源庫中的知識解決新出現的問題，從而在實踐中自主、愉悅地獲得新知識，與此同時學生有種身臨其境的感覺。

3.資源設計

在如今這個信息爆炸的時代，有效的信息資源對于解決問題十分重要，豐富的學習資源是建構主義學習的一個必不可少的條件。因此，首先要建立基于建構主義仿真系統的信息資源庫，將現有的技術手冊、工藝資料、標準規范等集成在系統中。

4.模塊設計

為了讓學生能夠通過人機界面對機械加工及其工藝有所了解，機械制造仿真教學系統可以劃分為四大模塊：虛擬工廠模塊是為了給學生創造一個機械設計或者模具制造這樣一個工廠環境，讓學生有種身臨其境的感覺；虛擬裝配模塊是為了讓學生對機床等進行簡單的裝配；虛擬制造模塊是基于虛擬工廠模塊，在其中實現對產品的設計、加工、裝配和調試；過程評價模塊是對學生的設計和操作進行評價，客觀地反映學生在實訓中存在的問題和仿真系統的Bug，以便完善系統和學生技能的提高。

5.效果評價

這里的評價指學生的自我評價以及系統對其學習效果的整體性評價。學生在仿真系統中通過對類似實物的操作，對其進行虛擬的加工制造，從而獲得身臨其境的感受和體會，同時也可以從任何角度觀察產品。這種反饋調節模式能夠及時反映學生學習中存在的問題和教學中的不足，了解不足的同時采取有效的調整措施，以此提高學習效率。

三、仿真系統的實現

首先構建機床。即利用Siemens NX的建模功能和3DMAX 立體軟件對圖片、模型的渲染構造一些常用的機床庫供學生進行裝配；其次在機床的各個零部件上附帶與該零件相關的信息，以便學生看到這些零部件的時候可以瀏覽以及進行一些拆裝練習。接著構建常用的夾具庫，系統提供典型零件以及相應的夾具，由學生根據設計的零件的工序選擇夾具類型和選擇系統中可編輯修改的夾具零部件進行夾具裝配，形成的裝配結構由虛擬系統根據預先設定的夾具設計原則進行檢查，發現問題及時反饋給學生，以便修改；然后建立常用刀具庫，通過切削仿真試驗讓學生了解刀具幾何角度對切削性能的影響，通過切削數據庫的構建讓學生能在規范要求的范圍內合理選擇刀具和切削用量，合理選擇刀具材料，合理選擇刀具幾何角度，在加工過程的模擬仿真中反映刀具與切削用量的匹配關系；接下來建立典型零件（軸類零件、盤類零件、箱體類零件）的加工工藝過程交互式設計模塊，在該模塊中利用向導模式引導學生對典型零件進行工藝分析、毛坯的選擇、加工時定位基準的選擇、加工工藝路線的安排、各工序余量尺寸及公差的確定，來完成典型零件的工藝分析及工藝設計過程。在每一個過程中利用基于知識的評價模塊對學生的操作進行評價并指出操作過程中存在的錯誤和改進方法，并對加工過程中影響加工精度和表面質量影響的工藝因素進行分析。

四、結論

仿真實訓軟件作為對機械工程類教學改革的實踐，通過采用互聯網技術，將有關設備真實地展現在學生面前，由于仿真系統中的設備是“虛擬”出來的，因此最大程度地節約了學校的教學成本。采用現代仿真技術，學生可在計算機上身臨其境地完成對零件的加工操作，具有較強的直觀性和操作性，從感性的角度培養學生的實踐操作能力和分析解決問題的能力，提高學生的綜合素質。作為一個仿真軟件，其優勢在于學生可以在沒有產品質量和安全生產的顧慮下創造和實踐。但無法真正代替實際的操作實訓，仿真系統只能作為縮短實習時間，提高實習效率的一種輔助手段。仿真系統的開發難度較大，機械工程涉及的知識也很廣，因此，仿真系統不可能靠一個人開發與完善，它需要市場的支持。本文只是結合一些理論知識，對其進行簡單的理念構建，接下來還需要更多的嘗試。

參考文獻：

孫俊蘭，趙健，劉德仿.機械制造教學實訓仿真系統的構建[J].鹽城工學院學報：社會科學版，2012.