“材料成型機械設備”課程虛擬實踐教學應用研究

高彩茹 丁樺 張福波 王皓天

摘 要 介紹了東北大學材料成型與控制工程專業人才培養目標及實踐教學環節與培養目標達成的關系，項目組專業教師為實踐教學環節的改革開展的“軋機仿真互動式安裝軟件”開發工作及實踐教學形式改革的嘗試；總結了“軋機仿真互動式安裝軟件”開發及應用效果；指出軋機裝配虛擬實踐教學改革對冶金類高校專業課教學改革具有示范作用。

關鍵詞 材料成型機械設備 仿真互動式教學軟件 虛擬實踐教學 能力培養

東北大學制定的材料成型與控制工程專業制定的人才培養目標為：（1）具有工程科學基礎、工程專業技術及管理等知識。（2）能承擔材料成形領域的設計、研發及工程管理工作，并能進行技術創新或管理機制創新。（3）具備管理工作團隊及協調項目的能力，能組織制定項目計劃并有效實施。（4）具有較強的社會責任感、良好的職業道德和人文素養。（5）能主動適應科學技術的發展，掌握新興技術，具有可持續發展理念和國際視野。

對于以上目標的達成，實踐教學環節占據十分重要的地位。實踐教學有助于提高學生的感性認識，提高理論學習的效果，同時也提高學生動手能力與創新能力。[1]

學校相關部門采取相應的措施積極為學生提供實踐教學平臺與機會。除了教務部門為學生設置實踐教學環節如金工實習、認識實習、生產實習，課程設計外，其它部門如學校或學院等還發起“節能減排大賽”、“工藝流程大賽”、“大學生創新創業訓練計劃”、“永冠杯全國鑄造大賽”、“大學生挑戰杯”等活動，吸引學生參與來擴展學生的視野同時提高學生的實踐與創新能力。

作為專業課教師，本項目課題組也一直在尋求用自己的方式、從自己的角度，結合教師從事教學、科研工作為學生實踐增加機會，提供平臺。

2014年度遼寧省普通高等教育本科教學改革研究項目“材料成形類專業互動式實踐教學系統的研發與應用”獲批（項目編號UPRP20140714）。課題組決定從材料成型機械設備入手首先開展仿真互動式教學軟件的開發及材料成型機械設備實驗課內容的改革。

軋鋼機械屬于重裝備，全部的軋機裝配在投產前就已完成。一旦投入使用就不會經常進行整體拆裝。只有在企業大修時才能夠將部分易損零部件拆卸下進行維修或更換。因而學生即使參加認識實習和生產實習也只能看到其正常生產狀態，鮮有機會親見安裝過程。[2-3]開發一個能夠進行虛擬安裝并且具有人機交互功能軋機安裝軟件并應用于教學實踐，對于提高專業課教學效果、提高學生各方面能力意義十分重大。[4-7]

項目實施分兩個階段實施：（1）軟件開發。（2）軟件應用。

1 軟件的開發

2014年11月至2016年3月為“軋機交互式仿真裝配”軟件的開發階段。2016年4月軟件正式進行壓力測試及驗收。軟件完全根據某鋼鐵企業研究院實驗軋機圖紙按照1：1的關系創建零件三維圖。零件組裝順序完全按照實際安裝順序進行，部件總裝順序也是嚴格按照實際安裝順序進行。零件形狀尺寸真實，安裝順序真實。軟件仿真度高。

所開發軟件具有多模式學習、知識庫學習、零件庫零件隨機擺放和安裝部件閃爍提示、安裝錯誤提示和人機交互等多種功能，為學生上機操作提供許多便利。

學習、組裝和考核三種模式可以讓學生分三個步驟進行學習、訓練。 [8]進入學習模式中，可以通過知識庫的學習認識零部件的形狀、作用、安裝部位、安裝方法；進入組裝模式中可以訓練與現場安裝步驟相同的組裝、部裝、總裝過程，同時能夠了解各組件、部件的相互位置關系；考核模式中，零件庫中零件隨機擺放，學生須根據自己對于軋機零部件及裝配順序的熟悉程度，從打亂順序的零件庫中找到零件，按照與組裝模式中相同的順序進行組裝、部裝和總裝。總裝結束后畫面上給出時間記錄。

通過鼠標的點擊和拖曳，學生可以完成軋機的零部件組裝-部裝-總裝過程。通過鼠標的上下左右移動改變軋機的位置；通過滾輪對零部件進行旋轉放大及縮小；通過對滾輪壓按拖動實現360八嬉庾性鄄臁R隕喜僮髂芄淮锏皆諫殖∈萇踩拗萍俺〉叵拗貧荒蓯迪值墓鄄煨ЧH砑緱婷攔邸⒂押茫僮骷虻ァ？

軟件不但能夠通過局域網允許100名學生同時進行學習和安裝操作，還可以應用單機版進行課堂演示。軟件的各種功能及方便性完全可以滿足在虛擬實驗室開展虛擬軋機安裝的實踐教學需求。

2 軟件應用及實驗課改革的實施

2016年5月至2017年3月為軟件的試用階段。在此階段中，教師于2016年5月第一次將軟件應用于課堂教學演示與部分學生課堂參與試安裝。通過教師的演示，學生看到軋機的外部形狀、內部構造，對于各部件之間的位置關系，安裝的合理順序有了較深入的了解。部分學生參與模擬組裝，也讓更多的學生產生了濃厚的學習興趣，參與意識大大增強。

在此期間內，還應部分學生的要求，讓學生應用自己的電腦在課余時間上機操作，仿真安裝。學生的學習熱情非常高漲。

2017年3月至2018年5月為“軋機交互式仿真裝配”軟件的正式應用階段。2016年，為實現實踐教學內容到形式的全面改革，對材料成型與控制工程專業“材料成型機械設備”教學大綱實驗課內容正式修改為軋機仿真交互安裝，并獲得東北大學教務部門批準。2017年3月，以東北大學網絡中心教室作為虛擬實驗室，以電腦終端虛擬實驗設備，將“軋機交互式仿真裝配”軟件首次投入實驗課應用，2014級約180名學生獨立操作電腦，完整地完成了一次軋制設備仿真安裝過程。受到了一次零部件知識與安裝過程的系統訓練；2018年5月，“軋機交互式仿真裝配”軟件第二次成功地應用于 “材料成型機械設備”實驗課，約180名2015級材料成型及控制工程專業學生應用此軟件進行了虛擬軋機安裝實驗。至此，“材料成型機械設備”實驗課完成了從教學內容到教學形式的全面改革。

3 應用情況及效果

3.1 課堂教學應用

“軋機交互式仿真裝配”實踐教學軟件在2016、2017、2018年連續三年的課堂教學中應用。教學中的演示安裝，激發了學生的學習興趣，提高了參與熱情。學生普遍反映對枯燥的設備有了生動的認識。

3.2 實驗課教學應用

2017年，2018年連續兩年在2014級、2015級材料成型與控制工程專業設備課實驗課教學中應用。已經有360人次左右應用了該軟件進行了仿真安裝。通過學生自己虛擬安裝操作，加深了對軋制設備零部件作用、結構等的認識。在2個學時的實驗課上，學生用1小時在學習模式和組裝模式下進行學習和訓練。用1小時在考核模式下組裝。實驗課現場調查表明，2014級有60%的學生在30min內完成了設備的組裝；2015級有80%的學生在50min內完成了設備的組裝。

2017年與2018年，分別在2014級與2015級學生實驗完成后，對參與實驗的學生進行了問卷調查，目的是調查采用虛擬實驗教學方法與互動式安裝軋機所達到了教學效果。發放調查問卷366份，回收351份。結果見表1。

調查問卷共設置7個問題。回收的351份調查問卷中顯示：348人認為“材料成型機械設備”實驗課采用“軋機交互式仿真裝配”方式合適，占有效調查人數的95.9%；348人認為通過交互式軟件進行軋機的模擬安裝能夠增強對軋機結構和零部件的認識，占有效調查人數的95.9%；323人認為在安裝過程中對知識庫進行了關注，占有效調查人數的92%；332人通過知識庫了解零（部）件的名稱和作用，占有效調查人數的94.6%；347人在考核模式安裝之前，首先在學習模式、組裝模式下進行了仿真安裝，占有效調查人數的98.9%。

在對“材料成型機械設備”實驗課采用“軋機交互式仿真裝配”方式的教學效果進行綜合評價環節，2015級有約96%的同學認為此次實驗課使得學生對軋機設備的認識更加充分，其中有近30%的同學提到此次實驗增加了對課程學習的興趣。

在個人對該實驗課的建議環節，2014級90%同學，2015級80%同學提出應該增加實驗課學時。

4 結語

綜合課堂教學效果及調查問卷結果，可以得出“‘材料成型機械設備課程虛擬實踐教學應用的研究”取得的教學效果顯著。

（1）解決了課堂教學中學生對軋機結構理解難的教學問題，提高了學生的感性認識和學習興趣。

（2）改變了學生觀摩設備時人員多，現場教學效果差，學生不能親自動手安裝的難題。

（3）對仿真安裝中對零部件作用及相互關系的理解可提高學生對設備的設計能力。

（4）此項虛擬式教學+交互式設備安裝實驗課教學改革在全國高校材料成型及控制工程專業尚屬首例，有引領行業高校專業課實踐教學改革的示范作用。

參考文獻

[1] 張華，倪紅衛，何環宇，等.冶金工程專業生產實習教學改革探索[J].中國冶金教育，2009（4）：58- 60.

[2] 高彩茹，丁樺，張福波，等.虛擬實踐教學軟件項目實施過程中的人才培養[J].中國冶金教育，2016（1）：33-34.

[3] 高彩茹，丁樺，張福波，等.虛擬實踐教學軟件的開發實踐與人才培養[J].科教導報，2016（5）：51-54.

[4] 王永攀.機械基礎虛擬實驗室構建方法的研究[D].長春：長春理工大學，2010.

[5] 沙玉英.機械基礎課程教學內容改革的探討與實踐[J].教育教學論壇，2015.4（15）：84-85.

[6] 朱喜青.基于EON的機械基礎虛擬實驗室的研究與實現[D].廣州：華南理工大學，2012.

[7] 于婷.機械虛擬實驗教學平臺的研究與實現[D].武漢：華中科技大學，2011.

[8] 高彩茹，丁樺，張福波，等.專業課教學引入“軋機交互式仿真裝配軟件”的實踐.科教導刊，2017（32）：113-114.