材料成型及控制工程專業(yè)虛擬仿真實驗室的建設(shè)與實踐

鄭 超, 宋立彬, 王新洪, 欒貽國, 趙國群

(1. 山東大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 濟南 250061； 2. 山東大學(xué) 材料液固結(jié)構(gòu)演變與加工教育部重點實驗室, 山東 濟南 250061)

在材料成型及控制工程專業(yè)培養(yǎng)過程中,實驗教學(xué)占有較高的比重,是實現(xiàn)專業(yè)培養(yǎng)目標必不可少的內(nèi)容。然而,該專業(yè)相當一部分實驗項目具有高危、高成本、高消耗等特點,實際操作難度較大,嚴重制約了實驗教學(xué)效果,導(dǎo)致學(xué)生能力和素質(zhì)的培養(yǎng)不足,已經(jīng)成為專業(yè)實驗教學(xué)中的普遍共性問題[1-3]。多媒體、計算機、網(wǎng)絡(luò)和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的迅速發(fā)展和普及應(yīng)用,促進了高等教育教學(xué)的深層次變革和多元化發(fā)展,也為實驗教學(xué)的信息化帶來了契機和挑戰(zhàn)[4-5]。山東大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)結(jié)合當前高校實驗教學(xué)新變化,著力推動信息技術(shù)與實驗教學(xué)的緊密融合,建設(shè)了一批虛擬仿真實驗教學(xué)項目。本文以塑性成形與模具技術(shù)方向為例,介紹了山東大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)近年來在虛擬仿真實驗室建設(shè)方面的一些探索,以及在本科實驗教學(xué)方面的應(yīng)用效果與經(jīng)驗。

1 虛擬仿真實驗室建設(shè)的必要性和可行性

1.1 現(xiàn)階段真實實驗教學(xué)存在的問題

材料成型及控制工程是實踐性很強的專業(yè),實踐能力培養(yǎng)在本專業(yè)教學(xué)中具有非常重要的地位。該專業(yè)傳統(tǒng)的實驗教學(xué)以真實實驗為主,即學(xué)生使用實驗試樣,操作儀器設(shè)備,按照實驗教學(xué)大綱要求在實驗室完成實驗,隨后對實驗結(jié)果進行分析處理,最終完成并上交實驗報告。通過分析國內(nèi)高校同類專業(yè)的實驗教學(xué)現(xiàn)狀[6-8],結(jié)合我校材料成型專業(yè)實驗教學(xué)實踐,發(fā)現(xiàn)真實實驗教學(xué)存在一些共性問題,如：

(1) 材料成型相關(guān)的實驗儀器設(shè)備昂貴,占用空間大,數(shù)量和種類少,學(xué)生學(xué)習(xí)和使用設(shè)備時間少。以塑性成形與模具技術(shù)方向為例,目前實驗室已經(jīng)擁有了加工中心、機械壓力機、液壓機、線切割機床、注塑機、萬能材料試驗機等教學(xué)儀器設(shè)備,但由于價格較高(一般>10萬元/臺),普遍數(shù)量很少(大部分設(shè)備只有1臺)。與此形成對比的是實驗課時相對較少,每名學(xué)生在開展實驗時實際的上機操作時間很短,且在實驗前需要花費大量時間用于儀器設(shè)備操作規(guī)程與安全注意事項的講解,導(dǎo)致動手能力的訓(xùn)練不夠。

(2) 材料成型類的實驗材料種類和規(guī)格多、消耗大,實驗過程中設(shè)備能耗高,實驗總體成本很高。以開式?jīng)_孔和環(huán)形件模鍛為例,每組學(xué)生均需要3個尺寸不等的鉛質(zhì)試件,而鉛試件的加工制備工序多、難度大,且有一定的污染性,外協(xié)加工時價格較高。在專業(yè)綜合實驗中,設(shè)有模具制造教學(xué)環(huán)節(jié),如果對每名學(xué)生設(shè)計的產(chǎn)品均采用實際加工制造方法開展教學(xué),則加工周期長、原材料需求大,以現(xiàn)有的實驗教學(xué)課時無法滿足教學(xué)要求。

(3) “機械熱加工”的專業(yè)特點使實驗帶有高危險性,并導(dǎo)致一些實驗項目暫時無法開設(shè)。如在部分高溫實驗中,為安全起見采取鉛質(zhì)試件代替鋼試件的加熱環(huán)節(jié),但這樣卻使學(xué)生無法直觀了解和準確掌握材料成型過程中的加熱實踐知識。此外,剪板機、機械壓力機、液壓機等設(shè)備均具有一定的危險性,由于學(xué)生對設(shè)備不熟悉,缺乏敬畏心,即便在室溫條件下開展實驗,仍可能在一定程度上威脅到學(xué)生的人身安全。一旦因?qū)W生誤操作導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障,設(shè)備維修和調(diào)試的周期長、費用高,因此部分設(shè)備存在不讓用、不敢用、用不起等現(xiàn)實問題,最終導(dǎo)致學(xué)生不會用。

1.2 虛擬仿真實驗室建設(shè)的重要意義

著名機械工程專家楊叔子院士曾指出先進制造方法的發(fā)展趨勢,即“數(shù)”“自”“集”“網(wǎng)”“智”。而虛擬仿真技術(shù)是數(shù)字化和智能化設(shè)計、控制和制造中貫穿始終的必不可少的關(guān)鍵技術(shù)。近年來,以信息科學(xué)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為代表的現(xiàn)代科技滲透到社會經(jīng)濟生活的各個領(lǐng)域,虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫等信息化技術(shù)蓬勃發(fā)展和日趨成熟,為材料成型及控制工程專業(yè)實驗教學(xué)的提質(zhì)增效帶來新的機遇。《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》中把“加快教育信息化進程”單獨作為一部分進行了專門闡述[9]。教育部也加強了對高校實驗教學(xué)工作和實驗教學(xué)信息化工作的宏觀指導(dǎo),制定了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》,明確了發(fā)展規(guī)劃及目標,即推動信息技術(shù)與高等教育深度融合,創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式[10]。教育部《關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》也明確提出,要強化實踐育人環(huán)節(jié),提升實驗教學(xué)水平[11]。特別是在2013年,教育部《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》拉開了虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)的序幕,在高校掀起了虛擬仿真實驗資源和教學(xué)中心建設(shè)的熱潮[12-14]。

綜上可見,構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象,發(fā)展和實現(xiàn)實驗教學(xué)的信息化,既是國家對我國高等教育事業(yè)發(fā)展提出的新要求,也是專業(yè)實驗教學(xué)模式深入改革的必然途徑。通過開發(fā)高水平虛擬仿真實驗教學(xué)平臺,形成以真實實驗和虛擬仿真實驗有機結(jié)合為特征的完整的專業(yè)實驗教學(xué)體系,有望提升本專業(yè)實驗教學(xué)的深度和廣度,拓展實驗教學(xué)的空間和時間,增強學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、工程實踐能力和創(chuàng)新意識,從而適應(yīng)國家、社會對本專業(yè)人才的高素質(zhì)復(fù)合型要求。因此,結(jié)合材料成型及控制工程專業(yè)培養(yǎng)目標和教學(xué)大綱的要求,積極發(fā)展可靠、經(jīng)濟、安全、內(nèi)容豐富、受益面廣的虛擬仿真實驗教學(xué)模式,形成虛擬仿真實驗與真實實驗相結(jié)合的實驗教學(xué)模式,能夠有效克服真實實驗環(huán)境中的諸多限制,有效激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性,具有重要的現(xiàn)實意義。

1.3 虛擬仿真實驗室建設(shè)的可行性

我校材料成型及控制工程專業(yè)是國家級高等學(xué)校特色專業(yè)、“卓越工程師教育培養(yǎng)試點”專業(yè)、教育部“專業(yè)綜合改革試點”專業(yè),也是學(xué)校國際化建設(shè)專業(yè)。擁有材料液固結(jié)構(gòu)演變與加工教育部重點實驗室、山東省塑性成形仿真與模具工程技術(shù)研究中心及山東省現(xiàn)代焊接工程技術(shù)研究中心等科研平臺。擁有教師61人,其中教授(級)27人,副教授(級)24人,講師(級)10人。專任教師絕大多數(shù)有博士學(xué)位，有企業(yè)工程經(jīng)歷、有國際焊接工程師證書或參與企業(yè)研發(fā)經(jīng)歷。本專業(yè)實驗室是山東省實驗教學(xué)示范中心——材料科學(xué)與工程省級實驗教學(xué)示范中心的重要組成部分,實驗室面積達3 000多m2,現(xiàn)有儀器設(shè)備1 000多臺套,價值4 200多萬元。上述基礎(chǔ)條件為實現(xiàn)學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合、開展虛擬仿真實驗室建設(shè)提供了有力支撐和條件保障。

2 虛擬仿真實驗室建設(shè)概況

2.1 虛擬仿真實驗室的建設(shè)思路

結(jié)合材料成型及控制工程專業(yè)培養(yǎng)目標和材料科學(xué)與工程學(xué)科發(fā)展方向,堅持“科學(xué)規(guī)劃、突出重點、提高效益、持續(xù)發(fā)展”的指導(dǎo)思想,以“虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛”為基本原則,以共享優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源為核心,以建設(shè)信息化實驗教學(xué)資源為重點,以實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能為建設(shè)任務(wù),涵蓋鍛壓、焊接、鑄造三大專業(yè)培養(yǎng)方向,建立材料成型及控制工程虛擬仿真實驗室,形成虛擬仿真實驗與真實實驗相結(jié)合的教學(xué)模式,從而滿足本科教學(xué)大綱要求,實現(xiàn)專業(yè)培養(yǎng)目標。

由于本專業(yè)培養(yǎng)方向多、信息量大、涉及面廣,在虛擬仿真實驗室建設(shè)過程中,確立了分專業(yè)方向、分期重點建設(shè)的思路。以學(xué)生培養(yǎng)需求為中心,選擇真實實驗問題突出、建設(shè)要求迫切、教學(xué)資源基礎(chǔ)較好的實驗項目予以優(yōu)先建設(shè)。每建設(shè)一批項目,及時地將該部分內(nèi)容應(yīng)用于本科實驗教學(xué)中。通過教學(xué)實踐和學(xué)生反饋,總結(jié)教學(xué)過程中存在的問題及需進一步完善的功能,從而對已建設(shè)的虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容進行持續(xù)改進,最大程度提升實驗教學(xué)效果。

2.2 虛擬仿真實驗室的建設(shè)內(nèi)容

材料成型及控制工程專業(yè)塑性成形與模具技術(shù)方向聯(lián)合山東山大華天軟件有限公司,先后建立了模具虛擬裝配和模具虛擬制造兩個較為成熟的虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)。教學(xué)系統(tǒng)由前臺部分和后臺部分組成。前臺部分包括實驗性質(zhì)與目的、實驗原理、實驗儀器與設(shè)備、實驗材料、實驗場景分布、實驗操作圖片或視頻、虛擬交互實驗操作、實驗考核、實驗報告等內(nèi)容；后臺部分包括教學(xué)班級與學(xué)生管理、實驗項目與內(nèi)容管理、實驗成績管理、實驗報告評閱與管理等內(nèi)容。

2.2.1 模具虛擬裝配實驗教學(xué)系統(tǒng)

結(jié)合專業(yè)教學(xué)與企業(yè)設(shè)計開發(fā)經(jīng)驗,先后建設(shè)了包括單工序模、復(fù)合模、級進模和汽車覆蓋件模具等多種模具的虛擬裝配實驗項目。借助該系統(tǒng),學(xué)生能夠應(yīng)用三維交互技術(shù)模擬典型沖壓模具的拆卸與安裝過程。此外,學(xué)生還可以導(dǎo)入自己設(shè)計的模具零件三維數(shù)模,手動安裝與拆卸零件,從而不斷豐富虛擬仿真教學(xué)資源,實現(xiàn)該虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的持續(xù)完善。每個實驗項目均按照實驗預(yù)習(xí)、實驗學(xué)習(xí)、實驗練習(xí)、實驗考核流程進行,并最終完成和提交實驗報告。圖1所示為模具虛擬裝配實驗教學(xué)系統(tǒng)的操作界面。

下面以實驗學(xué)習(xí)和實驗練習(xí)環(huán)節(jié)為例,說明該虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的功能。在實驗學(xué)習(xí)環(huán)節(jié),系統(tǒng)提供了沖模零件(包括工作零件、定位零件、壓料/推件/卸料零件、導(dǎo)向零件、固定零件、緊固零件等)基本信息。每類零件用二維圖、三維圖或?qū)嵨飯D展示,通過文字或圖片方式說明每類零件的功能、常用材料、設(shè)計方法和選用原則。應(yīng)用內(nèi)置的華天軟件自主研發(fā)的SView瀏覽器展現(xiàn)模具結(jié)構(gòu),可以進行平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等視圖操作,支持零件移動、旋轉(zhuǎn)、刪除等功能。在實驗練習(xí)環(huán)節(jié),通過錄制拆裝動畫、提供提示信息等生動形象的方法方式來指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)與進行模具拆裝。學(xué)生按照預(yù)設(shè)的拆裝步驟手動依次拆卸或安裝每個零件,拆裝練習(xí)過程不受時間限制。通過反復(fù)練習(xí),達到熟悉模具結(jié)構(gòu)、熟知零件功能、熟練拆裝操作的教學(xué)目的。圖2和圖3分別展示了模具虛擬裝配實驗教學(xué)系統(tǒng)的實驗學(xué)習(xí)和實驗練習(xí)環(huán)節(jié)。

圖2 模具虛擬裝配實驗學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)

圖3 模具虛擬裝配實驗練習(xí)環(huán)節(jié)

2.2.2 模具虛擬制造實驗教學(xué)系統(tǒng)

該教學(xué)系統(tǒng)采用山東山大華天軟件有限公司開發(fā)的三維機加工藝設(shè)計系統(tǒng)SVMAN-M軟件。借助于該軟件,教師可以建立三維機加工藝樣例,學(xué)生可以學(xué)習(xí)、練習(xí)零件的機加工藝過程。該軟件主要包括工藝項目、特征提取、毛坯設(shè)計、工藝設(shè)計4個功能模塊。工藝項目主要用來進行零件的導(dǎo)入與屬性維護、工藝模型的打開與存儲。特征提取是指分析哪些面是加工面,并對這些加工面進行加工方法的選擇設(shè)計。在完成加工方法鏈的設(shè)計之后,根據(jù)被加工特征的余量進行毛坯模型的形狀和尺寸設(shè)計；毛坯類型支持棒料、方料、鑄鍛件快速創(chuàng)建,另外也支持外部毛坯模型的導(dǎo)入。工藝設(shè)計是安排加工順序,設(shè)計工藝過程,確定各工序工步的詳細加工工藝參數(shù)。

以下模座虛擬制造為例說明模具虛擬制造實驗教學(xué)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)功能。學(xué)生首先導(dǎo)入下模座零件三維數(shù)模,借助“零件屬性”可以查看零件的管理信息、生產(chǎn)信息、工藝信息等。在加工特征學(xué)習(xí)環(huán)節(jié),學(xué)生學(xué)習(xí)查看下模座的哪些特征為加工特征,哪些特征為非加工特征,從而對零件的加工需求有較為全面的了解,為后續(xù)加工方法鏈的選擇設(shè)計和工藝過程的設(shè)計提供基礎(chǔ)。在加工方法鏈學(xué)習(xí)環(huán)節(jié),學(xué)生根據(jù)下模座圖紙的技術(shù)要求,如形位公差、尺寸公差、表面粗糙度及其他技術(shù)要求等,對照學(xué)習(xí)加工方法的選擇設(shè)計。在毛坯設(shè)計學(xué)習(xí)環(huán)節(jié),學(xué)習(xí)各種毛坯的導(dǎo)入和創(chuàng)建方法,以及對設(shè)計的毛坯進行相關(guān)編輯操作。在工藝過程學(xué)習(xí)環(huán)節(jié),學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)下模座零件從毛坯到成品的制造全過程,通過交互式工藝設(shè)計過程詳細了解各機加工工步的工藝參數(shù)快速設(shè)計、編輯與修改方法,從而熟悉模具零件的制造過程。圖4所示為下模座虛擬制造的工藝過程學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。

圖4 下模座虛擬制造的工藝過程學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)

2.2.3 實驗教務(wù)管理

材料成型虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)還具備實驗教務(wù)管理功能,如添加和管理教師、學(xué)生信息；通過用戶、角色、組三層結(jié)構(gòu)定義和維護組織結(jié)構(gòu)；采用規(guī)則授權(quán),可以對不同的組織、角色、用戶、數(shù)據(jù)狀態(tài)、數(shù)據(jù)類型等設(shè)置不同權(quán)限,從而建立完善的權(quán)限管理；教師可以查詢和批閱每個學(xué)生的實驗報告,并能夠按照學(xué)號進行排序及導(dǎo)出實驗報告；教師可以按照學(xué)號、姓名、成績分數(shù)進行排序,查看所有學(xué)生的實驗成績,對成績進行平均分計算統(tǒng)計,并能夠以Excel表格導(dǎo)出成績等。

2.3 虛擬仿真實驗室的建設(shè)成效

模具虛擬裝配和模具虛擬制造兩個虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)建立后,已連續(xù)在三屆材料成型及控制工程專業(yè)卓越工程師試驗班和模具班使用,從教學(xué)過程和課后學(xué)生反饋來看,取得了很好的教學(xué)效果。在實驗報告中,要求學(xué)生單獨列出一節(jié),說明自己參與實驗的體會及對于實驗課程的建議。通過匯總發(fā)現(xiàn),學(xué)生對虛擬仿真實驗室教學(xué)的認可度較高,對于這一種新的教學(xué)模式充滿興趣,主動參與積極性明顯提升。學(xué)生普遍認為,虛擬仿真實驗教學(xué)的開展提供了更多的實驗時間和操作機會,對于實驗項目內(nèi)容的理解更加深入,對相關(guān)知識點的掌握更為牢固。另外,通過預(yù)先開展虛擬仿真實驗,再到實驗室進行真實實驗,學(xué)生能夠更加清楚自己需要做什么、怎么做、為什么做,遇到問題時能夠通過個人思考、小組討論等方式嘗試解決,鍛煉了分析問題和解決問題的能力。顯然,實行虛擬仿真實驗與真實實驗相結(jié)合的實驗教學(xué)模式,能夠有效克服真實實驗教學(xué)中的諸多局限,更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)知識的興趣,實驗過程效率高,教學(xué)效果極為顯著。

本專業(yè)多年的教學(xué)實踐表明,采用虛擬仿真實驗教學(xué)能夠很好地彌補現(xiàn)有真實實驗的不足,實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能,使一些之前做不了、做不上、做不好的實驗項目能夠順利開設(shè),彌補并提升了真實實驗的教學(xué)效果,且在一定程度上延伸了課堂理論教學(xué)的功能。通過虛擬仿真實驗室的教學(xué)實踐,進一步總結(jié)了在材料成型及控制工程專業(yè)實驗教學(xué)中采用虛擬仿真實驗教學(xué)的優(yōu)勢,如表1所示。

2.4 虛擬仿真實驗室建設(shè)的持續(xù)改進

虛擬仿真實驗教學(xué)的開展,充分發(fā)揮了信息技術(shù)在高等教育教學(xué)中的作用,為高校實驗教學(xué)注入了生機和活力。然而,在教學(xué)實踐過程中發(fā)現(xiàn),作為一種新的教學(xué)模式,虛擬仿真實驗教學(xué)仍存在一些問題,亟需在建設(shè)和發(fā)展過程中予以重視和解決：

表1 材料成型及控制工程專業(yè)實驗教學(xué)中采用虛擬

(1) 在真實實驗過程中,教師與學(xué)生始終在一起,能夠?qū)崟r觀察和評價學(xué)生的實驗過程,這為學(xué)生思想上重視實驗、順利完成實驗提供了保障。而在虛擬仿真實驗教學(xué)過程中,由于學(xué)生可以隨時隨地實驗,師生可以線上進行交流,因此教師與學(xué)生并不一定在一起。此時,如何確保學(xué)生有足夠的實驗投入時間,如何監(jiān)控實驗過程,如何對虛擬教學(xué)結(jié)果進行恰當評價等,成為制約實驗效果的重要因素。

(2) 目前我校材料成型及控制工程專業(yè)的虛擬仿真實驗教學(xué)主要在大四上學(xué)期開展,此時正逢學(xué)生找工作、準備考研的關(guān)鍵時期,不可避免地存在時間上的沖突。如何在滿足教學(xué)大綱要求、實現(xiàn)實驗教學(xué)效果的前提下,探索更為靈活高效的虛擬仿真實驗教學(xué)方式方法,設(shè)計更具吸引力的虛擬仿真實驗教學(xué)教案,形成更為合理的虛實結(jié)合、虛實互補的教學(xué)方案,是虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)面臨的重要課題。

(3) 2017年開始,教育部啟動了虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作,針對虛擬仿真實驗教學(xué)提出了新要求和新標準。特別指出需高度重視項目的開放共享,搭建具有開放性、擴展性、兼容性和前瞻性的虛擬仿真實驗教學(xué)項目運行平臺,滿足不同區(qū)域、不同層次、不同類型學(xué)生開展實驗的需求。因此,以新時期虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)為契機,改進和完善已有的虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容,以開放共享為目標積極推動實驗教學(xué)項目的在線可持續(xù)運行,是實驗教學(xué)人員必須高度重視和著力落實的一項工作。

3 結(jié)語

材料成型及控制工程專業(yè)虛擬仿真實驗室的建設(shè),使學(xué)生能夠在虛擬環(huán)境中開展實驗,教師能夠在虛擬環(huán)境中管理實驗,達到了優(yōu)化教育資源、有效提高教學(xué)質(zhì)量的目的,實現(xiàn)了信息技術(shù)和實驗教學(xué)的有機融合。材料成型及控制工程專業(yè)實驗室將進一步強化虛擬仿真實驗室的建設(shè),豐富已有的兩個虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)涵,積極開發(fā)新的虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng),涵蓋更廣泛的專業(yè)內(nèi)容,面向更多學(xué)生開放,將虛擬仿真實驗室建設(shè)和發(fā)展成為高素質(zhì)、創(chuàng)新型材料科學(xué)人才培養(yǎng)的重要平臺。