植物纖維增強塑料注塑成型虛擬仿真實驗建設*

李海梅，劉保臣，鄭學晶，翟 震，李 輝，李修敏，湯克勇

(鄭州大學 材料科學與工程學院，河南 鄭州 450001)

我校材料科學與工程專業涉及材料、設備、工藝、計算機應用、綠色制造、環境、管理等課程，是工學、理學和管理學的有機融合，使得專業課程設置相較其他傳統專業更為繁雜。如，工程類課程有工程制圖、機械設計、傳熱學與流體力學等；理學類課程有有機化學、物理化學、材料科學與基礎、高分子化學、高分子物理等；管理學類有材料產業管理工程、資源材料與可持續發展。其中高分子成型加工方向的課程有天然高分子材料、模具制造工藝學、塑料成型工藝學、塑料成型設備、塑料模具設計、塑料模具CAD/CAE等。傳統的課程設置，無法將多學科有機整合起來，使學生對高分子材料成型加工有一個整體的認識。為此，學院調整修訂了教學大綱，讓學習內容更系統。

現開設的《天然高分子材料》、《聚合物共混與改性》、《塑料成型工藝》、《塑料成型設備》、《塑料成型模具》、《塑料模具CAD/CAE基礎》等專業課程中，材料制備工藝繁雜[1]、注塑設備/模具制造成本高、場地需求大，制備周期長，受限于實驗性質，相關實驗多為演示性實驗[2]，學生難以直接參與整個實驗過程，制約了學生綜合能力的培養[3-4]。

為解決上述問題，通過整合鄭州大學相關實驗室的教學科研資源，在已有條件的基礎上，以天然植物纖維增強塑料為研究對象，融合現代信息技術，開展建設具有鄭州大學材料學院特色的植物纖維增強塑料復合成型虛擬仿真實驗教學項目。項目建設可有效地將傳統實驗教學過程中實驗運行困難、材料成本高、時間消耗長、高危險等真實實驗流程存在的問題，轉化為可操作、常規化、可視化的虛擬仿真實驗,實現學生解決復雜工程問題和合作能力的培養目標，以適應社會經濟快速發展對材料科學與工程，特別是材料加工方面人才培養的新要求。通過網絡共享的方式，虛擬仿真實驗可為提升材料科學與工程專業學生的專業素養和材料加工從業人員的職后再教育提供學習途徑，并具有示范作用。

1 虛擬實驗的建設內容

實驗以學生為中心，綜合運用3D建模、交互式虛擬現實、Web網絡和數據庫技術[5-6]，以真實場景的空間布局、設備為藍本，構建集生產環境、設備、工具等為一體的虛擬實驗。通過人機交互，學生既可在虛擬仿真實驗中體驗真實實驗相同的效果，又可觀看真實驗條件下無法體現的內部過程和現象。本虛擬仿真實驗充分考慮了技術和實驗內容的建設。

1.1 技術架構

為實現學生在電腦手機端能運行，植物纖維增強復合成型虛擬仿真實驗項目依托于開放式的虛擬仿真實驗教學平臺支撐，二者通過數據接口進行對接，共同組成一個功能完備的軟件系統，為用戶提供服務[7-8]。本虛擬實驗建設的技術架構如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實驗室的架構

技術架構由下到上分為數據層、業務層、展示層和前端層，每一層均為其上層提供服務，直到完成具體虛擬仿真實驗教學環境的構建。(1)前端，可使用不同終端設備進入實驗，主要支持瀏覽器、PC客戶端、移動終端。(2)展示層，主要基于業務層，用于展示和注塑成型相關的內容的展示和互動。通過渲染引擎完成內容的輸入輸出表現。(3)業務層，主要提供虛擬仿真實驗教學環境的通用支持組件，包括材料制備、模具動畫展示，注塑機參數設定操作，天然高分子材料、成型問題等內容展示，用戶可快速接入系統開展虛擬仿真實驗。(4)數據層，主要功能為上層提供各類虛擬場景、模型以及用戶數據，包括學生數據、操作記錄、考核記錄等內容，便于實現對相應數據的存放與管理，通過數據層實現與外部平臺的對接。(5)運行環境，以校內自建服務器完成網絡服務，以Unity引擎完成測試運行環境，用支持WebGL的瀏覽器作為虛擬實驗運行環境。虛擬實驗的數據庫基于Oracle，綜合應用3D仿真、二維動畫，及Unity3D，3D Studio Max，Zbrush等開發工具。為保證500人同時使用，服務器要求16核CPU、64GB內存、2GB顯存、500GB磁盤、操作系統 Windows Server。

1.2 實驗內容

根據“能實不虛”、“以虛補實”、“虛實結合”原則，結合培養目標、課程內容和生產實際，為使學生通過虛擬仿真實驗直觀認知植物纖維、復合材料制備、典型塑件的注射成型工藝過程和設備安裝、工作原理，通過交互操作、自主學習材料-工藝-質量關系，優化工藝方案，達到提高學生工程實踐和創新能力的目的[9-10]。

在真實實驗的基礎上，植物纖維注射成型虛擬實驗還原了生產場景及加工過程，采用遠程訪問，內容引導，自主完成的教學方法。虛擬實驗內容框架如圖2所示。學生借助網絡進入虛擬實驗、虛擬環境中，輔以文字、圖片、錄像、動畫、交互式界面等手段，使學生充分體驗整個實驗過程。在系統引導下，通過交互操作，按生產流程獨立實施實驗。學生可多次重復實驗，直至完全掌握整個實驗填寫實驗報告、完成自測題等教學環節。

實驗知識點學習：學生利用虛擬實驗項目提供的理論知識學習模塊，通過文字、圖片、聲音、視頻、動畫形式，完成植物纖維、復合塑料、注塑原理、注射機結構與操作、注射成型過程等實驗內容的自主學習。此過程既可作為實驗前的預習環節，也可作為實驗后進行理論知識的深化鞏固，每個內容有給定的知識點。

實驗場景及人物。虛擬環境中分別構建“工藝設計室”、“模具維護室”和“生產加工車間”，并設置“工藝工程師”、“模具維護工程師”和“加工操作員”三個虛擬人物。其中工藝設計場景主要完成工藝卡設計和成型質量檢查，模具維護主要完成模具的結構拆裝、型腔維護保養，塑料加工車間主要完成注塑生產過程。學生在三個場景內分別擔任工藝工程師、模具維護工程師和加工操作員角色。

圖2 虛擬實驗內容框架示意圖

工藝方案場景用于確定工藝方案。學生虛擬為工藝工程師，根據提供的材料、制品信息、三維模具和 缺陷認知手冊等，分析塑件的材料、結構和工藝要求，結合理論知識、工藝參數和模具結構，進行工藝條件設計和確定，并填寫工藝卡。

模具工作室，用于學生通過圖片、動畫、錄像等多媒體手段學習了解模具結構細節，模具裝配、模具安裝(吊裝)等知識點，確定模具結構，特別是澆注系統、溫控系統的結構。

塑件生產加工，學生虛擬為加工操作員。在完成學習安全生產知識、注塑機結構認知后，進入生產車間，按照設備檢查、原料干燥、模具安裝、參數輸入、注塑加工和清理等環節進行塑件的生產加工。該場景中，學生通過模擬操作，完成工藝參數的正確輸入，并在加工過程中可通過動畫了解注塑真實實驗無法觀測的儲料和注塑充填過程，及其不當工藝帶來的塑件缺陷。塑件試生產后，在工藝設計室進行成型質量檢查，結合數值模擬視頻，分析缺陷產生的原因，與指導教師進行交流、問題溝通，結論正確后方可進行方案修訂；正確了解成型缺陷產生原因和主導因素后，重新進行工藝參數設計、修改和生產加工，直至塑件生產合格。

虛擬實驗結合生產實際案例，使學生了解、熟悉、掌握注塑成型工藝過程、設備結構和設備操作的同時，要求學生能夠考慮環境和安全等因素，合理分析、評價專業工程實踐問題，著重培養學生的自我學習能力，調動學生的學習興趣和積極性，培養學生解決復雜工程問題的能力，提升學生創新意識[11-12]。

1.3 學習和考核要求

虛擬仿真實驗采用過程性評價方法，成績由考核和個人心得體會兩大部分組成。為實現對學生的實驗過程、實驗報告結果和實驗學習效果進行多層次的評價，考核方式如下：教師評價學生自主設計實驗報告結果(60分)、團隊同伴評價自主設計實驗過程(15分)和限時操作場景考核(15分)。學生撰寫提交個人心得體會，占比10分。

實驗報告結果共6條，分布在“材料及其制備”單元、“成型設備操作仿真”“制品或模具設計制作仿真”、“成型質量分析”各場景模塊，合計60分。團隊同伴評價是對同小組其他成員在實驗過程中參與度的評價(15分)。限時操作場景考核是對系統隨機分配單元操作的完成度和操作流程的正確性進行評價(15分)。心得體會至少包括“個人實操的仿真實驗內容收獲”(4分)、“團隊合作過程中的體驗”(3分)和“課程改進建議”(3分)三個方面，合計10分。

對于本虛擬仿真實驗項目的輻射單位，根據各單位實際情況，調整上述各評價項目及其分值權重，以更好地評估學生的學習態度、學習過程和學習結果。

2 虛擬仿真實驗功能示例

圖3 注射設備的“實”與“虛”示意

圖4 帶有螺紋結構塑料制品/模具位置示意圖

限于篇幅，僅展示本虛擬實驗建設實現的三個主要特點：“設備的虛實結合”(圖3)、工藝的“畫中畫”多媒體可視化(圖4)功能。圖3a是注射機的真實結構，圖3b是虛擬的注射設備，面板參數設置功能按鈕與真實注塑機一致，圖3c是虛擬設備安裝過程的參數校驗，有效解決了大型設備臺(套)少，學生動手操作機會少的問題。圖4是利用多媒體的“畫中畫”技術，清晰準確顯示了塑料制品成型過程在模具中的情況，解決了生產實際操作中的無法直觀觀察的問題，提升學生的觀察力和思考力。

3 結 語

本實驗將專業理論知識和生產實際有機融入虛擬情境中，具有豐富的融入感和帶入感，通過植物纖維、纖維復合材料、注塑工藝、模具結構、制品成型質量及性能分析結果和問題對話等，學生“真實”體驗并主動參與工藝設計、設備操作、注塑加工和方案改進的整個生產過程，充分發揮學生的主體地位，激發了學生的專業學習興趣，有效提高了學生的實踐能力，增強了學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。

虛擬仿真實驗教學項目被譽為具有跨時代意義的金課。利用計算機技術生成一個逼真的、具有視、聽、觸等多種感知的“模擬實驗室”建設不僅將專業基礎課[13-14]、專業課[15-17]等課程的相關知識有機地結合在一起，幫助學生在實踐中認知理論，使學生對專業知識體系和工程應用有系統的認識；而且突破了傳統實驗在時間和空間上的限制，彌補了傳統實踐教學的不足，教師和學生可以在三維空間體驗實驗室里難以實現的具有危險性和破壞性的實驗，提高教學效果；此外虛擬實驗降低了實驗成本，預計可每年節省實踐經費約4萬元以上。

本實驗向全院和相關企業、兄弟院校開放，自2019年9月開放以來，為本校相關專業本科、研究生專業學習及企業人員崗前培訓、技能提升提供了服務，使用超過300人次。虛擬仿真實驗教學項目，促進了信息技術與高等教育實驗教學的深度融合。作為實驗課程改革的著力點，正在成為‘新工科’建設和‘雙一流’建設中的利器。