虛擬仿真技術(shù)在金工實(shí)習(xí)消失模鑄造的教學(xué)改革

王黎航，殷治杰，劉文康，朱麗慧

（浙江科技學(xué)院 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，浙江杭州 310023）

鑄造作為機(jī)械制造工業(yè)的重要組成部分，其發(fā)展?fàn)顩r與國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展息息相關(guān)。我國鑄件產(chǎn)量目前已占到全球總產(chǎn)量的45%，穩(wěn)居世界第一。傳統(tǒng)鑄造行業(yè)承擔(dān)大部分金屬零部件的生產(chǎn)任務(wù)，鑄造產(chǎn)品覆蓋航天、汽車以及機(jī)床等裝備部件，是制造工業(yè)中重要的組成部分[1]。

隨著現(xiàn)代教育的發(fā)展，新型的實(shí)踐手段可以引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，比如學(xué)生可通過一些實(shí)驗(yàn)仿真軟件在課堂外的時(shí)間學(xué)習(xí)，再通過教師的輔導(dǎo)做到理論和實(shí)踐結(jié)合，從而在實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域達(dá)到因材施教的目的。工程實(shí)訓(xùn)有利于促進(jìn)學(xué)生知識面的拓展和知識應(yīng)用能力的提高[2]。虛擬仿真教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，其以提高學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為宗旨，以共享教育資源為核心，推動(dòng)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新[3]。隨著虛擬引擎、材質(zhì)渲染、計(jì)算機(jī)和VR 設(shè)備等軟硬件突破式發(fā)展，結(jié)合多媒體技術(shù)[4]，開展虛擬仿真教學(xué)與實(shí)際教學(xué)相結(jié)合，有利于學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)過程中零件的變化、學(xué)習(xí)工藝原理、掌握關(guān)鍵技術(shù)[5-6]。相比實(shí)際鑄造，虛擬仿真成本低，且安全性高，學(xué)生能親身體驗(yàn)；虛擬與實(shí)踐相結(jié)合，節(jié)約教學(xué)時(shí)間，提高教學(xué)效果，促進(jìn)學(xué)生對設(shè)備和流程的了解，提高學(xué)生的動(dòng)手能力[7]。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)建立了機(jī)械與農(nóng)業(yè)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，按照實(shí)驗(yàn)教學(xué)“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充”的原則，提出了“三平臺、九模塊”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[8]。中國科技大學(xué)利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺的開發(fā)，把物理教學(xué)儀器系統(tǒng)應(yīng)用到新的領(lǐng)域，搭建虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)平臺。北京郵電大學(xué)開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)、通訊、電子三門學(xué)科的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用Java Applet 技術(shù)、B/S 結(jié)構(gòu)和J2EE 框架等，解決了高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備及場地日益緊張等問題[9]。黃振宇[10]開發(fā)了一套基于Unity3D 的消失模鑄造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，能用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。雷曉[11]等人通過三維建模等技術(shù)，將多種鑄造工藝過程轉(zhuǎn)變?yōu)橐惶滋摂M仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，學(xué)生可以從PC 端進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，動(dòng)手操作各種鑄造工藝過程，進(jìn)行相關(guān)知識的學(xué)習(xí)，突破了原有教學(xué)場地和教學(xué)內(nèi)容的限制。

國外對虛擬仿真技術(shù)的研究起步較早，應(yīng)用較為廣泛。加拿大維多利亞大學(xué)建設(shè)了3D 實(shí)驗(yàn)室和人類學(xué)創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室，配備了最新的3D 掃描儀和打印機(jī)、動(dòng)作傳感器以及激光切割機(jī)等高科技設(shè)備，其目的是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和探索精神。這些實(shí)驗(yàn)室不僅提供專門場所和各類工具，還允許學(xué)生操作和研究諸如化石、文物之類的易碎品(如經(jīng)3D 掃描、打印的古埃及花瓶)，鼓勵(lì)創(chuàng)客積極開展協(xié)作[12]。

在鑄造實(shí)習(xí)實(shí)踐過程中，存在著實(shí)驗(yàn)條件要求高、污染排放高，且操作不可逆，虛擬仿真教學(xué)可有效解決這些問題，充分體現(xiàn)了該技術(shù)在教育實(shí)踐領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值[13]。若將新一代信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)等方面相融合，構(gòu)建虛擬仿真模型，開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，將使得與實(shí)際產(chǎn)品相關(guān)的設(shè)計(jì)和加工工藝等生產(chǎn)問題變得形象、有趣味，從而使學(xué)生對知識掌握得更扎實(shí)。因此，可以開發(fā)一款虛擬仿真系統(tǒng)，并應(yīng)用于金工實(shí)習(xí)教學(xué)中，提高教學(xué)效果。

1 教學(xué)方案設(shè)計(jì)——以消失模鑄造教學(xué)為例

1.1 消失模鑄造教學(xué)改革目標(biāo)

在能力培養(yǎng)方面，虛擬仿真教學(xué)的目標(biāo)是使學(xué)生體驗(yàn)生產(chǎn)過程，了解設(shè)備和流程，提高動(dòng)手能力。

在知識學(xué)習(xí)方面，將信息技術(shù)、教學(xué)內(nèi)容和實(shí)際生產(chǎn)融合，建立虛擬仿真模型，開設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解設(shè)計(jì)和加工工藝等生產(chǎn)問題。

1.2 消失模鑄造教學(xué)改革內(nèi)容

如圖1 所示，消失模鑄造的全過程包括硅膠塑形—割膠模—真空注蠟機(jī)注蠟—取蠟?zāi)！N蠟樹—灌石膏—鑄模脫蠟與燒結(jié)—真空吸索倒模—灌銅水—獲得鑄件。在上述過程中，割膠模、種蠟樹、灌石膏等工序的試錯(cuò)成本比較高，鑄模脫蠟與燒結(jié)、灌銅水等工序的危險(xiǎn)性大，需要基于Unity3D 軟件，將上述過程轉(zhuǎn)化為程序，構(gòu)建虛實(shí)相結(jié)合的精密鑄造課程。

圖1 3D 精密鑄造全過程

表1 課程安排表

1.3 課程方式

該課程一共分為兩個(gè)部分：實(shí)際操作與虛擬操作。實(shí)訓(xùn)與虛擬仿真環(huán)節(jié)通過合理劃分不同階段來交替進(jìn)行，學(xué)生在每一個(gè)項(xiàng)目的實(shí)際操作前進(jìn)行虛擬操作，在虛擬系統(tǒng)中熟悉并掌握相關(guān)操作，完成相關(guān)實(shí)習(xí)任務(wù)。在虛擬操作達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后，學(xué)生可進(jìn)行實(shí)際操作，帶教教師通過學(xué)生的實(shí)操成果給出最終成績。

1.4 難點(diǎn)分析

首先，消失模鑄造的全過程涉及建模、打印、種蠟樹、石膏灌漿、焙燒、鑄造、后處理等多個(gè)工序，不同工序的特點(diǎn)不同，因而，精密鑄造過程虛擬化的工作量大、難度大[14]。其次，鑄造過程中的內(nèi)部工作狀態(tài)也應(yīng)該被直觀地體現(xiàn)出來，因此利用鑄造仿真軟件ProCAST 可以直觀觀察金屬液在型腔中的流動(dòng)和凝固過程，ProCAST 軟件是由美國ESI 公司開發(fā)的鑄造過程的模擬軟件，采用基于有限元(FEM)的數(shù)值計(jì)算和綜合求解的方法，對鑄件充型、凝固和冷卻過程等提供模擬，提供了很多模塊和工程工具來滿足鑄造工業(yè)需求。精密鑄造過程虛擬化的目的不是簡單的過程演示，更重要的是精密鑄造所涉及的鑄造工藝參數(shù)的教學(xué)，因而，在精密鑄造虛擬化過程中，需要將加入ProCAST中的內(nèi)容，事先研究并獲得典型鑄件的案例。

2 問卷調(diào)查與分析

學(xué)生觀看一段由虛擬教學(xué)系統(tǒng)演示的視頻，然后開始填寫問卷，通過一些問題的設(shè)立，調(diào)查學(xué)生對于該教學(xué)方式的看法與建議。

通過信度分析，如表2 可知，信度系數(shù)值為0.952，大于0.9，因而說明研究數(shù)據(jù)信度質(zhì)量很高。針對“項(xiàng)已刪除的α 系數(shù)”，“9.如果用虛擬仿真技術(shù)取代部分傳統(tǒng)教學(xué)，您的接受程度是”如果被刪除，信度系數(shù)會有較為明顯的上升，因此大部分學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真技術(shù)取代不了實(shí)際教學(xué)。針對“CITC 值”，分析項(xiàng)的CITC 值均大于0.4，說明分析項(xiàng)之間具有良好的相關(guān)關(guān)系，同時(shí)也說明信度水平良好。綜上所述，研究數(shù)據(jù)信度系數(shù)值高于0.9，綜合說明數(shù)據(jù)信度質(zhì)量高，可用于進(jìn)一步分析。

表2 信度分析表

據(jù)表3 分析可知，贊同數(shù)（包括非常贊同與贊同）為94.4%，說明大部分學(xué)生認(rèn)為該種教學(xué)模式是值得使用的；認(rèn)為一般的學(xué)生占比5.6%，說明有少量的學(xué)生對該種教學(xué)方式持有不確定的態(tài)度；沒有不贊同數(shù)（包括不贊同與非常不贊同），說明該教學(xué)方式的可行性較強(qiáng)，學(xué)生對此有一定興趣。此外，通過設(shè)立填空題（1.與傳統(tǒng)的PPT 教學(xué)方式相比較，線上使用這樣的輔助教學(xué)軟件你有怎樣的感受？2.對于虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行輔助教學(xué)，你有怎樣的想法和建議？），許多學(xué)生認(rèn)為這種方式相較于傳統(tǒng)授課模式，更加具有吸引力，能夠更容易理解課堂內(nèi)容，學(xué)生的學(xué)習(xí)效率會逐步提高。此外還有一些學(xué)生提出，虛擬仿真技術(shù)只能作為輔助教學(xué)工具，替代不了實(shí)際教學(xué)，依然需要與實(shí)際教學(xué)相結(jié)合；還應(yīng)當(dāng)增強(qiáng)系統(tǒng)的交互功能，增強(qiáng)體驗(yàn)感，提升學(xué)生學(xué)習(xí)效率。

表3 學(xué)生對于采用虛擬仿真技術(shù)輔助教學(xué)授課模式的總體評價(jià)

3 結(jié)語

通過自主開發(fā)的鑄造虛擬化教學(xué)軟件，讓學(xué)生線上先學(xué)，再到線下完成實(shí)踐，最終在線上工作，實(shí)現(xiàn)課堂翻轉(zhuǎn)，提升教學(xué)效果。相對于傳統(tǒng)教學(xué)方式，虛擬化教學(xué)軟件不僅能讓學(xué)生掌握鑄造工藝與過程，還能讓學(xué)生了解用于鑄造過程分析的專業(yè)知識，從而為后續(xù)開展鑄造研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。