基于虚拟仿真技术的实验教学平台设计

罗晓东， 尹立孟， 王青峡， 许文林

(重庆科技学院 冶金与材料工程学院， 重庆 401331)



基于虚拟仿真技术的实验教学平台设计

罗晓东， 尹立孟， 王青峡， 许文林

(重庆科技学院 冶金与材料工程学院， 重庆 401331)

虚拟仿真技术可以逼真地模拟现实世界的事物和环境，有利于培养学生在专业课实验环节的创新实践能力，提高实验教学的效果。针对当前材料成型及控制工程实验教学中存在的相关问题，提出虚拟实验教学平台的设计，并针对性地分为专业基础、软件基础、基础仿真训练和综合仿真训练四个模块，循序渐进地深入教学的各个环节，从点到面，由浅入深，有序地完成学校无法完成的各种轧制环节。并以特种轧制工艺模拟仿真研究为例，分析建模的过程，并进行工艺仿真。通过长期的教学实践，发现借助于该教学平台,可解决本专业设备台套数不足、成本高等问题，同时能有效激发学生的学习兴趣,提高学生实际操作能力。

虚拟仿真； 材料成型及控制工程； 实验教学； 模块教学； 案例分析

0 引 言

实验教学作为理论联系实际的重要组成部分, 对于培养学生动手能力、工程实践能力和创新精神都有十分重要的作用[1-3]。重庆科技学院是一所省属特色突出的工科院校,材料成型及控制工程专业作为校级特色专业，背靠冶金，以轧制为主要发展方向，面向钢铁企业，培养板型管的专业技术人才，实验教学质量的提高对于实现“具有创新精神的应用型高级专门人才”的培养目标显得尤为重要[4-6]。

传统的实验方法和手段[7-8]通常是由教师对整个实验进行讲解，对实验中容易出现的问题进行解释，学生按教师的讲解重复实验，记录数据，撰写实验报告，而教师批改学生的实验报告记分为主，导致了学生只重视实验报告，没有学会提出问题，分析问题，解决问题的能力。

近年来，虚拟化仿真技术[9-10]发展迅速，adams，ansys，abaqus、fluent、MARC等虚拟软件不仅能够模拟真实的物理设备，如轧机、加热炉、风机等，并能像真实设备一样对其进行操作，非常适合材控专业的实验教学和研究，其友好的交互界面和虚拟仿真环境，有利于培养学生在专业课实验环节的创新实践能力。在实物实验条件达不到良好效果的情况下，运用计算机数字仿真技术可弥补其不足，提高实验教学的效果。

本文在多年的教学过程中对材控专业的专业实验教学环件进行分析，在国家虚拟仿真平台的基础上，尝试建立基于虚拟仿真技术的实验教学平台，以激发学生的学习兴趣，变被动学习为主动学习。

1 课程设置和实验内容改革

为了在专业实验课程中更好地开展仿真实验教学，“西门子PLC系统及应用”、“有限元分析方法”、“材料加工CAD/CAE/CAM技术基础”、“材料成型自动化基础”等作为基础平台课程先行开设，安排在第三或第四学期。在开设专业课时，编写包含传统实验和仿真实验的实验教材(“金属压力加工实验指导书”和“钢铁制造虚拟仿真实验教学中心实验指导书”)供学生实验时学习，并配置PLC实验中心和虚拟仿真实验室方便教师和学生进行相关仿真实验。为了提高专业课程实验教学的效果，考虑到课程的相互衔接性和完整性，完善各门课程实验环节的改革，探讨从专业基础课程到专业课程的基于虚拟仿真实验教学环节的设计，通过不同的实验项目(开设项目一览表如表1所示)逐步提升学生的操作能力和实践经验，提高学生的工程实践能力。

表1 专业基础课和专业课开设的实验情况

2 虚拟实验教学平台设计

我校材控专业教学平台的设计宗旨是，针对我校材料成型及控制工程专业的教学特点，加强教师的主导作用，强调实践环节，以培养学生的能力为中心，提高学生的工程训练水平和实践应用能力。基于该原则，虚拟仿真平台有4个部分组成。专业基础+ 软件基础+基础仿真训练+综合仿真训练。专业基础主要是验证、巩固和补充课堂讲授的理论知识，使学生通过视频建立起对材料成型及控制工程专业的感性认识，使学生能够熟悉今后所从事的的主要工作方向。软件基础主要是通过软件介绍和分析，让学生选择自己感兴趣的软件(4个选1个)自主学习模型建立的方法和步骤，从而具备仿真基础能力。基础仿真训练是通过仿真软件设计和实现的演示实验，用以帮助学生在实验过程中更直观地看到实验的步骤和实验结果。综合仿真训练主要是一些结合本专业的特点，突出课程内容的专业性和职业指向性的应用案例仿真。四个部分循序渐进地将学生引入到实验场景中，为学生营造真实的实验氛围，激发学生的想象力和创造力。

3 虚拟实验教学案例分析

以特种轧制工艺中的环轧仿真为例，首先通过理论讲解让学生明白环轧工艺的特点，结合运动简化模型[11-13]见图1，对运动过程进行分析[14-16]，并通过某轴承企业的现场环件轧制过程的视频，让学生能够基于有限模拟软件建立起轧制的模型见图2， 通过定义边界条件和初始条件，并采用C3D8RT将坯料离散，然后选取材料并建立工艺参数，从而实现与现实实验基本一致的工艺参数和性能特征，在检查无错的基础上进行运行。

图1 导向辊的运动简化示意图

图2 径轴向环件轧制的几何模型

在运行的过程中可能会出现很多次错误，在每次报错时记录下报错的原因，并进行更正，不断调整模型和参数，直到可以运行出来。在该基础上对轧制过程进行工艺参数改进，按照现场的轧制工艺进行模拟仿真，并对得到的结果进行处理从而得到如图3～6所示的模拟结果，通过这些参数的变化可以分析整个轧制过程中温度和应力应变的分布，为轧制工艺的优化提供指导。

图3 环件在轧制过程中等效应变的分布云图

图4 环件在轧制过程中温度的分布云图

图5 成形环件横截面上的轧制力分布情况

图6 成形环件横截面上的轧制力分布情况

通过环件轧制工艺的建模和仿真，学生能够充分认识到特种轧制过程中环件和轧辊的运行规律，并清晰获得轧制过程中工艺参数改进对轧制过程的影响，为其工艺课程的理解和提升打下了坚实基础，也为其今后走上工作岗位严格执行工艺参数，认真制定工艺制度，合理优化工艺改革提供了有力保障。

4 结 语

在整个虚拟仿真实验过程中，我们对学生进行了抽卷调查，根据学生反馈结果显示学生的兴趣度由原来的29.5%提高到了87.2%，教学效果良好，同时根据钢铁企业调研反馈结果显示，基于该平台就业的2010级学生更能扎根于现场，企业的一次离职率在10%以下远低于其他高校，大大地提高了企业对学校的认可度。2011届共有学生187人，就业率为97.65%，在学校处于前列。

总之通过我校材料成型及控制工程专业虚拟实验教学的改革与实践，充分证明该虚拟教学平台提高了学生实际操作能力, 积累了实践经验, 锻炼了学生分析解决问题的能力。

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Design of Experimental Teaching Platform Based on Virtual Simulation Technology

LUOXiao-dong,YINLi-meng,WANGQing-xia,XUWen-lin

(College of Metallurgical and Materials Engineering, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331， China)

Virtual simulation technology can realistically simulate the real world, to cultivate students’ innovative practice ability, improve experiment teaching effect. In view of the problems existing in the experimental teaching of materials processing and controlling engineering, we designed the virtual experiment teaching platform. In our design the virtual experiment teaching platform divided into professional foundation, software infrastructure, basic simulation training and comprehensive simulation training. The four modules step gradually in-depth all aspects of teaching, and are from part to integrate, from easy to difficult, can complete all kinds of rolling process. Taking the special rolling process simulation as an example, a detailed analysis of the process of modeling and process simulation are introduced. With the help of the teaching platform, it can solve the insufficient equipment and the cost, at the same time, it can stimulate students’ interest in learning, improve students’ practical ability.

virtual simulation; materials processing and controlling engineering; practical teaching; modular teaching; case analysis

2015-05-18

2014年国家级虚拟仿真实验教学中心(教高司函〔2013〕94号)；2014年重庆市本科高校“三特行动计划”特色专业群(渝教研〔2014〕7号)；2014重庆科技学院特色专业(201402)；2014重庆科技学院精品资源共享课(201408)；2016重庆科技学院教改项目(2016025)

罗晓东(1981-)，男，河南许昌人，博士在读，讲师，主要从事塑性加工相关教学和科研工作，

Tel.：13637992925；E-mail：lxd336@163.com。

TB 31; TG 33

A

1006-7167(2016)04-0104-04