无机非金属材料专业虚拟仿真实验、实践教学平台建设探索

曾雄丰 王建省

摘 要 充分利用虚拟仿真技术，构建一个与陶瓷生产工艺环境相似的虚拟仿真实践教学环境，与现行实践教学模式结合，构成多类型、多层次、多方式的实践教学模式。文章首先对陶瓷专业虚拟仿真实践教学平台系统的层次结构、功能结构进行了分析，为平台的建设提供了可供参考的模式。其次对平台的建设内容进行了详细的阐述，以此搭建的陶瓷专业虚拟仿真实践教学平台系统，可开展专业实践和毕业设计教学，提高学生发现、分析和解决实际问题的能力，为本科实践教学开辟新的途径。

关键词 陶瓷； 实践教学； 虚拟仿真

1 平台系统层次结构

“陶瓷专业虚拟仿真实践教学平台”采用分层结构进行设计，由上到下主要分为展示层、逻辑处理层、业务支持层、数据库层等四个层次，如图1所示。

展示层为用户能够通过显示器直接看到的三维场景及二维UI，主要为用户呈现陶瓷生产现场的视觉效果。逻辑处理层为整个系统的控制中枢，控制整个系统的逻辑，包括虚拟人物的运动、业务逻辑的相互关系、提示信息的显示等内容。业务支持层为系统的支持模块，可以通过外部控制系统行为的表现，对工艺流程归整以及对基础操作展现。数据库层为系统的基础模块，用于存储用户的相关信息以及系统运行过程中的相关数据。

2 系统功能结构

虚拟仿真实验教学除了具有重要的技术特征外，还有两点非常重要：（1）虚拟仿真实验是为本科教学而设计和实现的，它要满足教学大纲的要求。（2）构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生可以在这个环境中开展实验。因此对它的功能结构有新要求，要能够胜任虚拟仿真实验教学的需要。对人员的管理要更加注重绩效考核要求，要重视教学资源的开放共享和充分使用，重视对学生学习的激励和工作创新。基于以上考虑，对“陶瓷专业虚拟仿真实践教学平台”的功能结构设计主要包括以下两个结构：

通过该系统，教师可以在系统中引导学生完成不同陶瓷生产过程的实践教学活动，同时进行编辑作业、发布任务、任务考核、成绩管理等操作。

在此系统中，学生既可以自主浏览学习和在教师的引导下进行模拟操作，完成不同的陶瓷生产实践活动。还可以通过系统中毕业设计辅助计算体系、陶瓷厂毕业设计虚拟仿真系统，完成本科毕业设计。

3 平台系统建设内容

3.1陶瓷生产工艺流程虚拟仿真实践教学系统

对不同陶瓷（日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷）生产过程中的坯、釉料配方计算、原料处理工序、坯体成型工序、坯体干燥工序、施釉工序、陶瓷材料烧成工序等工艺流程进行虚拟。通过嵌入坯料和釉料配方计算、原料在球磨过程中的受力、不同成型工艺的调控、不同施釉工艺的控制、坯体干燥环境控制、烧成制度的设定等，实现对学生认识实习和实训的目的。陶瓷生产工艺流程虚拟仿真实践教学系统应包括以下几个方面：

（1）配方计算：包括坯、釉配方计算，按照不同陶瓷的基本配方，根据陶瓷配方计算方法，通过建立不同原料（包括粘土类原料、石英类原料、熔剂性原料等）的数据库（包含各种原料的图片资料、化学组成、矿物组成以及在配料中所起作用等信息），学生能够在数据库中选取不同原料，完成日用陶瓷的坯、釉料配方计算。

（2）原料制备工序：原料处理过程中，原料在球磨机的粉磨过程，料、球、水比例的控制，按照不同的比例，对所造成的现象进行动画模拟；并对不同转速下球磨机不同的运行状态（抛落式、滑落式、离心式）进行动画模拟。对过筛除铁、陈腐、滤泥、练泥（粗练、精练）等设备及工序进行动画模拟。

（3）成型工序：包括滚压成型、塑压成型、注浆成型等成型工序进行动画模拟；同时对不同成型方法的简介，并对不同成型方法的关键影响因素进行讲解，以日用瓷生产线为例，如：滚压成型的方法，按模型的形状区分，有阳模滚压和阴模滚压两种。阳模滚压成型适用于盘、碟类和敞口浅型制品的成型。阴模成型一般适用于碗、杯类制品的成型。

（4）坯体干燥工序：干燥器的种类和结构模拟，包括如何控制干燥环境温度、湿度的动画模拟，以及温度、湿度对坯体干燥过程的影响进行简介。

（5）修坯工序：動画模拟对坯体在成型过程中出现边缘不整齐、表面不光滑等现象进行修正的过程。

（6）施釉工序：喷釉工序、浸釉工序和浸釉工序的动画模拟。

（7）烧成工序：包括对隧道窑、辊道窑、梭式窑的结构及工作原理进行动画模拟，并对窑内烧成制度（温度制度、压力制度、气氛制度）进行动画模拟和介绍，介绍烧成温度对陶瓷烧成的影响。

（8）检选：对在烧成过程中所出现的各种异常现象进行图片展示，并对出现异常现象的原因进行介绍。

（9）釉上装饰：如日用瓷生产线，分别对描金、贴花、手绘等装饰工序进行动画模拟。

（10）彩烤工序：如日用瓷生产线，对彩烤辊道窑结构和工作原理进行动画模拟，并对彩烤过程中物理化学的变化进行介绍。

3.2陶瓷厂毕业设计虚拟仿真系统

根据不同的陶瓷生产企业（日用陶瓷厂、卫生陶瓷厂、建筑陶瓷厂）的生产工艺特点，对陶瓷厂的厂房布局、原料选择、配方计算、工艺流程、设备选型等进行模块化设计，通过建立厂房布局模块、原料模块、配方模块、设备模块等数据库，学生能根据毕业设计题目，从数据库中选择相应模块，任意搭建不同类型、不同生产规模的陶瓷厂。要求所建立的三维模型文件兼容3Dmax，能在3Dmax中编辑、修改，模型要求精致、逼真，同时面片数要尽量少，保证实时操作流畅。具体包括以下内容：

（1）厂房布局及场景数据库：包括日用陶瓷厂房场景以及各车间配套基础设施：泥浆池、天车、电梯、泥浆输送装置与管道、窑车轨道等。

（2）设备模型库：原料处理设备，如各种破粉碎设备：颚式破碎机、球磨机、轮碾式破碎机等，以及除铁槽、振动筛、滤泥、练泥设备等；坯体成型设备：包括可塑成型设备如滚压成型设备、塑压成型设备、注浆成型设备。此外还有坯体干燥设备、施釉设备、烧成设备等；

3.3陶瓷厂毕业设计辅助计算软件系统

（1）坯、釉配方辅助计算软件系统

利用Visual Basic編程语言，通过建立原料数据库（包含原料的化学组成、矿物组成等信息），按照日用瓷、卫生瓷、建筑瓷的基础配方，通过辅助计算系统，完成坯、釉配方计算。

（2）物料平衡辅助计算软件系统

利用Visual Basic编程语言，通过建立工艺参数数据库，可按照不同生产规模完成对陶瓷生产物料量平衡计算。

（3）设备选型辅助计算软件系统

利用Visual Basic编程语言，通过建立不同生产设备生产能力和车间工作时间和生产班制数据库，完成设备选型计算。

4 结束语

通过应用虚拟仿真技术，不同陶瓷生产过程以3D动画的形式展现在学生面前，与现行实验教学模式结合，构成多类型、多层次、多方式的实验教学模式，开展系列实践教学、专业实训和毕业设计，提高学生的实际工作能力，为本科实习、实训开辟了新的途径。

参 考 文 献

[1]教育部高教司.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[Z].教育部高教司函[2013]94号.

[2]李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，32（11）：5-8.

[3]石松泉，沈红，梁伟，等.虚实结合的电工电子实验教学体系的设计[J].实验技术与管理，2008，25（8）：184-186.

[4]蔡卫国.虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2011，28（8）：76-78.

[5]张忠福.建立以能力培养为中心的实践教学体系[J].实验技术与管理，2011，28（2）：11-14.

[6]王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索，2013，32（12）：5-8.

[7]李向农，曹惠东，尹梦，等.着力科研创新，构建“主线贯通式”人才培养体系[J].中国高等教育，2012（9）：33-34.

[8]时伟.高师院校实践教学体系的生成与运行[J].教师教育研究，2012，24（5）：1-6.

[9]王伏玲，李鸿飞，张爱东.高校分析测试平台管理创新实践[J].实验技术与管理，2011，28（11）：227-229.

[10]吴世华，杨光明，王秋长，等.加强实验教学示范中心建设，提高人才培养质量[J].实验技术与管理，2012，29（1）：4-6.

[11]万坚，宋丹丹，涂海洋，等.在基础化学实验教学实践中培养学生综合素质[J].实验技术与管理，2012，29（5）：166-171.

[12]陈萍，周会超，周虚.构建虚拟仿真实验平台，探索创新人才培养模式[J].实验技术与管理，2011，28（3）：277-280.

[13]许秀云，张玉梁.依托现代信息技术提高实验教学质量[J].实验室研究与探索，2011，30（5）：130-132.