虚拟装配与运动仿真技术在课堂中的应用

李邦忠 董桂馥 张倩倩

摘要

基于机械产品的虚拟装配与运动仿真训练提高对于零件制造公差与配合的表达能力，数控编程与加工仿真应用加强对于零件加工工艺细节的掌握度，本文将枯燥的理论知识植入感性的虚拟现实中，有效提高了课堂教学效果。

【关键词】虚拟装配 运动仿真 加工仿真 课堂教学

2017年2月以来，教育部多次发文积极推进新工科建设，全力探索中国模式的教育强国之路。智能制造作为新工科建设的重要范畴，从业人才培养是我国从制造大国走向制造强国之路的重要前提。然而，由于过时的教学内容、落后的教学模式以及浮躁的学风和教风，导致制造人才流失和低水平化现象严重。因此，正确认识“四个回归”，针对国情和学校办学条件，积极开展新形势下的高校教育改革势在必行。

教育改革的第一要务是提升教学质量，而课堂教学模式是影响教学质量最为直接的因素。本文结合《模具制造技术》课程的教学实践，坚持以学生为本，以能力培养为目标，从教学内容整合、教学模式和教学手段创新等方面探索信息化技术、计算机软件应用等在课堂教学中的应用。

1课程设计

1.1三段式教学安排

利用基于互联网的智慧教学工具（教学实践中采用“雨课堂”），将课程划分为课前、课中和课后三个阶段。首先，教师在微信公众号一一“雨课堂”开设《模具制造技术》课程，学生登陆进入课堂。课前，教师将包含有知识自学、视频观摩和在线问答作业的课件发至学生手机端，收集课前学生的预习情况;课堂中，教师利用课堂课件+案例解析+CAD/CAM软件应用等辅助教学手段，再现实际生产中的真情实景，并补正课前学生自学过程中的理论知识;课后，含有较大量课后作业的手机课件被发送到学生手机端，以在线提交作业的形式快速检验教学效果。

1.2虚拟装配与运动仿真技术应用

课程教学要求掌握零件尺寸公差标注并制定相应的加工工艺。所以从虚拟装配了解模具结构原理入手，继而借助运动学仿真判定配合关系，并给出合理的公差数值。实施方法是学生利用Topsolid、UG等CAD/CAM软件作为工具，课前通过视频学习将教师提供的零件3D模型装配成完整模具，并制作出运动仿真动画。教师课堂上将该案例模具中零件拆解，引导学生完成工程视图表达及尺寸公差标注，并将加工工艺制定内容融合到这一教学过程中。例如，在斜导柱侧抽芯机构的滑道组件公差与加工工艺制定教学中，装配误差、加工误差以及组件配做之间的关系就更容易理解了。

1.3数控编程与加工仿真技术应用

当前的模具制造己广泛采用数控加工技术，模具零件加工工艺与传统工艺相比发生了较大变化。例如，模具新材料的使用省略了热处理过程，数控电火花线切割机床和数控高速车、铣加工技术的应用取代了大部分磨削工艺和镗削工艺，数控车铣复合机床应用极大简化了加工工艺，显著提高了生产效率。因此，数控编程技术成为模具加工工艺制定中最重要的内容之一，数控编程所涉及的刀具路径以及切削参数设定，有效推进了对于加工工艺知识的深入学习。

对于大多数制造类课程，理论教学与实践教学是密不可分、相辅相成的。但是，限于学生基数大和投入不足的办学条件，要想提供与时俱进的教学案例实物和加工机床是不现实的。因此，前文提到的虚拟装配与运动仿真技术的课堂应用达到了部分实践教学的效果，而Topsolid、UG等CAD/CAM软件高度仿真加工技术的应用，则使学生进入加工现场的虚拟空间，数十上百种最先进的完整机床结构与逼真的切削运动视觉画面，以及对于零件实施定位与夹紧的虚拟操作体验，将文字性的理性学习转化为视觉化和动作化的感性学习，有助于提升学生学习兴趣，加强了理论知识学习的内生与固化效果。

2教学效果分析

经过多轮的教学效果比较，在使用虚拟与仿真技术授课前后教学效果出现了明显变化，表现在以下几个方面：

（1）学生课堂出勤率从70-80%上升到95%以上，满勤成为普遍现象。这个结果可能与“雨课堂”智慧教学工具的教学管理功能有一定关系，但是从学生在课前、课中和课后完成的学习情况看，学习主动性和作业完成质量有较明显提高;

（2）学生主动索要更详细的学习资料，课下与教师交流的情况增多。答疑过程中除了一些软件操作和知识性问题外，学生对于行业情况、工作技能以及申请到工厂企业实习等问题也很感兴趣，说明学生的专业兴趣在提升。

（3）在卷面测试中，工艺规划和制定等综合性命题的正确率达到80%以上，而且答案呈现出多样性变化趋势，说明学生独立思考能力在提升，实现知识内生与固化的教学目标在逐渐体现。

3结论

在新工科课堂教学中引入互联网智慧教学工具能够有效管理课堂教学秩序，合理分配课前、课中和课后的知识学习，提高课堂教学的效率;基于CAD/CAM软件的虚拟与仿真技术在课堂教学中的应用，对于提升学生学习兴趣和学习质量方面具有较为明显的效果。值得注意的是，在上述教学模式实施过程中，以下几个方面要引起重视：

（1）三段式的教学安排不宜过多占用学习时间，课上和课下的时间比例应控制在1：1之内。过长的课下学习时间会增加学业负担，容易使学生放弃或敷衍应付，所以课前课后课件内容应以视频学习和选择题为主，计算题等综合问题解析在课堂上进行。

（2） CAD/CAM软件的选择应有连续性，操作应有片段性。所谓连续性是指在课程体系的多门课程教学中使用同一种软件，譬如，在本專业的模具制造技术、模具拆装与测绘、模具设计、模具课程设计以及毕业设计等教学环节均采用Topsolid软件（下一步考虑使用UG软件）。软件操作片段性是指学生并非学习软件完整操作，而是教学中用到什么学什么，不至于因难度增加而使学生望而却步。

（3）有明确的教学目标。根据人才培养目标和课程学时，合理制定教学目标，而非教材写什么教什么。本课程为32学时，后续课程中有模具结构设计和模具零件图绘制等要求，结合模具本科教育与就业需要，将课程教学目标定位为培养尺寸公差及表面粗糙度标注、工序安排与定位面的选择，以及数控加工编程等方面的能力。

（4）教师能力与课程要求匹配。教师应具备一定的工程背景和密切跟踪产业发展现状，并乐于学习先进制造技术知识和新版本的软件操作，这样才能在案例选择和能力培养教学中做到与时俱进。

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