材料成型虚拟仿真实验教学平台的建设与探索

方辉 吴方娟 王火生 范新凤

[摘           要]  根据工程教育认证要求和材料成型及控制工程专业的培养计划，福建工程学院材料成型虚拟仿真实验教学平台通过校企联合开发、自主研发、科研成果转化等方式构建了“机械基础”“材料基础”“材料成型基础”“模具设计与制造”和“制品生产”五个的虚拟仿真实验课程模块，探索适于学生工程实践能力培养的平台运行和管理模式。

[关    键   词]  虚拟仿真;材料成型;实验教学

[中图分类号]  G642                 [文献标志码]  A            [文章编号]  2096-0603（2020）36-0080-02

材料成型是工业过程的重要环节，材料成型类人才的培养中，工程实践能力是重中之重。[1]目前随着信息化技术的发展，虚拟仿真技术逐渐进入课堂。[2，3]虚拟仿真实验不仅可以作为实体实验的重要补充，而且还能完成实体实验无法实现的教学功能，现已成为培养学生工程实践能力的重要手段之一。[4，5]

福建工程学院材料成型虚拟仿真实验教学平台在实体实验的基础上，依据材料成型及控制工程专业的培养计划和工程教育认证要求，通过校企联合开发、自主研发、科研成果转化等方式，构建材料成型虚拟仿真实验教学平台。

一、材料成型虚拟仿真实验教学平台建设的必要性

材料成型相关专业实践性很强且高度依赖实验教学，但实体实验教学存在以下不足。

（一）内部微观行为无法直观观察，妨碍学生对微观机理的理解及對宏观过程控制方式的认识

材料成型过程的微观行为往往决定了材料的宏观性能和形状，只有认识和理解微观过程，才能从宏观上控制加工产品的性能。而在实体实验中无法观察到内部微观行为，如材料变形过程中位错的运动、组织的演变、晶粒生长的过程、晶界的运动、微区材料的流变等。材料成型的微观机理比较抽象，不易于掌握，从而导致对宏观控制的方式难以理解，无法取得良好的教学效果。虚拟仿真实验能形象、生动、直观地展示传统实验手段难以实现的材料微观过程。

（二）部分材料成型实验危险性大、耗材耗能高，难以进行实体教学

轧钢、压铸、冶炼等部分实验危险性大、耗材耗能高、实际操作复杂，学校难以开设，需要深入工业生产中进行实践教学，如认识实习、生产实习等。然而，学生在工厂也很难与这些设备或生产线进行“亲密接触”，一方面是保障生产的需要，另一方面是无法观测到设备运转时的内部细节。因此，学生难以做到“知其然”，在出现复杂工程问题时，也就做不到“知其所以然”了。虚拟仿真实验在这方面具有其独到之处。例如，学生在数字化轧钢生产线虚拟仿真实验中，可以了解整个生产过程、各部件的作用，并进行工艺调整等，补充在实体实验中无法进行的观测与操作。

（三）大型贵重仪器设备不能满足本科实验教学要求

材料分析方法是材料成型类专业学生需要掌握的基本知识。但许多材料分析测试仪器设备价格昂贵、操作复杂，台套数只有一两台，不能满足每个学生实际动手操作的要求，如透射电镜、场发射扫描电镜等。通过大型贵重仪器设备的虚拟仿真实验可以让学生在虚拟环境中对设备进行操作，从而了解设备的操作流程及工作原理。

由此可见，材料成型实体实验由于实验本身的局限性、危险性、数量限制等原因，一定程度上制约对学生工程实践能力的培养，采用虚拟仿真实验可以有效克服实体实验中存在的上述问题，具有直观、安全、不受时间和空间限制、低成本、高效率等特点。虚拟仿真实验教学中心和实体实验教学中心相互配合、相互补充，通过构建“虚实结合、相互补充、能实不虚”的新型实验教学模式，扬长避短，促进学生加深对理论知识的理解，强化工程实践能力，培养创新意识。

二、材料成型虚拟仿真实验教学平台的研究与设计

材料成型虚拟仿真实验教学平台根据材料成型及控制工程专业的知识体系构架，并结合学校本专业发展的自身特点，构建“三层次、五模块、五结合”的实验教学体系。根据材料成型的知识体系构架，虚拟仿真实验教学体系涵盖了五个模块，分别是机械基础模块、材料基础模块、材料成型基础模块、模具设计与制造模块、制品生产模块。

（一）机械基础模块

机械基础相关课程主要研究机械中常用机构和通用零件的工作原理、运动特性、结构特点以及机械零件失效分析等，机械基础是材料成型装备的基础和材料成型工程控制的基础，是材料成型等专业学生必须掌握的基础知识和技能。因此在相关的课程学习过程中，部分机械组件由于体积大，拆装和搬移困难，不能在课堂进行实体演示教学，在课堂教学中学生对机械机构运动的原理及特点不能直观形象地观察，因此，采用虚拟仿真动画的演示手段，有助于更加直观、形象地演示机械构件的工作原理、运动特性，同时也可以提高学生的实践动手能力，从而让学生加深对理论知识的理解。

（二）材料基础模块

材料科学基础是材料类专业的基础理论，学习与掌握材料的制备、组成、组织结构与性能之间关系的基本规律。在相关课程的学习中，部分基础知识较为抽象，特别是材料的微观结构、微观行为等在学习过程中较难理解。因此，采用动画仿真形式，将相关的知识点直观形象地呈现在课堂演示过程中，如晶体结构原子堆垛、位错运动、金属与合金凝固过程和固态相变等。另外，在材料科学基础实验方面，部分实验设备由于较为精密昂贵，无法让学生动手操作，如场发射扫描电镜、透射电镜等，因此可以采用先通过虚拟实验的方式让学生了解相关设备的工作原理和操作流程，必要时再开展相关的实体实验。

（三）材料成型基础模块

材料成型制品的生产必然涉及材料、成型工艺、设备和模具等生产要素，材料成型工艺是材料成型过程控制、制品加工精度和质量保证的关键。材料成型工艺的虚拟仿真是以各种材料成型加工工艺为基础，将金属材料和塑料材料成型加工工艺方法以虚拟仿真方式呈现出来，使材料成型过程的工艺流程、参数设置与控制、加工状态、产品精度、产品质量等有机整合，最大限度地再现实际生产过程。学生可以根据制品的生产和使用要求，将材料的特性、生产工艺、设备性能和模具结构等诸因素进行综合考虑与分析，并应用所学专业理论知识开展材料成型规律的探讨，从而接受材料成型方法的正确选择、加工工艺规程的制定、工艺参数的合理设定等方面的训练，提高学生分析问题、解决问题的能力。

（四）模具设计与制造模块

模具设计与制造虚拟实验平台主要为满足冲压工艺与模具设计、注塑工艺与模具设计、压铸工艺与模具设计、模具制造工艺学等课程的课堂教学和实验环节的需要。设计三个虚拟实验模块，包括模具设计虚拟实验模块、模具结构装配虚拟实验模块和模具数控与电加工虚拟实验模块。这些模块结合商业化的CAD、CAE、CAM等专业软件，引用企业开发案例进行虚拟实验平台建设，达到实验与实战相结合的训练效果。

（五）制品生产模块

据统计，当今工业中90%的制品是通过模具来成型生产的，制品生产也是设计制造模具的根本目的。用于生产制品的模具类型众多，如传统的钣金模具、塑料模具等。随着技术的快速发展，对制品成型质量及性能的要求不断提高，制品结构和成型工艺越来越复杂，对模具设计制造和成型生产提出新的要求。近几年，我校材料科学与工程学院与福建省内知名企业开展产、学、研合作，在材料研究与制備、产品开发与生产、模具设计与制造中存在的技术难点进行联合研发，攻克了在材料、工艺、模具等方面众多行业的技术难题，获得多项福建省科技奖。以这些产、学、研成果为依托，开发制品生产模块，本模块吸收了多种目前企业中先进、具有代表性制品的成型模具、成型工艺和成型生产：汽车玻璃塑料包边、汽车钢化玻璃、薄壁异型压铸件等，使学生了解、学习真实工程案例，培养学生的工程实践能力、创新意识和能力。

三、平台管理及运行的探索

材料成型虚拟仿真实验教学平台秉持“以生为本、虚实结合、融合创新、共享发展”的虚拟仿真实验教学理念，构建平台构架、实验教学运行模式及管理方式。

（一）平台的构架

开放式虚拟仿真实验教学的管理和共享平台系统依托校园网络，以虚拟实验技术和网络信息技术增强实验实践教学，包括虚拟实验中心门户网站、实验前的理论学习、实验的开课管理、典型实验库的维护、实验教学安排、实验过程的智能指导、实验结果的自动批改、实验成绩统计查询、数字化资源管理、师生互动交流和系统管理等子系统。

（二）平台的教学运行

本平台可支持学生多人同时在线学习，不受时间和地点的限制。在实验前，学生通过练习、自测、课件等方式学习实验理论知识。在实验过程中，学生遇到问题可以请求指导，系统给出指导信息，也可以通过在线留言的方式，由教师进行答疑。学生提交实验结果后，系统会自动评判，给出分数和评分点。教师则可通过平台上传试题库，并对学生的学习情况进行评价。这种人机交互界面，可以激发学生的学习兴趣。[6]学生可以通过多次练习和测试，逐步掌握所学知识。

（三）平台的管理

本平台根据所指定的相关虚拟仿真实验教学管理文件，采用线上与现场监控相结合的管理方式，及时把握学生的学习情况及实验教学效果，通过督导听课、召开师生见面座谈会和网络评议等多种形式，充分听取师生的意见和建议，并进一步优化和改善实验教学体系及方法，提高教学质量。

四、结语

福建工程学院材料成型虚拟仿真实验教学平台的建设，根据虚拟仿真实验的“虚实结合、相互补充、能实不虚”原则，依据材料成型及控制工程专业的知识体系构架，并结合学校本专业发展的自身特点，通过校企联合开发、自主研发、科研成果转化等方式，构建“三层次、五模块、五结合”的实验教学体系。在平台的运行和管理上，秉持“以生为本、虚实结合、融合创新、共享发展”的虚拟仿真实验教学理念，与实体实验教学一起支撑起材料成型及控制工程专业的实验实践教学体系。

参考文献：

[1]李永志，谢玉敏，张德勤.基于卓越计划的地方应用型高校材料成型专业“133”实践教学体系的构建[J].轻工科技， 2020，36（5）：163-164，168.

[2]李萱.高校虚拟仿真实践教学综合平台建设的研究与实践[J].新课程研究，2017（3）：100-101.

[3]王焕友，曾晓华，谢光奇.虚拟仿真实验教学中心信息化平台与资源建设的探索[J].2019，35（12中）：49-50，120.

[4]祖强，魏永军，熊宏齐.江苏省高校虚拟仿真实验教学共享平台建设与实践[J].实验技术与管理，2019，36（5）：1-4，46.

[5]马登成，张新荣，胡永彪，等.工程机械虚拟仿真实验教学中心体系建设[J].实验室研究与探索，2019，38（4）：143-146，183.

[6]郑春龙，邵红艳.以创新实践能力培养为目标的高校实践教学体系的构建与实施[J].中国高教研究，2007（4）：85-86.

编辑 赵瑞峰