基于虚拟仿真的包装机械实验课程建设与实践

高德 陆俊杰 陈根浪 张炜 张学昌

[摘 要]该研究针对包装机械机构复杂、设备贵重、拆解不便等问题，运用虚拟仿真技术开发设计了包装机械虚拟仿真实验教学系统。学生可以不受时间和空间约束，通过虚拟仿真系统完成对典型包装机械的零件、机构、工作原理的学习与掌握，并开展设计计算、校核分析、工艺流程等模拟交互操作，有助于提升学生解决复杂包装机械工程问题的能力，促进包装机械课程教学质量的提高，为包装机械行业培养更高水平的实践创新型人才。

[关键词]包装机械;虚拟仿真;实验教学;课程改革

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）03-0049-04

为适应教育信息化要求及提升教育教学质量，全国高校根据《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》[1]及示范性虚拟仿真实验教学项目建设[2]的精神，迅速掀起开展虚拟仿真实验教学项目的热潮。虚拟仿真实验室教学资源建设，使现实实验室与虚拟仿真实验室得以有机结合起来，实现了教学资源管理系统化，各种虚拟仿真实验项目和通用远程教学平台加速涌现[3-4]。瞿振元等[5]对以MOOC发展为契机促进信息技术与高等教育深度融合进行了深入研究，王成等[6]对齿轮机构认知虚拟仿真实验的设计进行了开发研究，取得了较好的实验效果。冯翠云[7]研究基于制造执行系统与智能制造单元结合实践平台，展现产品零部件制造工艺过程、智能制造设备、制造控制系统。郑伟南[8]构建了实验室、仿真室、实习基地三位一体的“虚实结合”实践教学平台、多元化实践课程教学体系及“学习需求导向型”教学模式。同时，王建华等[9]探讨了环境设计、数字艺术设计和产品设计与工艺虚拟仿真实验平台建设，认为虚拟仿真有利于学生在专业类课程学习中提升创新实践能力。徐锋等[10]对包装机械四化耦合的教学模式进行了研究，探讨了包装机械实验教学虚实结合的方法，并从多年的包装机械课程教学中得到以下几点认识：一是包装机械课程实验教学条件不具备且实验教学内容相对落后。随着包装机械自动化、智能化水平的不断提高，新机型层出不穷，而教学实验设备的先进程度永远落后于时代的发展，实验教学经费紧张是普遍现象。二是学生难以理解包装机械实验课程。包装机械的特点是“三多三复杂”即结构多、机构多、零件多以及类型复杂、结构复杂、运动复杂，而包装学生有“三弱”即制图能力弱、机构分析能力弱、建模思路弱。包装机械课程教学内容涉及众多包装机械设备及其复杂系统。因此，即使实验教师讲得出彩，不少学生也难以在课堂上及时理解与消化吸收所学知识，甚至个别学生完全听不懂。为此，笔者所在的课题组对包装机械课程实验内容进行梳理，在全国率先开展了虚拟仿真实验的研究，已经开发出部分包装机械部件的虚拟仿真实验[11]，全国20多所高校在使用这些虚拟仿真实验，每年有近2000名相关专业的学生在线学习。建设包装机械虚拟仿真实验室有助于对包装机械课程体系、教学方法和教学手段进行优化改进，对教学内容进行整合与优化，提高教学质量和教学效率，从而实现优质教学资源的共享以及提高人才培养质量。

一、传统包装机械课程实验教学存在的问题及其解决对策

（一）针对实验教学设备先进程度落后于时代发展的问题，开发出大型贵重包装机械虚拟仿真实验教学项目，重点解决真实实验项目条件不具备的问题

传统的包装机械实验，只能对一些小型包装机械的传动系统、包装材料及容器供送系统、被包装物品的供送及计量系统进行操作与演示，而大型灌装生产线是很有代表性的包装机械，其生产能力通常为2000瓶/分，售价在3000万左右，实验室根本无法购买，而且实际生产线由于考虑到食品安全卫生等诸多因素，基本上不接受学生参观实习，再加上传统实验教学模式存在高危性，难以满足每个学生进行实际操作的需求。因此，开展传统实验教学基本上属于纸上谈兵，根本无法实现教学目标，更无法提高学生的动手操作能力。

课题组基于虚拟仪器开发平台，引导学生开展大型贵重包装机械的虚拟仿真实验，并构建系统化、网络化、智能化、信息化的实践教学模式，使学生了解典型的、先进的与高端的包装机械结构及其运动规律，提高学生上机操作与实践的积极性与学习效果。

（二）针对包装机械结构复杂的特点构建二维和三维模拟仿真动态模型，将复杂问题简单化，解决学生厌学的问题

包装机械的零部件结构十分复杂，每个零件都包含有十几个元件。比如灌装阀由阀体、阀端、阀门、密封元件、启闭元件等十余个元件组成。传统实验教学采用拆装法演示各个元件的结构、特征以及装配关系，但是灌装阀结构复杂、精度高，这就导致学生因无法理解灌装阀的工作原理与机构特征以及拆装困难而产生厌学问题。基于此，课题组综合运用数字化三维建模与智能化虚拟技术手段，重构零件三维实体，并根据二维零件结构图将三维实体制作成爆炸云图（如图1所示），随后利用虚拟仪器开发平台，引导学生进行多次装配演练，提高学生学习的兴趣与参与度，解决学生厌学问题。

（三）针对包装机械传统实践教学形式单一的问题优化教学资源，解决学生独立思考能力以及探索新知识新技术的意识与能力不强的问题

为了突破学习时间、空间的限制，课题组将传统实验教学内容中的知识点描述、课程规范、视频、微课、动画、多媒体课件、教学参考、教案、练习考试、互动学习等模块集成于一体，优化多媒体网络资源教学平台，促进线上交流互动以及线下引导学生利用先进信息工具进行学习，从而实现从以教为主向以学为主的转变，以及从以课内为主向课内外结合转变的教学模式，引导学生逐步由被动的知识接受者转变为学科专业知识和能力框架的构建者，使学生提高独立思考能力，开阔视野，增强探索新知识新技术的意识与能力。

（四）注重课程的拓展和交叉，重构“两性一度”包装机械设计虚拟仿真实验课程体系，夯实课程线上教学资源

课题组针对包装工程、机械类、食品工程類专业不同类别学生的选课需求，研究关联课程对本课程的支撑和关联特性以及产业发展趋势，引入新型包装机械、技术、材料、工艺等，充实更新课程内容，凝练核心知识点，建构跨课程、高阶性设计项目。如图2所示，结合包装机械的关联课程，包括工程制图、工程力学、机械设计、控制工程、制造工程等课程，提取包括设计学、动力学、精度分析、流体技术、机电控制技术等核心技术点，结合典型包装机械（袋装机、裹包机、灌装机、生产线）等，将核心技术对应到关键包装机构和包装装置中，使得包装机械课程成为综合性课程。将课程整合成包装机械概论、包装机械、包装机械设计三个层次的MOOC课程。三个层次的课程可选择不同的教学资源，优化并夯实线上教学资源。

二、通过虚拟仿真平台实现包装机械实验资源共享

包装机械虚拟仿真项目及其支撑平台总体架构如图3所示，它包含数据层、支撑层、通用服务层、仿真层以及应用层，层与层之间相互联系，下层为上层提供运行与服务，实现包装机械虚拟仿真项目的整体化和完整化的体系构建;同时，根据平台建设后的功能需求，可以提供智能指导与智能批改服务，帮助用户实现智能化、自动化、扩展化的交互实验。

（一）数据层

包装机械虚拟仿真项目涉及多种类型虚拟实验组件及数据，这里分别设置虚拟实验的基础元件库、实验课程库、典型实验库、标准答案库、规则库、实验数据、用户信息等来实现对相应数据的存放和管理。比如灌装阀拆装实验，如图4所示，其基础元件库由O型密封圈、弹簧、挡块、导套、导柱、顶杆、顶珠、对中罩、阀体、阀芯、阀座套、分散罩、封盖圈、关阀按钮、密封圈、排气按钮、排气阀盖、排气阀体、瓶口密封胶垫、气动式多移阀、气阀叉、气阀弹簧、气阀套、气阀座、气管、上推杆、推杆套、下液器等零件构成。

（二）支撑层

支撑层为系统运行、维护和管理提供基础保障，是整个虚拟仿真项目的核心框架，包括数据传输与存储服务、资源监控与管理、域管理与域间信息服务等子功能系统。

（三）通用服务层

通用服务层是一些通用支持组件，其作用是方便用户迅速在虚拟环境中完成虚拟仿真实验，包括教务与教学管理、智能指导、自主学习与自动批改、实验资源与报告管理等，并提供接口以便利用第三方的虚拟实验软件进行统一管理。

（四）仿真层

仿真层主要针对包装机械实验课程进行建模、场景构建等，提供包装机械实验课程通用的仿真器，并按照相应格式进行输出。基于数据层元件库，构件包装机械各部分装置的仿真，主要由多移阀结构简图、灌装机传动系统图、进瓶螺杆供送装置、三立柱调节式、升降瓶机构以及压盖机结构简图等构成，如图5所示。

（五）应用层

基于底层的服务有助于最终实现包装机械虚拟仿真项目教学与开放共享。该框架的应用层充分体现了教学教育的扩展性与延续性。根据教学需求和任务，教师可以设计各种典型实验教学资源，然后创建包装机械虚拟仿真项目教学实例，最后面向全国相关院校开展实验教学应用。例如灌装机虚拟仿真实验系统，将吹灌旋一体机机构运动分为瓶坯输入、加热、吹瓶、星轮传递、高速灌装、拧盖和产品输出七大步骤，有利于加深学生对包装机械功能结构与工作原理的认识，如图6所示。

三、结语

本课题组研究的包装机械虚拟仿真实验教学已能提供灌装机械、袋装机械、裹包机械、封口机械的基本参数以及具备零部件设计和装配等功能;将线上与线下的教学资源进行深度融合，合理分配知识难点，有利于激发学生学习兴趣和独立思考能力，保证学生能够进行渐进性、阶梯性、主动性学习。

今后需要加大课程建设力度，增加包装生产线、块状物料包装生产线、粉体物料包装生产线，扩充实验设备库，优化实验流程，使包装机械虚拟仿真系统的功能和性能得到进一步提升，建设一批具有辐射和示范作用的高层次虚拟仿真实验教学平台，为高质量人才的培养提供保障。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 翟雪松，史聪聪.《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》的实施现状、挑战与展望[J].现代教育技术，2020（12）：20-27.

[2] 教育部办公厅. 教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知[EB/OL]. （2017-07-13）[2020-01-03].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201707/t20170721_309819.html.

[3] 熊伟，潘涛，王海涛.直升机救助与水下逃生虚拟仿真实验教学项目建设与实践[J].实验技术与管理，2019（3）：136-139.

[4] 郑云，吴怡.TD-LTE基站安装虚拟仿真实验设计与管理[J].实验技术与管理，2018（10）：125-128.

[5] 瞿振元.以MOOC发展为契机 促进信息技术与高等教育深度融合[J].中国高教研究，2014（6）：1-4.

[6] 王成，杨波，刘海.齿轮机构认知虚拟仿真实验的设计与实现[J].实验室研究与探索，2018（8）：102-105.

[7] 冯翠云.“新工科+智能制造”背景下“虚拟仿真技术”的机械设计基础课程的实践探索[J].广西教育学院学报，2019（6）：193-195.

[8] 郑伟南.基于应用型人才培养的实践教学内容与教学方法改革探索[J].教育现代化，2019（85）：24-26+49.

[9] 王建华，李本建.“艺工融合、虚实一体”虚拟仿真实践教学平台体系构建[J].实验技术与管理，2019（11）：201-204.

[10] XU F， ZHANG W， ZHANG X， et al. Analysis on four-way coupling stereoscopic teaching model of packaging machinery in application-oriented university [C]// 2018 2nd International Conference on Education and E-Learning， Bali Indonesia， 2018.

[11] 高德.应用型高校包装机械课程立體化教学模式探析[J].教育教学论坛，2019（27）：185-186.

[责任编辑：庞丹丹]