虚拟仿真技术在金工实习消失模铸造的教学改革

王黎航，殷治杰，刘文康，朱丽慧

（浙江科技学院 创新创业学院，浙江杭州 310023）

铸造作为机械制造工业的重要组成部分，其发展状况与国家经济的发展息息相关。我国铸件产量目前已占到全球总产量的45%，稳居世界第一。传统铸造行业承担大部分金属零部件的生产任务，铸造产品覆盖航天、汽车以及机床等装备部件，是制造工业中重要的组成部分[1]。

随着现代教育的发展，新型的实践手段可以引导学生自主学习，比如学生可通过一些实验仿真软件在课堂外的时间学习，再通过教师的辅导做到理论和实践结合，从而在实验教学领域达到因材施教的目的。工程实训有利于促进学生知识面的拓展和知识应用能力的提高[2]。虚拟仿真教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物，其以提高学生创新精神和实践能力为宗旨，以共享教育资源为核心，推动高校实验教学的改革与创新[3]。随着虚拟引擎、材质渲染、计算机和VR 设备等软硬件突破式发展，结合多媒体技术[4]，开展虚拟仿真教学与实际教学相结合，有利于学生观察实验过程中零件的变化、学习工艺原理、掌握关键技术[5-6]。相比实际铸造，虚拟仿真成本低，且安全性高，学生能亲身体验；虚拟与实践相结合，节约教学时间，提高教学效果，促进学生对设备和流程的了解，提高学生的动手能力[7]。

中国农业大学建立了机械与农业工程虚拟仿真实验教学中心，按照实验教学“虚实结合、相互补充”的原则，提出了“三平台、九模块”的虚拟仿真实验教学体系[8]。中国科技大学利用虚拟仿真技术进行几何光学实验平台的开发，把物理教学仪器系统应用到新的领域，搭建虚拟仿真教学应用实验平台。北京邮电大学开发了网络、通讯、电子三门学科的虚拟实验系统，采用Java Applet 技术、B/S 结构和J2EE 框架等，解决了高校实验教学设备及场地日益紧张等问题[9]。黄振宇[10]开发了一套基于Unity3D 的消失模铸造虚拟仿真实验教学系统，能用于实验教学。雷晓[11]等人通过三维建模等技术，将多种铸造工艺过程转变为一套虚拟仿真实训系统，学生可以从PC 端进入虚拟仿真实验室，动手操作各种铸造工艺过程，进行相关知识的学习，突破了原有教学场地和教学内容的限制。

国外对虚拟仿真技术的研究起步较早，应用较为广泛。加拿大维多利亚大学建设了3D 实验室和人类学创客实验室，配备了最新的3D 扫描仪和打印机、动作传感器以及激光切割机等高科技设备，其目的是培养学生的创新能力和探索精神。这些实验室不仅提供专门场所和各类工具，还允许学生操作和研究诸如化石、文物之类的易碎品(如经3D 扫描、打印的古埃及花瓶)，鼓励创客积极开展协作[12]。

在铸造实习实践过程中，存在着实验条件要求高、污染排放高，且操作不可逆，虚拟仿真教学可有效解决这些问题，充分体现了该技术在教育实践领域的应用价值[13]。若将新一代信息技术、网络技术、教学内容、教学经验和实际生产等方面相融合，构建虚拟仿真模型，开展虚拟仿真实验，将使得与实际产品相关的设计和加工工艺等生产问题变得形象、有趣味，从而使学生对知识掌握得更扎实。因此，可以开发一款虚拟仿真系统，并应用于金工实习教学中，提高教学效果。

1 教学方案设计——以消失模铸造教学为例

1.1 消失模铸造教学改革目标

在能力培养方面，虚拟仿真教学的目标是使学生体验生产过程，了解设备和流程，提高动手能力。

在知识学习方面，将信息技术、教学内容和实际生产融合，建立虚拟仿真模型，开设虚拟仿真实验，使学生了解设计和加工工艺等生产问题。

1.2 消失模铸造教学改革内容

如图1 所示，消失模铸造的全过程包括硅胶塑形—割胶模—真空注蜡机注蜡—取蜡模—种蜡树—灌石膏—铸模脱蜡与烧结—真空吸索倒模—灌铜水—获得铸件。在上述过程中，割胶模、种蜡树、灌石膏等工序的试错成本比较高，铸模脱蜡与烧结、灌铜水等工序的危险性大，需要基于Unity3D 软件，将上述过程转化为程序，构建虚实相结合的精密铸造课程。

图1 3D 精密铸造全过程

表1 课程安排表

1.3 课程方式

该课程一共分为两个部分：实际操作与虚拟操作。实训与虚拟仿真环节通过合理划分不同阶段来交替进行，学生在每一个项目的实际操作前进行虚拟操作，在虚拟系统中熟悉并掌握相关操作，完成相关实习任务。在虚拟操作达到标准后，学生可进行实际操作，带教教师通过学生的实操成果给出最终成绩。

1.4 难点分析

首先，消失模铸造的全过程涉及建模、打印、种蜡树、石膏灌浆、焙烧、铸造、后处理等多个工序，不同工序的特点不同，因而，精密铸造过程虚拟化的工作量大、难度大[14]。其次，铸造过程中的内部工作状态也应该被直观地体现出来，因此利用铸造仿真软件ProCAST 可以直观观察金属液在型腔中的流动和凝固过程，ProCAST 软件是由美国ESI 公司开发的铸造过程的模拟软件，采用基于有限元(FEM)的数值计算和综合求解的方法，对铸件充型、凝固和冷却过程等提供模拟，提供了很多模块和工程工具来满足铸造工业需求。精密铸造过程虚拟化的目的不是简单的过程演示，更重要的是精密铸造所涉及的铸造工艺参数的教学，因而，在精密铸造虚拟化过程中，需要将加入ProCAST中的内容，事先研究并获得典型铸件的案例。

2 问卷调查与分析

学生观看一段由虚拟教学系统演示的视频，然后开始填写问卷，通过一些问题的设立，调查学生对于该教学方式的看法与建议。

通过信度分析，如表2 可知，信度系数值为0.952，大于0.9，因而说明研究数据信度质量很高。针对“项已删除的α 系数”，“9.如果用虚拟仿真技术取代部分传统教学，您的接受程度是”如果被删除，信度系数会有较为明显的上升，因此大部分学生认为虚拟仿真技术取代不了实际教学。针对“CITC 值”，分析项的CITC 值均大于0.4，说明分析项之间具有良好的相关关系，同时也说明信度水平良好。综上所述，研究数据信度系数值高于0.9，综合说明数据信度质量高，可用于进一步分析。

表2 信度分析表

据表3 分析可知，赞同数（包括非常赞同与赞同）为94.4%，说明大部分学生认为该种教学模式是值得使用的；认为一般的学生占比5.6%，说明有少量的学生对该种教学方式持有不确定的态度；没有不赞同数（包括不赞同与非常不赞同），说明该教学方式的可行性较强，学生对此有一定兴趣。此外，通过设立填空题（1.与传统的PPT 教学方式相比较，线上使用这样的辅助教学软件你有怎样的感受？2.对于虚拟仿真技术进行辅助教学，你有怎样的想法和建议？），许多学生认为这种方式相较于传统授课模式，更加具有吸引力，能够更容易理解课堂内容，学生的学习效率会逐步提高。此外还有一些学生提出，虚拟仿真技术只能作为辅助教学工具，替代不了实际教学，依然需要与实际教学相结合；还应当增强系统的交互功能，增强体验感，提升学生学习效率。

表3 学生对于采用虚拟仿真技术辅助教学授课模式的总体评价

3 结语

通过自主开发的铸造虚拟化教学软件，让学生线上先学，再到线下完成实践，最终在线上工作，实现课堂翻转，提升教学效果。相对于传统教学方式，虚拟化教学软件不仅能让学生掌握铸造工艺与过程，还能让学生了解用于铸造过程分析的专业知识，从而为后续开展铸造研究打下坚实的基础。