虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)在材料成型專業(yè)中的應(yīng)用探索

郭瑞華 李振亮 陳林 張建飛 趙團(tuán) 丁國 李慧琴 方琪

摘要：針對材料成型專業(yè)課程涉及面廣、實(shí)踐性強(qiáng)、內(nèi)容抽象，實(shí)習(xí)費(fèi)用高、危險(xiǎn)系數(shù)大等傳統(tǒng)教學(xué)難題，我校材料與冶金學(xué)院新引進(jìn)了仿真教學(xué)平臺(tái)設(shè)備，該平臺(tái)將虛擬仿真與課堂教學(xué)、現(xiàn)場實(shí)習(xí)及畢業(yè)設(shè)計(jì)相結(jié)合，通過現(xiàn)場3D動(dòng)畫及生產(chǎn)視頻可讓學(xué)生更直觀的認(rèn)識(shí)了解生產(chǎn)工藝流程、生產(chǎn)設(shè)備、操作系統(tǒng)等專業(yè)知識(shí)。仿真教學(xué)平臺(tái)為材料成型專業(yè)的科技化教育探索了一條新出路，提高了學(xué)生的實(shí)踐操作能力和創(chuàng)新能力，同時(shí)也加強(qiáng)了對卓越工程師創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：材料成型；仿真平臺(tái)；課堂教學(xué)；實(shí)習(xí)；畢業(yè)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G40-034 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）11（a）-0000-00

引言

虛擬仿真又稱虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)或模擬技術(shù)，就是用一個(gè)虛擬的系統(tǒng)模仿另一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于教學(xué)、科研等領(lǐng)域。將其應(yīng)用于冶金，鋼鐵行業(yè)，解決了相關(guān)專業(yè)高校學(xué)生實(shí)踐困難等的諸多問題。虛擬仿真平臺(tái)已陸續(xù)為多個(gè)相關(guān)專業(yè)提供虛擬仿真教學(xué)，受到了各專業(yè)學(xué)生的歡迎，收到了良好的教學(xué)效果。

一、虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的必要性

仿真教學(xué)平臺(tái)的建立不但模擬了現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝流程，還通過3D視頻演示出現(xiàn)場作業(yè)的情況，對不同重點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行單一解剖，使學(xué)生更為直觀的認(rèn)識(shí)了解重要設(shè)備的構(gòu)造和工作原理，其次，學(xué)生的實(shí)際操作可以使其理解并掌握生產(chǎn)工藝，促進(jìn)了學(xué)生專業(yè)知識(shí)方面的理解。

二、虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的特色

（一）教學(xué)工廠

大量的現(xiàn)場3D動(dòng)畫和圖片生動(dòng)地展現(xiàn)了軋鋼生產(chǎn)的全過程和主要設(shè)備參數(shù)及設(shè)備結(jié)構(gòu)。教師根據(jù)工程教育、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)的不同實(shí)踐類型及實(shí)踐目的，來制定和編寫仿真實(shí)踐平臺(tái)的實(shí)踐教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容、學(xué)時(shí)分配，進(jìn)而有針對性地來確定學(xué)生仿真實(shí)踐的培訓(xùn)計(jì)劃、培訓(xùn)方案，豐富了課件資源，將一些知識(shí)內(nèi)容相互結(jié)合，充分解決在不同實(shí)習(xí)中的教學(xué)問題。

（二）仿真操作功能

仿真操作系統(tǒng)有許多模型，其中包括嚴(yán)格的工藝模型和數(shù)學(xué)模型，以及操作仿真模型和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫模型，在成型加工進(jìn)程中，它們能保證實(shí)時(shí)的必要數(shù)據(jù)和必要結(jié)果，從而達(dá)到仿真操作的目的。

（三）教學(xué)資源庫功能

豐富的教學(xué)資源包括虛擬的3D動(dòng)畫和圖片以及配套的設(shè)備控件等，教師可以很方便的設(shè)置多媒體電子教案和根據(jù)不同的需要添加媒體資源，從而給學(xué)生在專業(yè)知識(shí)上有著良好的授課效果，同時(shí)該資源庫可以借助網(wǎng)絡(luò)資源擴(kuò)展相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)資源庫的補(bǔ)充。

三、虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)模塊的應(yīng)用

（一）虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)在軋鋼工藝學(xué)課程中的應(yīng)用

在軋鋼工藝學(xué)這門課程中，虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)通過建立中厚板的連續(xù)加熱軋制，證實(shí)了該平臺(tái)不僅對控制系統(tǒng)中的算法和工藝模型能進(jìn)行計(jì)算和分析，也可以設(shè)計(jì)系統(tǒng)的參數(shù)和調(diào)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，例如，中厚板生產(chǎn)線壓下規(guī)程的制定，如圖1所示，該平臺(tái)將中厚板熱連軋仿真系統(tǒng)與控制系統(tǒng)相結(jié)合起來，使學(xué)生對軋制壓下規(guī)程有更為形象直觀的認(rèn)識(shí)和更為精準(zhǔn)的計(jì)算過程，讓學(xué)生能夠通過簡單的方法去學(xué)習(xí)軋鋼工藝學(xué)這門課程，為教學(xué)提供了非常便利。

圖1 壓下規(guī)程的工藝模擬

（二）虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)在實(shí)習(xí)中的應(yīng)用

材料成型專業(yè)的生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)等實(shí)踐環(huán)節(jié)主要在包鋼等鋼鐵聯(lián)合企業(yè)進(jìn)行，但目前鋼鐵企業(yè)的發(fā)展由于市場環(huán)境的不景氣而受到制約，使學(xué)生在實(shí)習(xí)過程中不能靠近軋鋼設(shè)備，必須在安全通道中參觀整個(gè)生產(chǎn)線，使得學(xué)生很難看清楚生產(chǎn)的每一環(huán)節(jié)，然而，仿真教學(xué)平臺(tái)可以作為仿真實(shí)踐系統(tǒng)中的工藝模型和數(shù)學(xué)模型的關(guān)鍵工藝數(shù)據(jù)接口，學(xué)生可以修改工藝參數(shù)并實(shí)施仿真過程，如圖2所示，所形成的虛擬畫面形象逼真、設(shè)備動(dòng)作準(zhǔn)確，同時(shí)清楚的展現(xiàn)了軋鋼生產(chǎn)的每一環(huán)節(jié)，以及精準(zhǔn)的軋制時(shí)間、軋制周期、軋機(jī)距離等一系列參數(shù)都可以讓學(xué)生一目了然，這些都增強(qiáng)了學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，也給予學(xué)生在獨(dú)立建模過程中的一定指導(dǎo)和幫助。

圖2 中厚板生產(chǎn)線

（三）虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)在畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

目前對大學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求在逐漸下降，正是由于高校的教學(xué)條件、設(shè)計(jì)時(shí)間以及研究經(jīng)費(fèi)等的制約，學(xué)生在做畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，所設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容與現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)過程嚴(yán)重不匹配，然而，仿真教學(xué)平臺(tái)能夠指導(dǎo)學(xué)生更輕松的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，例如，中厚板虛擬仿真的壓下規(guī)程，在輸入板坯厚度、寬度、板坯長度、成品厚度、成品寬度后，就會(huì)詳細(xì)的介紹每道次的軋制厚度、軋制速度、相對變形量等數(shù)據(jù)，同時(shí)能計(jì)算出總的軋制道次數(shù)，如圖3所示。這為學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)圖紙的繪制提供了最有利的資源，也增加了學(xué)生對畢業(yè)設(shè)計(jì)的興趣性，并且也擴(kuò)充了知識(shí)量，從而確保了本專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量。

圖3 壓下規(guī)程的計(jì)算

四、總結(jié)

綜上所述，仿真教學(xué)平臺(tái)的應(yīng)用是一個(gè)重要的發(fā)展趨勢，它完美地使課堂教學(xué)方式與計(jì)算機(jī)虛擬教學(xué)方式相結(jié)合。該仿真實(shí)踐平臺(tái)的模擬訓(xùn)練可在最短的時(shí)間內(nèi)能加深學(xué)生對專業(yè)知識(shí)的理解，也能提高學(xué)生解決現(xiàn)場實(shí)際問題的能力，使學(xué)生可以深刻地掌握相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，也可以更好的加強(qiáng)教學(xué)質(zhì)量。同時(shí)，這也為卓越工程師的培養(yǎng)奠定了堅(jiān)定的基礎(chǔ)。

五、參考文獻(xiàn)

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