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      虛擬仿真技術(shù)在《復合材料工藝與設備》實驗教學中的應用探索

      2020-02-16 17:07:07董抒華魏春城朱國全林治濤譚洪生孟凡濤
      山東化工 2020年22期
      關(guān)鍵詞:仿真技術(shù)成型復合材料

      董抒華,魏春城,朱國全,林治濤,譚洪生,孟凡濤

      (山東理工大學 材料科學與工程學院,山東 淄博 255049)

      《復合材料工藝與設備》是高分子材料與工程專業(yè)本科生的重要課程之一,復合材料是建立在三大傳統(tǒng)材料基礎之上的新型材料,是新型材料發(fā)展的主流方向之一。培養(yǎng)具有復合材料方面的高素質(zhì)人才是高校復合材料專業(yè)的主要目標之一[1]。實踐教學是學生理論聯(lián)系實際的重要途徑,是培養(yǎng)開拓型人才的重要課堂,也是高校課程建設的重要環(huán)節(jié)。課程要求學生掌握各種復合材料成型工藝的過程、設備及工作原理,熟悉實驗過程。傳統(tǒng)實踐教學主要是采用教師現(xiàn)場先講解演示,再輔導學生操作,訓練學生掌握操作技能與方法。在實驗過程中有些實驗如模壓成型、注塑成型、RTM成型或?qū)訅撼尚图袄p繞成型等通??紤]到原材料成本問題、設備安全操作問題等使得實驗開展并不是很順利,而且學生在工藝的實訓環(huán)節(jié)無法觀察到工作中的設備內(nèi)部機構(gòu)運轉(zhuǎn)情況,對實驗結(jié)果也無法預評估,因此難以獲得理想的教學效果。

      隨著虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)(Virtual Reality,VR)的不斷發(fā)展,將VR技術(shù)應用到各種學科實驗教學中,能夠有效地克服傳統(tǒng)實驗中存在的問題。目前,針對復合材料成型工藝的操作性與交互性的VR仿真系統(tǒng)較少。開發(fā)虛擬仿真教學實驗平臺可以讓學生在虛擬環(huán)境中交互式體驗,如同身臨其境完成復合材料實驗過程,通過網(wǎng)上平臺學習不僅可充分提高學生實驗理論水平,還能大大激發(fā)學生參與的興趣,提高教學效果,還可大大提高設備操作安全性,節(jié)約實驗成本和能源消耗,而且最終通過平臺建設還可實現(xiàn)實驗資源共享。

      1 《復合材料工藝與設備》課程實驗教學的現(xiàn)狀及存在的問題

      本課程是一門實踐性強,涉及知識面較廣的課程。通過學習《復合材料工藝與設備》這門課程,要求學生掌握復合材料的各種成型工藝,能根據(jù)工程上對復合材料制品的要求,確定合適的成型工藝和設備,從而達到預期的要求。

      本課程對應理論模塊可開設的實驗主要有手糊成型、RTM成型、SMC成型、模壓成型、纖維纏繞成型、注塑成型等。然而,在實際教學過程中實踐教學配套跟不上,存在的問題很多,比如有些工藝很重要但實驗室沒有配套設備;有些實驗原材料成本太高;有些設備陳舊無法保證安全性;有些設備數(shù)量有限而學生人數(shù)很多無法保證人人參與實驗,采取分組的教學方式,還是難以實現(xiàn)一對一模式,多數(shù)學生只能采取圍觀式的實驗,很難參與其中,對工藝加工過程認識走馬觀花不深刻,無法理解實驗過程和實驗結(jié)果;而有些設備即使配套完整,但后期維護和保養(yǎng)也是需要很多經(jīng)費,這些原因往往導致教學效果達不到預期實驗效果,學生的能力培養(yǎng)也達不到預期要求。另外,有些實驗由于實驗儀器設備構(gòu)造復雜,精密度較高等原因,學生不能參與調(diào)試,設備內(nèi)部運轉(zhuǎn)情況也無法看到,因此導致學生不能充分學習工藝過程和設備工作原理,對實驗儀器了解不透徹,不精準。

      2 虛擬仿真技術(shù)的特點及在實驗教學中的應用

      虛擬仿真技術(shù)推動了教育現(xiàn)代化的進程和發(fā)展,目前是高校專業(yè)方向?qū)嶒灲虒W建設的重中之重[2]。虛擬仿真技術(shù)是在計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)和圖像處理技術(shù)的基礎上發(fā)展起來的,通過計算機和網(wǎng)絡技術(shù)創(chuàng)建一個虛擬、交互式的三維動態(tài)場景,利用可視化技術(shù)實現(xiàn)實驗場景的仿真,讓人置身于環(huán)境中有如身臨其境的感覺,可實現(xiàn)與虛擬環(huán)境的交互[3-4]。虛擬仿真技術(shù)具有交互性、開放性和便捷性等特點,將虛擬仿真實驗放在平臺,學生可以通過登錄仿真平臺自主學習實驗知識,觀摩操作訓練,可鞏固所學知識并熟悉實驗過程,尤其適合線上實驗教學,采用這種方式授課克服了傳統(tǒng)實驗教學的時間和空間限制,從而提高了信息化教學效果并提高教學質(zhì)量。

      將虛擬仿真技術(shù)引入本課程的實驗中大大提高了學生參與積極性,提高學生對本課程的興趣。李艷霞等[5]建設了復合材料成型固化過程虛擬仿真平臺,學生可快速分析樹脂體系的固化特性、設計和評價工藝制度、探究制件結(jié)構(gòu)因素對工藝制度和工藝窗口的影響。學生利用虛擬實驗可對變量進行選擇和設計,從而促進了學生實踐和知識擴展,提升了學生的創(chuàng)新能力。馬世博等[6]采用虛擬仿真技術(shù),結(jié)合生產(chǎn)實際案例,全面呈現(xiàn)了典型塑件的注塑成型工藝過程和主要工藝參數(shù)對塑件質(zhì)量的影響規(guī)律,虛擬的設計、加工與交互環(huán)境,真實演示實驗與虛擬仿真實驗結(jié)合,這種方法調(diào)動了學生思考,培養(yǎng)了學生分析問題解決問題的能力。

      3 虛擬仿真技術(shù)在實驗課程中開發(fā)和應用

      2013年教育部開始強化建設國家級虛擬仿真實驗教學工作,積極推進高校虛擬仿真實驗中心的建設發(fā)展。目前有很多高校順應潮流積極推進虛擬仿真實驗室的建設,將該技術(shù)充分應用在科研研究與教學研究中[3]。山東理工大學依托車輛工程與交通國家級虛擬仿真實驗教學中心,積極組織各個學院老師根據(jù)專業(yè)需求建設信息化項目,學校資助經(jīng)費立項推動虛擬仿真實驗建設,并強化可持續(xù)發(fā)展。學校也動員老師積極申報教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目。本課程虛擬仿真實踐教學改革被教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目立項,并得到了北京潤尼爾網(wǎng)絡科技有限公司和上海曼恒數(shù)字技術(shù)股份有限公司的大力支持,以及學校教務處的立項支持,利用虛擬仿真教學優(yōu)勢資源搭建網(wǎng)絡虛擬實驗平臺,使得更多學生受益,尤其今年疫情線上教學優(yōu)勢凸顯,有效解決學生在家無法做實驗的難題,達到了非常好的教學效果。通過和專業(yè)技術(shù)公司合作極大推動了虛擬仿真技術(shù)在專業(yè)課程實驗教學方面的發(fā)展,公司專業(yè)人員來學校講解技術(shù)同時也給同學拓寬了眼界增長了知識,激發(fā)了學習興趣。

      4 結(jié)束語

      虛擬仿真技術(shù)應用于實驗教學,是推進現(xiàn)代信息技術(shù)融入課堂的重要舉措,是實驗內(nèi)容在時間和空間的拓展和提升,為學校拓寬人才培養(yǎng)提供了幫助,是提高教學質(zhì)量的重要選擇。虛擬仿真實驗克服傳統(tǒng)實驗教學的弊端,線上教學優(yōu)勢凸顯,從而提升了教學效果,拓寬了學生的視野,培養(yǎng)了學生創(chuàng)新精神與實踐能力。

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