機械制造教學(xué)實訓(xùn)仿真系統(tǒng)的構(gòu)建

楊志偉

摘 要：為了解決高校在應(yīng)用型人才培養(yǎng)過程中實訓(xùn)條件嚴重不足的狀況，近幾年基于計算機提出了運用虛擬仿真和知識工程的原理與技術(shù)，在UGNX平臺上開發(fā)與建立機械制造教學(xué)實訓(xùn)仿真系統(tǒng)的綜合性實踐教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：仿真；虛擬制造；教學(xué)實訓(xùn)；構(gòu)建主義

隨著社會的發(fā)展，傳統(tǒng)的教育理念已無法滿足企業(yè)對應(yīng)用型人才的大力需求。因此新的教學(xué)模式與理念的提出迫在眉睫，而構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理念（Constructivism）的提出正好填補了這一空白。建構(gòu)主義是把情景化與知識的應(yīng)用性結(jié)合起來，利用計算機技術(shù)，對現(xiàn)實工廠進行仿真，在仿真的環(huán)境中學(xué)生通過與計算機的互交而學(xué)習(xí)。其主張情景化教學(xué)，只有在合適的情境中才能充分發(fā)揮作用。根據(jù)機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)對人才的培養(yǎng)目標和知識結(jié)構(gòu)要求，基于機械制造專業(yè)課程的特點和應(yīng)用型人才的培養(yǎng)模式，結(jié)合實踐教學(xué)經(jīng)驗，通過教學(xué)設(shè)計把建構(gòu)主義的教學(xué)理論與體驗式教學(xué)模式以及機械制造實踐要求結(jié)合起來，利用SiemensNX三維建模與仿真功能模塊建立機械制造教學(xué)實訓(xùn)系統(tǒng)。借助于計算機的便利，將建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)理念和教學(xué)理論變成可操作的教學(xué)環(huán)節(jié)，使教、學(xué)、練相結(jié)合，最終達到教學(xué)目標。

一、仿真系統(tǒng)及構(gòu)建主義教學(xué)理念的介紹

機械制造教學(xué)實訓(xùn)仿真系統(tǒng)是基于計算機技術(shù)，結(jié)合機械專業(yè)課程特點和構(gòu)建主義教學(xué)理念而開發(fā)的虛擬仿真平臺，可以通過與該平臺的交互給學(xué)生一種真實場景的感覺。通過計算機仿真系統(tǒng)進行培訓(xùn)有它的優(yōu)勢，比如在保證迅速提高學(xué)生素質(zhì)的同時，還能保障學(xué)員的安全和節(jié)約教學(xué)成本。把仿真系統(tǒng)教學(xué)推廣到各大院校中，已是大勢所趨。

傳統(tǒng)的教學(xué)是教師如何教學(xué)生就如何學(xué)，其中老師是主體，而建構(gòu)主義主張的教學(xué)是圍繞學(xué)生如何學(xué)而進行，教師只是組織者，其中學(xué)生是主體。建構(gòu)主義提倡情景化教學(xué)（situated instruction），教學(xué)應(yīng)當(dāng)與現(xiàn)實結(jié)合起來，盡量選擇具有真實性、可體驗性的學(xué)習(xí)內(nèi)容。在情景化教學(xué)中，教師首先設(shè)計好情景，然后學(xué)生在此情景下自主研究、學(xué)習(xí)并且實踐。在豐富的情景化教學(xué)環(huán)境中，學(xué)生有足夠的自我建構(gòu)知識的空間，建構(gòu)出新的知識。只有這樣才能更好地處理教與學(xué)的關(guān)系，同時也可以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

二、機械制造教學(xué)實訓(xùn)仿真系統(tǒng)的設(shè)計方案

基于建構(gòu)主義的機械制造教學(xué)實訓(xùn)仿真系統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計主要由目標分析、情境設(shè)計、資源設(shè)計、功能模塊設(shè)計和效果評價五部分組成。

1.目標分析

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，企業(yè)特別是中小型企業(yè)開始越來越傾向于對應(yīng)用型技術(shù)人才的招聘。然而由于各大院校的人才培養(yǎng)與社會需求的脫節(jié)，尤其是因為資金短缺等帶來的實驗室投入不足、實訓(xùn)基地建設(shè)落后等問題使學(xué)生參加工程實訓(xùn)的機會顯得非常少。為了解決這種大學(xué)培養(yǎng)的人才跟企業(yè)需要的人才不匹配的現(xiàn)象，實踐性教學(xué)顯得尤其重要。

2.情境設(shè)計

在情境中學(xué)習(xí)，設(shè)計的情境要能使學(xué)生產(chǎn)生強烈的學(xué)習(xí)動機，同時有助于學(xué)生自主學(xué)習(xí)。這種情境必須要與學(xué)習(xí)內(nèi)容相融合，以便達到建構(gòu)知識意義的目的。在基于建構(gòu)主義的機械制造教學(xué)實訓(xùn)仿真系統(tǒng)的設(shè)計中，利用UGNX，CAM，CAD，CAE等計算機輔助技術(shù)，構(gòu)建工廠環(huán)境和工藝流程，集成加工工藝資源，將學(xué)生完全帶入工廠的制造情境中進行學(xué)習(xí)。讓學(xué)生在已有知識基礎(chǔ)上不斷地通過信息資源庫中的知識解決新出現(xiàn)的問題，從而在實踐中自主、愉悅地獲得新知識，與此同時學(xué)生有種身臨其境的感覺。

3.資源設(shè)計

在如今這個信息爆炸的時代，有效的信息資源對于解決問題十分重要，豐富的學(xué)習(xí)資源是建構(gòu)主義學(xué)習(xí)的一個必不可少的條件。因此，首先要建立基于建構(gòu)主義仿真系統(tǒng)的信息資源庫，將現(xiàn)有的技術(shù)手冊、工藝資料、標準規(guī)范等集成在系統(tǒng)中。

4.模塊設(shè)計

為了讓學(xué)生能夠通過人機界面對機械加工及其工藝有所了解，機械制造仿真教學(xué)系統(tǒng)可以劃分為四大模塊：虛擬工廠模塊是為了給學(xué)生創(chuàng)造一個機械設(shè)計或者模具制造這樣一個工廠環(huán)境，讓學(xué)生有種身臨其境的感覺；虛擬裝配模塊是為了讓學(xué)生對機床等進行簡單的裝配；虛擬制造模塊是基于虛擬工廠模塊，在其中實現(xiàn)對產(chǎn)品的設(shè)計、加工、裝配和調(diào)試；過程評價模塊是對學(xué)生的設(shè)計和操作進行評價，客觀地反映學(xué)生在實訓(xùn)中存在的問題和仿真系統(tǒng)的Bug，以便完善系統(tǒng)和學(xué)生技能的提高。

5.效果評價

這里的評價指學(xué)生的自我評價以及系統(tǒng)對其學(xué)習(xí)效果的整體性評價。學(xué)生在仿真系統(tǒng)中通過對類似實物的操作，對其進行虛擬的加工制造，從而獲得身臨其境的感受和體會，同時也可以從任何角度觀察產(chǎn)品。這種反饋調(diào)節(jié)模式能夠及時反映學(xué)生學(xué)習(xí)中存在的問題和教學(xué)中的不足，了解不足的同時采取有效的調(diào)整措施，以此提高學(xué)習(xí)效率。

三、仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)

首先構(gòu)建機床。即利用Siemens NX的建模功能和3DMAX 立體軟件對圖片、模型的渲染構(gòu)造一些常用的機床庫供學(xué)生進行裝配；其次在機床的各個零部件上附帶與該零件相關(guān)的信息，以便學(xué)生看到這些零部件的時候可以瀏覽以及進行一些拆裝練習(xí)。接著構(gòu)建常用的夾具庫，系統(tǒng)提供典型零件以及相應(yīng)的夾具，由學(xué)生根據(jù)設(shè)計的零件的工序選擇夾具類型和選擇系統(tǒng)中可編輯修改的夾具零部件進行夾具裝配，形成的裝配結(jié)構(gòu)由虛擬系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的夾具設(shè)計原則進行檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時反饋給學(xué)生，以便修改；然后建立常用刀具庫，通過切削仿真試驗讓學(xué)生了解刀具幾何角度對切削性能的影響，通過切削數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建讓學(xué)生能在規(guī)范要求的范圍內(nèi)合理選擇刀具和切削用量，合理選擇刀具材料，合理選擇刀具幾何角度，在加工過程的模擬仿真中反映刀具與切削用量的匹配關(guān)系；接下來建立典型零件（軸類零件、盤類零件、箱體類零件）的加工工藝過程交互式設(shè)計模塊，在該模塊中利用向?qū)Ｊ揭龑?dǎo)學(xué)生對典型零件進行工藝分析、毛坯的選擇、加工時定位基準的選擇、加工工藝路線的安排、各工序余量尺寸及公差的確定，來完成典型零件的工藝分析及工藝設(shè)計過程。在每一個過程中利用基于知識的評價模塊對學(xué)生的操作進行評價并指出操作過程中存在的錯誤和改進方法，并對加工過程中影響加工精度和表面質(zhì)量影響的工藝因素進行分析。

四、結(jié)論

仿真實訓(xùn)軟件作為對機械工程類教學(xué)改革的實踐，通過采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將有關(guān)設(shè)備真實地展現(xiàn)在學(xué)生面前，由于仿真系統(tǒng)中的設(shè)備是“虛擬”出來的，因此最大程度地節(jié)約了學(xué)校的教學(xué)成本。采用現(xiàn)代仿真技術(shù)，學(xué)生可在計算機上身臨其境地完成對零件的加工操作，具有較強的直觀性和操作性，從感性的角度培養(yǎng)學(xué)生的實踐操作能力和分析解決問題的能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。作為一個仿真軟件，其優(yōu)勢在于學(xué)生可以在沒有產(chǎn)品質(zhì)量和安全生產(chǎn)的顧慮下創(chuàng)造和實踐。但無法真正代替實際的操作實訓(xùn)，仿真系統(tǒng)只能作為縮短實習(xí)時間，提高實習(xí)效率的一種輔助手段。仿真系統(tǒng)的開發(fā)難度較大，機械工程涉及的知識也很廣，因此，仿真系統(tǒng)不可能靠一個人開發(fā)與完善，它需要市場的支持。本文只是結(jié)合一些理論知識，對其進行簡單的理念構(gòu)建，接下來還需要更多的嘗試。

參考文獻：

孫俊蘭，趙健，劉德仿.機械制造教學(xué)實訓(xùn)仿真系統(tǒng)的構(gòu)建[J].鹽城工學(xué)院學(xué)報：社會科學(xué)版，2012.