“材料成型機(jī)械設(shè)備”課程虛擬實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用研究

高彩茹 丁樺 張福波 王皓天

摘 要 介紹了東北大學(xué)材料成型與控制工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)及實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)與培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成的關(guān)系，項(xiàng)目組專業(yè)教師為實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的改革開(kāi)展的“軋機(jī)仿真互動(dòng)式安裝軟件”開(kāi)發(fā)工作及實(shí)踐教學(xué)形式改革的嘗試；總結(jié)了“軋機(jī)仿真互動(dòng)式安裝軟件”開(kāi)發(fā)及應(yīng)用效果；指出軋機(jī)裝配虛擬實(shí)踐教學(xué)改革對(duì)冶金類高校專業(yè)課教學(xué)改革具有示范作用。

關(guān)鍵詞 材料成型機(jī)械設(shè)備 仿真互動(dòng)式教學(xué)軟件 虛擬實(shí)踐教學(xué) 能力培養(yǎng)

東北大學(xué)制定的材料成型與控制工程專業(yè)制定的人才培養(yǎng)目標(biāo)為：（1）具有工程科學(xué)基礎(chǔ)、工程專業(yè)技術(shù)及管理等知識(shí)。（2）能承擔(dān)材料成形領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、研發(fā)及工程管理工作，并能進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新或管理機(jī)制創(chuàng)新。（3）具備管理工作團(tuán)隊(duì)及協(xié)調(diào)項(xiàng)目的能力，能組織制定項(xiàng)目計(jì)劃并有效實(shí)施。（4）具有較強(qiáng)的社會(huì)責(zé)任感、良好的職業(yè)道德和人文素養(yǎng)。（5）能主動(dòng)適應(yīng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，掌握新興技術(shù)，具有可持續(xù)發(fā)展理念和國(guó)際視野。

對(duì)于以上目標(biāo)的達(dá)成，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)占據(jù)十分重要的地位。實(shí)踐教學(xué)有助于提高學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，提高理論學(xué)習(xí)的效果，同時(shí)也提高學(xué)生動(dòng)手能力與創(chuàng)新能力。[1]

學(xué)校相關(guān)部門采取相應(yīng)的措施積極為學(xué)生提供實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)與機(jī)會(huì)。除了教務(wù)部門為學(xué)生設(shè)置實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)如金工實(shí)習(xí)、認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)，課程設(shè)計(jì)外，其它部門如學(xué)?；?qū)W院等還發(fā)起“節(jié)能減排大賽”、“工藝流程大賽”、“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”、“永冠杯全國(guó)鑄造大賽”、“大學(xué)生挑戰(zhàn)杯”等活動(dòng)，吸引學(xué)生參與來(lái)擴(kuò)展學(xué)生的視野同時(shí)提高學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力。

作為專業(yè)課教師，本項(xiàng)目課題組也一直在尋求用自己的方式、從自己的角度，結(jié)合教師從事教學(xué)、科研工作為學(xué)生實(shí)踐增加機(jī)會(huì)，提供平臺(tái)。

2014年度遼寧省普通高等教育本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目“材料成形類專業(yè)互動(dòng)式實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用”獲批（項(xiàng)目編號(hào)UPRP20140714）。課題組決定從材料成型機(jī)械設(shè)備入手首先開(kāi)展仿真互動(dòng)式教學(xué)軟件的開(kāi)發(fā)及材料成型機(jī)械設(shè)備實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容的改革。

軋鋼機(jī)械屬于重裝備，全部的軋機(jī)裝配在投產(chǎn)前就已完成。一旦投入使用就不會(huì)經(jīng)常進(jìn)行整體拆裝。只有在企業(yè)大修時(shí)才能夠?qū)⒉糠忠讚p零部件拆卸下進(jìn)行維修或更換。因而學(xué)生即使參加認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)也只能看到其正常生產(chǎn)狀態(tài)，鮮有機(jī)會(huì)親見(jiàn)安裝過(guò)程。[2-3]開(kāi)發(fā)一個(gè)能夠進(jìn)行虛擬安裝并且具有人機(jī)交互功能軋機(jī)安裝軟件并應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐，對(duì)于提高專業(yè)課教學(xué)效果、提高學(xué)生各方面能力意義十分重大。[4-7]

項(xiàng)目實(shí)施分兩個(gè)階段實(shí)施：（1）軟件開(kāi)發(fā)。（2）軟件應(yīng)用。

1 軟件的開(kāi)發(fā)

2014年11月至2016年3月為“軋機(jī)交互式仿真裝配”軟件的開(kāi)發(fā)階段。2016年4月軟件正式進(jìn)行壓力測(cè)試及驗(yàn)收。軟件完全根據(jù)某鋼鐵企業(yè)研究院實(shí)驗(yàn)軋機(jī)圖紙按照1：1的關(guān)系創(chuàng)建零件三維圖。零件組裝順序完全按照實(shí)際安裝順序進(jìn)行，部件總裝順序也是嚴(yán)格按照實(shí)際安裝順序進(jìn)行。零件形狀尺寸真實(shí)，安裝順序真實(shí)。軟件仿真度高。

所開(kāi)發(fā)軟件具有多模式學(xué)習(xí)、知識(shí)庫(kù)學(xué)習(xí)、零件庫(kù)零件隨機(jī)擺放和安裝部件閃爍提示、安裝錯(cuò)誤提示和人機(jī)交互等多種功能，為學(xué)生上機(jī)操作提供許多便利。

學(xué)習(xí)、組裝和考核三種模式可以讓學(xué)生分三個(gè)步驟進(jìn)行學(xué)習(xí)、訓(xùn)練。 [8]進(jìn)入學(xué)習(xí)模式中，可以通過(guò)知識(shí)庫(kù)的學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)零部件的形狀、作用、安裝部位、安裝方法；進(jìn)入組裝模式中可以訓(xùn)練與現(xiàn)場(chǎng)安裝步驟相同的組裝、部裝、總裝過(guò)程，同時(shí)能夠了解各組件、部件的相互位置關(guān)系；考核模式中，零件庫(kù)中零件隨機(jī)擺放，學(xué)生須根據(jù)自己對(duì)于軋機(jī)零部件及裝配順序的熟悉程度，從打亂順序的零件庫(kù)中找到零件，按照與組裝模式中相同的順序進(jìn)行組裝、部裝和總裝。總裝結(jié)束后畫(huà)面上給出時(shí)間記錄。

通過(guò)鼠標(biāo)的點(diǎn)擊和拖曳，學(xué)生可以完成軋機(jī)的零部件組裝-部裝-總裝過(guò)程。通過(guò)鼠標(biāo)的上下左右移動(dòng)改變軋機(jī)的位置；通過(guò)滾輪對(duì)零部件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)放大及縮小；通過(guò)對(duì)滾輪壓按拖動(dòng)實(shí)現(xiàn)360八嬉庾性鄄臁R隕喜僮髂芄淮锏皆諫殖∈萇踩拗萍俺〉叵拗貧荒蓯迪值墓鄄煨ЧH砑緱婷攔邸⒂押茫僮骷虻?。?/p>

軟件不但能夠通過(guò)局域網(wǎng)允許100名學(xué)生同時(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)和安裝操作，還可以應(yīng)用單機(jī)版進(jìn)行課堂演示。軟件的各種功能及方便性完全可以滿足在虛擬實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展虛擬軋機(jī)安裝的實(shí)踐教學(xué)需求。

2 軟件應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)課改革的實(shí)施

2016年5月至2017年3月為軟件的試用階段。在此階段中，教師于2016年5月第一次將軟件應(yīng)用于課堂教學(xué)演示與部分學(xué)生課堂參與試安裝。通過(guò)教師的演示，學(xué)生看到軋機(jī)的外部形狀、內(nèi)部構(gòu)造，對(duì)于各部件之間的位置關(guān)系，安裝的合理順序有了較深入的了解。部分學(xué)生參與模擬組裝，也讓更多的學(xué)生產(chǎn)生了濃厚的學(xué)習(xí)興趣，參與意識(shí)大大增強(qiáng)。

在此期間內(nèi)，還應(yīng)部分學(xué)生的要求，讓學(xué)生應(yīng)用自己的電腦在課余時(shí)間上機(jī)操作，仿真安裝。學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情非常高漲。

2017年3月至2018年5月為“軋機(jī)交互式仿真裝配”軟件的正式應(yīng)用階段。2016年，為實(shí)現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容到形式的全面改革，對(duì)材料成型與控制工程專業(yè)“材料成型機(jī)械設(shè)備”教學(xué)大綱實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容正式修改為軋機(jī)仿真交互安裝，并獲得東北大學(xué)教務(wù)部門批準(zhǔn)。2017年3月，以東北大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心教室作為虛擬實(shí)驗(yàn)室，以電腦終端虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備，將“軋機(jī)交互式仿真裝配”軟件首次投入實(shí)驗(yàn)課應(yīng)用，2014級(jí)約180名學(xué)生獨(dú)立操作電腦，完整地完成了一次軋制設(shè)備仿真安裝過(guò)程。受到了一次零部件知識(shí)與安裝過(guò)程的系統(tǒng)訓(xùn)練；2018年5月，“軋機(jī)交互式仿真裝配”軟件第二次成功地應(yīng)用于 “材料成型機(jī)械設(shè)備”實(shí)驗(yàn)課，約180名2015級(jí)材料成型及控制工程專業(yè)學(xué)生應(yīng)用此軟件進(jìn)行了虛擬軋機(jī)安裝實(shí)驗(yàn)。至此，“材料成型機(jī)械設(shè)備”實(shí)驗(yàn)課完成了從教學(xué)內(nèi)容到教學(xué)形式的全面改革。

3 應(yīng)用情況及效果

3.1 課堂教學(xué)應(yīng)用

“軋機(jī)交互式仿真裝配”實(shí)踐教學(xué)軟件在2016、2017、2018年連續(xù)三年的課堂教學(xué)中應(yīng)用。教學(xué)中的演示安裝，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了參與熱情。學(xué)生普遍反映對(duì)枯燥的設(shè)備有了生動(dòng)的認(rèn)識(shí)。

3.2 實(shí)驗(yàn)課教學(xué)應(yīng)用

2017年，2018年連續(xù)兩年在2014級(jí)、2015級(jí)材料成型與控制工程專業(yè)設(shè)備課實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中應(yīng)用。已經(jīng)有360人次左右應(yīng)用了該軟件進(jìn)行了仿真安裝。通過(guò)學(xué)生自己虛擬安裝操作，加深了對(duì)軋制設(shè)備零部件作用、結(jié)構(gòu)等的認(rèn)識(shí)。在2個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課上，學(xué)生用1小時(shí)在學(xué)習(xí)模式和組裝模式下進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。用1小時(shí)在考核模式下組裝。實(shí)驗(yàn)課現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，2014級(jí)有60%的學(xué)生在30min內(nèi)完成了設(shè)備的組裝；2015級(jí)有80%的學(xué)生在50min內(nèi)完成了設(shè)備的組裝。

2017年與2018年，分別在2014級(jí)與2015級(jí)學(xué)生實(shí)驗(yàn)完成后，對(duì)參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查，目的是調(diào)查采用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與互動(dòng)式安裝軋機(jī)所達(dá)到了教學(xué)效果。發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷366份，回收351份。結(jié)果見(jiàn)表1。

調(diào)查問(wèn)卷共設(shè)置7個(gè)問(wèn)題。回收的351份調(diào)查問(wèn)卷中顯示：348人認(rèn)為“材料成型機(jī)械設(shè)備”實(shí)驗(yàn)課采用“軋機(jī)交互式仿真裝配”方式合適，占有效調(diào)查人數(shù)的95.9%；348人認(rèn)為通過(guò)交互式軟件進(jìn)行軋機(jī)的模擬安裝能夠增強(qiáng)對(duì)軋機(jī)結(jié)構(gòu)和零部件的認(rèn)識(shí)，占有效調(diào)查人數(shù)的95.9%；323人認(rèn)為在安裝過(guò)程中對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行了關(guān)注，占有效調(diào)查人數(shù)的92%；332人通過(guò)知識(shí)庫(kù)了解零（部）件的名稱和作用，占有效調(diào)查人數(shù)的94.6%；347人在考核模式安裝之前，首先在學(xué)習(xí)模式、組裝模式下進(jìn)行了仿真安裝，占有效調(diào)查人數(shù)的98.9%。

在對(duì)“材料成型機(jī)械設(shè)備”實(shí)驗(yàn)課采用“軋機(jī)交互式仿真裝配”方式的教學(xué)效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，2015級(jí)有約96%的同學(xué)認(rèn)為此次實(shí)驗(yàn)課使得學(xué)生對(duì)軋機(jī)設(shè)備的認(rèn)識(shí)更加充分，其中有近30%的同學(xué)提到此次實(shí)驗(yàn)增加了對(duì)課程學(xué)習(xí)的興趣。

在個(gè)人對(duì)該實(shí)驗(yàn)課的建議環(huán)節(jié)，2014級(jí)90%同學(xué)，2015級(jí)80%同學(xué)提出應(yīng)該增加實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜合課堂教學(xué)效果及調(diào)查問(wèn)卷結(jié)果，可以得出“‘材料成型機(jī)械設(shè)備課程虛擬實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用的研究”取得的教學(xué)效果顯著。

（1）解決了課堂教學(xué)中學(xué)生對(duì)軋機(jī)結(jié)構(gòu)理解難的教學(xué)問(wèn)題，提高了學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)興趣。

（2）改變了學(xué)生觀摩設(shè)備時(shí)人員多，現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)效果差，學(xué)生不能親自動(dòng)手安裝的難題。

（3）對(duì)仿真安裝中對(duì)零部件作用及相互關(guān)系的理解可提高學(xué)生對(duì)設(shè)備的設(shè)計(jì)能力。

（4）此項(xiàng)虛擬式教學(xué)+交互式設(shè)備安裝實(shí)驗(yàn)課教學(xué)改革在全國(guó)高校材料成型及控制工程專業(yè)尚屬首例，有引領(lǐng)行業(yè)高校專業(yè)課實(shí)踐教學(xué)改革的示范作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 張華，倪紅衛(wèi)，何環(huán)宇，等.冶金工程專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)改革探索[J].中國(guó)冶金教育，2009（4）：58- 60.

[2] 高彩茹，丁樺，張福波，等.虛擬實(shí)踐教學(xué)軟件項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的人才培養(yǎng)[J].中國(guó)冶金教育，2016（1）：33-34.

[3] 高彩茹，丁樺，張福波，等.虛擬實(shí)踐教學(xué)軟件的開(kāi)發(fā)實(shí)踐與人才培養(yǎng)[J].科教導(dǎo)報(bào)，2016（5）：51-54.

[4] 王永攀.機(jī)械基礎(chǔ)虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建方法的研究[D].長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2010.

[5] 沙玉英.機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)內(nèi)容改革的探討與實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2015.4（15）：84-85.

[6] 朱喜青.基于EON的機(jī)械基礎(chǔ)虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究與實(shí)現(xiàn)[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.

[7] 于婷.機(jī)械虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2011.

[8] 高彩茹，丁樺，張福波，等.專業(yè)課教學(xué)引入“軋機(jī)交互式仿真裝配軟件”的實(shí)踐.科教導(dǎo)刊，2017（32）：113-114.