虛擬仿真技術(shù)在工業(yè)設(shè)計綜合實驗中的應(yīng)用探索

王琛 于嘉浩 訾然 陸雪億

摘 要：隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。本文探索了虛擬仿真技術(shù)在工業(yè)設(shè)計綜合實驗中的應(yīng)用，分析了在工業(yè)設(shè)計綜合實驗中引入虛擬仿真技術(shù)的必要性以及運用虛擬仿真的具體優(yōu)勢和意義，旨在對工業(yè)設(shè)計實驗教學(xué)的改進的提供一定的幫助。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;工業(yè)設(shè)計;綜合實驗

0 引言

虛擬仿真實驗是高等教育信息化建設(shè)和實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，[1]主要依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等技術(shù)，構(gòu)建出高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，使學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中開展實驗，達(dá)到教學(xué)大綱要求的教學(xué)效果。[2]

工業(yè)設(shè)計綜合實驗是工業(yè)設(shè)計專業(yè)重要的實驗實訓(xùn)課。主要圍繞具體產(chǎn)品或項目，開展研究、實驗與設(shè)計等活動，實踐性極強，[3]是對專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)課的綜合訓(xùn)練，是提高學(xué)生綜合實踐能力、促進理論聯(lián)系實際的重要環(huán)節(jié)。[4]學(xué)生通過系列課程的訓(xùn)練，進一步提高了對產(chǎn)品設(shè)計流程和創(chuàng)新方法的理解，加強了設(shè)計與生產(chǎn)制造的銜接，培養(yǎng)出較強的設(shè)計實踐能力。

1 虛擬實驗的迫切性分析

1.1 實驗條件受限

工業(yè)設(shè)計綜合實驗是工業(yè)設(shè)計專業(yè)的必修課，開設(shè)班級眾多，給實驗教學(xué)的安排帶來了巨大的壓力。一方面，開課班級多導(dǎo)致實驗教學(xué)設(shè)備使用緊張。如果班級每位學(xué)生都進行實驗操作，則實驗設(shè)備安排不過來;如果選擇分組實驗，則無法保證所有學(xué)生參與到實驗操作中，實驗效果不理想。另一方面，實驗場地也存在諸多限制，實驗場地面積有限。難以容納所有學(xué)生同時進行實驗，只能分批進行，影響了實驗教學(xué)的效果。

1.2 實驗成本高昂

工業(yè)設(shè)計綜合實驗中部分實驗成本高昂。以3D打印快速成型實驗為例，現(xiàn)有3D打印技術(shù)中如立體光固化、選擇性激光燒結(jié)等工藝的材料成本和設(shè)備成本均很高昂。其中立體光固化工藝中的光敏樹脂材料平均價格為每克2～10元。當(dāng)模型重量增加時，實驗成本也隨之增加，學(xué)生往往難以承受。選擇性激光燒結(jié)工藝更是以小時計算實驗成本，包括后期設(shè)備的維護和保養(yǎng)，疊加起來，成本高昂，從而限制了實驗教學(xué)工作的開展。

1.3 實驗的安全性

工業(yè)設(shè)計綜合實驗中部分實驗具有一定的危險性。以數(shù)控雕刻實驗為例，數(shù)控雕刻對實驗操作的安全性要求極高。由于數(shù)控雕刻機的主軸轉(zhuǎn)速較快，如果裝卡刀具或裝夾試件時沒有緊密固定，極有可能產(chǎn)生危險，造成不可挽回的后果。因此，從安全角度出發(fā)，虛擬仿真技術(shù)在工業(yè)設(shè)計綜合實驗中的應(yīng)用勢在必行。

2 運用虛擬仿真的具體優(yōu)勢和意義

2.1 構(gòu)建以學(xué)生為中心、自主學(xué)習(xí)的訓(xùn)練模式

探索基于網(wǎng)絡(luò)平臺的開放式虛擬仿真實驗平臺，旨在突破時間和空間的限制，實現(xiàn)以學(xué)生為中心、自主學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)的線上線下相結(jié)合的訓(xùn)練模式，有重要的現(xiàn)實意義。[5]學(xué)生可以根據(jù)自己的時間安排，利用網(wǎng)絡(luò)資源自由地開展主動學(xué)習(xí)。通過虛擬實驗，學(xué)生可以在安全的環(huán)境下體驗完整的實驗流程，掌握具體實驗過程中相關(guān)設(shè)備的操作規(guī)程，從而變教師主導(dǎo)為學(xué)生自主，變機械式完成為研究、探索和合作完成的新模式。

2.2 開展以項目為引領(lǐng)、探究式的教學(xué)模式

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)體現(xiàn)在綜合實驗課程中只是對單一設(shè)備的學(xué)習(xí)和認(rèn)知。虛擬仿真實驗是以項目為引領(lǐng)的教學(xué)模式。該模式通過項目引導(dǎo)，學(xué)生在完成具體項目時，要不斷解決實驗過程中出現(xiàn)的問題，才能達(dá)到最終的實驗要求。對于學(xué)生解決的每個問題，虛擬仿真系統(tǒng)都進行考核和反饋。這種教學(xué)模式有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，挖掘?qū)W生的創(chuàng)新潛能，培養(yǎng)主動探索精神和學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)生的工程素養(yǎng)。

2.3 運用先進技術(shù)，實現(xiàn)“理實融合”的學(xué)習(xí)效果

虛擬仿真實驗具體項目設(shè)計中，既有理論知識，又包含了實驗操作，創(chuàng)造了一個理論和實踐相融合的學(xué)習(xí)環(huán)境。通過VR等先進技術(shù)的引入，可以對理論知識中較為抽象的、難以理解的知識點進行生動的演示，補充理論教育的不足，[6]激發(fā)學(xué)生的興趣和求知欲。這樣既有利于幫助學(xué)生理解、掌握和運用理論知識，又有利于培養(yǎng)學(xué)生觀察思考與動手操作的能力。

3 結(jié)語

本文探索了虛擬仿真技術(shù)在工業(yè)設(shè)計綜合實驗中的應(yīng)用，分析了工業(yè)設(shè)計綜合實驗中引入虛擬仿真技術(shù)的必要性以及運用虛擬仿真的具體優(yōu)勢和意義。虛擬仿真技術(shù)在工業(yè)設(shè)計綜合實驗中的應(yīng)用，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，挖掘?qū)W生的探索精神，提高學(xué)生的工程素養(yǎng)水平，在訓(xùn)練基礎(chǔ)技能的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)出具有創(chuàng)新能力的復(fù)合型人才。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王琛，于嘉浩，陸紅紅，蔣雨婷.基于快速成型技術(shù)的中國古典家具模型制作工藝研究[J].家具，2018，39（6）：40-44.

[2] 郁舒蘭，施佳露，于娜，吳成.交互式老年人手指握力康復(fù)產(chǎn)品設(shè)計[J].家具，2019，41（2）：84-88.

[3] 王子軒，吳智慧.辦公環(huán)境中建筑與家具的文化體現(xiàn)[J].家具，2019，41（2）：41-45.

[4] 周季純，吳燕.圈椅的起源與發(fā)展[J].家具，2019，41（2）：62-65.

[5] 高玲玲，徐偉.縮短有限定制沙發(fā)平均生產(chǎn)周期的方法研究[J].家具，2019，41（2）：13-17.

[6] 姚月姝，祁憶青，王丹.冬季室內(nèi)有害揮發(fā)物釋放特征及防治措施[J].家具，2018，39（2）：11-14+23.

作者簡介：王琛，男，南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計學(xué)院實驗師，主要研究方向：工業(yè)設(shè)計工程。