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

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。