利用虚拟制造技术进行模具实训实验教学的探讨获奖科研报告

利用虚拟制造技术进行模具实训实验教学的探讨获奖科研报告摘要：《塑料成型工艺及模具设计》是机械专业一门重要的基础课程，特别是机械制造及其自动化或模具专业尤为重要。对于我国制造业大国来讲，模具的研发能力决定我国的综合国力水平。因此，针对该课程的重要性和难教难学的特点，作者提出利用虚拟制造技术搭建实训实验教学平台，对原有的填鸭式被动学习的教学方式加以改进，增强教与学的灵活性和趣味性，培养学生的模具设计创新能力，创造轻松的学习环境条件，增强学生获取知识的效果。

关键词：模具实训教学改革虚拟制造

1.引言

模具被称为“工业母机”，机电新产品的开发往往取决于模具的研发能力。现有的模具学习模式主要是学生分批分组地进实验室动手操作，对于经费充足且学生生源比较少的学校，现有模式切实可行。但随着目前各大高校招生规模逐渐增加，师生比例严重失衡，学生再像传统实训模式那样一个一个地走进实验室进行实训教学，显然会大大增加时间成本和经济成本。塑料注塑成型过程中设备成本较高，少则十万左右，贵则五六十万，单一的设备不能满足实训教学的需求。以普通模具实训为例，选修该教学课程试验96人，每批学生8人，共需12批次。一个注塑产品从开始到冷却结束约需10分钟，一大节课90分钟，也就是说，每批次学生仅能完成注塑一个产品过程，完全不能满足培养学生由验证性实验到设计性实验的实训出发点。如果减少每批次人数到4人，增大批次次数到24次，老师和学生的时间成本就会大大增加一倍。另外，塑料材料在注塑的过程中会发出刺鼻的味道，对使用者造成影响，对人体造成一定的损害。因此，迫切需要对目前的实训教学模式进行改革。

2.实训教学平台构建

2.1实训平台系统组成

该实训平台主要由教师模块、服务器模块和学生模块三部分构成。该平台中教师模块设有教师客户端和助教客户端，教师客户端主要用于向学生发出任务指令，指导学生对实训教学内容进行操作和学习，助教客户端用于教师助理辅助教师完成教学任务，教师助理在教师缺席时行使教师职责。服务器模块主要用于对学生实训教学知识的获取进行指导、训练，最终达到掌握知识点的目的，该模块的实现基于虚拟制造技术来模拟模具成型工艺实际过程及模具设计实际效果。学生模块中的学生客户端主要用于对教师客户端任务指令的反馈。教师模块、服务器模块和学生模块三大模块通过网络连接组成一个闭环网络，教师教学通过教师客户端发出指令，学生在学生客户端接收到教学指令，根据自己的时间安排在服务器模块上完成学习内容。客户端主要是电脑或手机等多媒体终端。

服务器模块包括五大子模块：理论学习子模块、实践教学子模块、实训子模块、创新子模块和考核子模块。这五大模块的连接顺序为顺序连接，采用MATLAB软件设计形成，每个子模块相互关联又可独立运行。服务器模块可以根据实训教学的不同内容选取配有不同内容的子模块。理论学习子模块，主要用于学生对模具成型工艺及模具设计基础理论的学习，学生可以依据自身实际情况有选择地进行基础理论学习，避免理论知识掌握程度不同的学生学习进度一样，浪费时间；基础良好的学生可以选择略过此步骤，基础相对薄弱的学生可以快速对该部分知识进行掌握。实践教学子模块中包含视频、图片和文字数据库对模具成型工艺及模具设计进行虚拟演示、说明，并对实际的案例给予讲解。实训子模块中包含详细的塑料注塑成型工艺虚拟过程演示及虚拟过程操作，且配有操作步骤语音提示，用于学生的实际案例训练。创新子模块主要是针对注塑缺陷进行原因分析和解释，用于指导学生虚拟设计新型的模具结构，这是本实训平台的一大亮点，其他的教学方法不可比拟。考核子模块用于对学生的考评，学生可以依据考核的结果进行有选择的重复学习，教师也可在教师客户端看到考核成绩，并对学生学习成绩给予评定，同时对学生下一步学习进行指导。

该实训平台的另一亮点是学生可以申请多次考核，直到掌握知识点。子模块设有考试题库，学生可以申请进行考核，但总次数不能超过三次，教师考核时由系统随机选取出考试试题，测试平均值作为最后考核结果。

2.2教学案例分析

教师通过教师模块发生任务指令，如汽车灯罩注塑的学习，学生由学生模块接收到任务指令，根据自己的时间安排，选择适合自己的进度进行学习。如学生A欲选择周三下午七八小节进行学习，因为自己没有电脑工具进行该课程的学习，所以用手机向平台教师模块客户端发出预约请求，任课教师根据自己或助教的时间安排反馈给学生A，学生A按照自己的预约时间进入平台服务器模块开始学习。

首先学生A根据自己的学习基础，进入理论学习子模块，了解、加深、巩固塑料基础知识，如聚乙烯、聚丙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等，然后对注塑机和注塑模具知识进行复习，再对注塑成型工艺知识进行课程学习的前期预习；然后是实践教学模块，搜索操作工程案例库，选择汽车零部件，找到本节课的学习任务汽车灯罩，通过动画学习汽车前大灯的主要组成，包括近光灯、远光灯、示宽灯和转向灯等；在掌握汽车灯罩理论的基础上，进入实训子模块的学习，实训工艺流程中系统会提示马达是否加热等，当加热温度升高到250℃时，系统提示可以进行下步操作，学生根据上面对注塑工艺流程的知识掌握，依次进行合模、座台进、射出、保压、冷却、储料、射退、开模、顶出等工艺步骤来完成汽车灯罩产品的注塑；如果在操作过程中流程出现操作失误，系统会进行语音提示，同时待样品注塑结束，系统会对注塑过程中涉及的核心工艺进行讲解；在实训的基础上，学生A可以进行下步创新子模块的学习，通过对自己注塑的汽车灯罩产品进行观察，发现有气孔和熔接焊现象发生，分析认为成型不良的原因可能与模具浇注系统的结构参数设计缺陷有很大关系或者是模具排气不良、脱模剂使用不当、塑件结构设计不合理等因素有关；学生A经过分析提出在设计过程中对塑件壁厚进行改善，减少浇口数目，对浇口位置进行改进及提出设置辅助流道等方法；在兴趣和知识点掌握的基础上，学生A也可以进行民生用品或工具螺丝刀、耳麦的学习；最后，学生A向考核子模块发出申请考核，教师客户端或助教客户端发出随机出题指令，学生A完成任务结束提交自己的成果，教师模块给出考核成绩，如果学生A觉得由于掌握知识点不到位，考核成绩不理想，可以再次申请学习和考核，教师也可在教师客户端看到考核成绩，并对学生A学习成绩给予评定，同时对学生A下一步学习进行指导，通过该实训平台反复学习，学生A完成模具成型工艺及模具设计内容的学习并掌握相关知识。

3.结语

虚拟制造技术促进了学习交流方式的变革，该平台的设计不受时间和空间的限制、可操作性强、适合不同学习成绩的学生自己选择学习内容，并且学生可以进行自我考核，同时在教学过程中实验