虛實結(jié)合的模具設(shè)計制造實踐教學體系構(gòu)建

周海+徐曉明+陳西府+黃傳錦

摘要：針對材料成型與控制工程專業(yè)模具設(shè)計制造實踐教學開展難度大、實物實訓運行與維護費用高、場地受限等問題，本文首先分析了實踐教學的現(xiàn)實困境，基于虛擬仿真技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)等，提出虛實結(jié)合的模具設(shè)計制造實踐教學體系的建設(shè)要素及其對實踐教學的提升作用。然后從“細分三層能力結(jié)構(gòu)”、“五項結(jié)合”的實踐教學運行模式、“能力主線”的課程方案和實踐教學質(zhì)量保障機制等方面，重點論述虛實結(jié)合的實踐教學體系的改革及建設(shè)方案，深耕模具設(shè)計制造實踐教學的本質(zhì)，就虛實結(jié)合的實踐教學內(nèi)容和具體實施方法展開研究。與此同時，應(yīng)用型地方本科高校虛實結(jié)合的模具設(shè)計制造實踐教學體系建設(shè)還需要堅守信息化、智能化的辦學理念，面向區(qū)域校企聯(lián)合共建。

關(guān)鍵詞：模具設(shè)計制造；實踐教學；虛實結(jié)合；應(yīng)用型

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）09-0141-04

模具設(shè)計制造實踐教學是應(yīng)用型本科高校學生系統(tǒng)掌握材料成型與控制工程專業(yè)知識的重要途徑，在培養(yǎng)學生模具創(chuàng)新設(shè)計意識、動手實踐能力和科學素質(zhì)等方面發(fā)揮著不可替代的作用。然而傳統(tǒng)實踐教學體系中行為主義思想嚴重，實踐教學模式普遍存在機械式仿照，此外由于實踐教學場地、儀器設(shè)備等的限制，實踐教學在能力導向、創(chuàng)新發(fā)展的工程技術(shù)人才培養(yǎng)方面未能充分發(fā)揮其作用[1-2]。隨著虛擬仿真技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)等在模具設(shè)計制造實踐教學中的逐步應(yīng)用，與實體實訓相輔相成的虛實結(jié)合的模具設(shè)計制造實踐教學由此形成，將現(xiàn)代前沿信息化科技融入傳統(tǒng)實踐教學，深耕工程教育實踐教學體系的本質(zhì)，改善實踐教學效果，提高實踐教學質(zhì)量[3-4]。

一、材料成型與控制工程專業(yè)開展實踐教學的現(xiàn)實困境

應(yīng)用型本科高校材料成型與控制工程專業(yè)，主要面向模具制造行業(yè)培養(yǎng)專業(yè)從事模具設(shè)計、模具加工制造等工作的高素質(zhì)工程技術(shù)人才。傳統(tǒng)模具設(shè)計制造實踐教學因條件的限制，人才培養(yǎng)的質(zhì)量還未能與“中國制造2025”戰(zhàn)略下模具制造企業(yè)對高端工程技術(shù)人才的迫切需求相同步，學生畢業(yè)后在行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)仍需接受較長時間的企業(yè)再培訓[5]，材料成型與控制工程專業(yè)開展實踐教學的現(xiàn)實困境主要表現(xiàn)如下。

（一）實踐教學資源成本高、利用效率低、安全隱患大

模具設(shè)計制造實踐教學函括模具設(shè)計分析、模具加工制造等多方面實踐實訓項目，普遍存在實訓儀器設(shè)備昂貴、材料消耗大、實訓周期長等問題，使得實踐教學過程中實訓項目難以在真實環(huán)境下依次開展。實訓基地和實驗室里的儀器設(shè)備在非教學時間段內(nèi)基本處于停放狀態(tài)，利用效率非常低下，運作與維護成本較高[6]。在模具的機床加工制造、大型模具的拆裝等實物設(shè)備實踐教學環(huán)節(jié)中，由于學生實踐動手經(jīng)驗有限，指導教師現(xiàn)場示范操作復雜儀器設(shè)備時，難以保證所有學生都能清楚掌握整個操作流程，學生的實訓操作也很難逐一顧及，容易發(fā)生突發(fā)性事故，影響實踐教學的安全性，因此實物實踐教學本身存在一定的局限性。

（二）學生實踐能力不足、創(chuàng)新意識不強

模具設(shè)計制造實踐教學設(shè)備老化，各項功能技術(shù)指標已不能達到規(guī)定標準，導致實踐教學儀器設(shè)備的數(shù)量與學生實訓人數(shù)不匹配，部分實踐教學課程多名學生共同操作一臺實訓設(shè)備，實踐教學過程還經(jīng)常因故障而拖延或終止，學生個體所獲取的實踐練習嚴重不足，甚至讓實踐教學成為一種形式，失去其本身意義。由此引發(fā)理論聯(lián)系實際的專業(yè)教學轉(zhuǎn)變?yōu)橐岳碚撝R學習為主的單一教學，使得學生實踐能力相對不足、創(chuàng)新意識薄弱，影響材料成型與控制工程專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量。

（三）實踐教學質(zhì)量與行業(yè)企業(yè)發(fā)展需求相脫節(jié)

模具設(shè)計制造實踐教學在場地、儀器設(shè)備等硬件建設(shè)方面的投入經(jīng)費逐年增加，但隨著模具行業(yè)現(xiàn)行技術(shù)的快速升級，原有的儀器設(shè)備型號逐漸落后，特別是相對貴重的大型儀器設(shè)備，與行業(yè)發(fā)展密切相關(guān)的先進儀器設(shè)備更是嚴重不足。這致使實踐教學內(nèi)容陳舊，學生在實踐環(huán)節(jié)中所掌握的模具設(shè)計制造理論知識、加工工藝方案和設(shè)備操作技能等與現(xiàn)行企業(yè)生產(chǎn)實際嚴重不符，材料成型與控制工程專業(yè)實踐教學質(zhì)量與相關(guān)企業(yè)人才能力需求的差距逐年擴大。

二、虛實結(jié)合的模具設(shè)計制造實踐教學平臺的構(gòu)建

（一）面向模具設(shè)計制造過程進行全流程的高度仿真實踐教學——“虛”

模具智能化設(shè)計制造過程中內(nèi)部運行規(guī)律無法進行實驗或深入理解，傳統(tǒng)實物實踐教學設(shè)備很難實現(xiàn)學生自主設(shè)計實驗[7]，將信息化虛擬設(shè)計技術(shù)引入到材料成型與控制工程專業(yè)實踐教學中，面向模具設(shè)計制造過程進行全流程的高度仿真實踐教學。在西門子公司TeamCenter系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，全面集成NX、Tecnomatix、SolidEdge、Ansys、MSC Nastran等軟件，構(gòu)建虛實結(jié)合的模具設(shè)計制造實踐教學平臺，開發(fā)面向模具設(shè)計制造行業(yè)的產(chǎn)品三維設(shè)計、有限元分析、計算機輔助工藝分析、虛擬制造、虛擬裝配、虛擬運營等數(shù)字化教學資源和實訓項目。借助虛擬仿真實踐教學資源，學生可以在虛擬環(huán)境中開展實驗，實現(xiàn)實物實驗不具備或難以完成的教學功能，促進知識的轉(zhuǎn)化與拓展。模具產(chǎn)品的虛擬設(shè)計是現(xiàn)代模具制造企業(yè)常用的設(shè)計方法，虛擬設(shè)計制造實踐教學是滿足學生掌握現(xiàn)代模具設(shè)計方法的必要前提[8]。因此，虛擬仿真實踐教學項目能很好地培養(yǎng)學生的自主設(shè)計實驗能力、創(chuàng)造思維能力、實驗分析能力、運用現(xiàn)代信息技術(shù)能力，營造符合現(xiàn)代先進制造業(yè)需求的數(shù)字化教學和實訓環(huán)境。

（二）平臺共享、項目驅(qū)動、賽學結(jié)合，構(gòu)建虛實相長的工程實踐教學——“實”

依托虛實結(jié)合的模具設(shè)計制造實踐教學平臺，開展相關(guān)專業(yè)的實驗教學項目、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目、學科競賽項目和各類學生科研項目等真實實踐教學，形成“導、賽、學”良性互動。從大一開始實施“新生導師制”，給每位新生配備導師，為學生提供四年一貫的全方位指導，從大二開始，引導學生參與學科競賽和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，實行學科競賽學分制，通過實施學業(yè)導師制和學科競賽學分制，推動本專業(yè)的學風建設(shè)。實踐教學過程中汲取先進的模具設(shè)計制造理念，導入工程生產(chǎn)管理、經(jīng)營運作模式，融入現(xiàn)代模具企業(yè)實際案例。虛實結(jié)合的模具設(shè)計制造實踐平臺，解決了時間和空間對傳統(tǒng)實踐教學模式的限制，實現(xiàn)教學資源的共建共享、跨學科利用，為學生自主學習提供支撐。

三、遵循應(yīng)用型工程技術(shù)人才培養(yǎng)的規(guī)律，創(chuàng)建虛實結(jié)合的模具設(shè)計制造實踐教學體系

（一）虛實結(jié)合的實踐教學“細分三層能力結(jié)構(gòu)”

圍繞模具行業(yè)工程技術(shù)人才需求的多樣化、能力素質(zhì)的多元化和學生個性的差異化，由淺入深搭建基礎(chǔ)能力、必備能力和拓展能力循序漸進的實踐教學“細分三層能力結(jié)構(gòu)”，如圖1所示。依據(jù)模具行業(yè)的標準制定實踐教學培養(yǎng)方案，明確學生培養(yǎng)的基礎(chǔ)能力和必備能力要求。按照模具行業(yè)發(fā)展的趨勢、“中國制造2025”戰(zhàn)略提出的創(chuàng)新人才要求，確定學生培養(yǎng)的拓展能力。細分能力素質(zhì)構(gòu)成要素，按能力遞進層次架構(gòu)相應(yīng)的能力實踐教學體系?；A(chǔ)能力階段培養(yǎng)學生的模具產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計能力、模具制造工藝設(shè)計能力、CAX/PDM系統(tǒng)應(yīng)用與項目實施能力等基礎(chǔ)實踐能力；必備能力階段注重學生模具設(shè)計制造專業(yè)實踐綜合能力、NX項目實踐綜合能力等的培養(yǎng)；拓展能力階段突出學生創(chuàng)新發(fā)展能力、項目運作協(xié)調(diào)能力的培養(yǎng)，從而滿足行業(yè)企業(yè)對復合型工程技術(shù)人才的需求。

（二）“五項結(jié)合”的實踐教學運行模式

以虛實結(jié)合的模具設(shè)計制造實踐教學平臺為核心，按照“虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛”的原則，積極探索虛實結(jié)合的實踐教學運行機制。實行“虛擬仿真實驗+真實課程實驗”、“虛擬仿真實驗+課外創(chuàng)新實踐”、“虛擬仿真實驗+校外現(xiàn)場實踐”、“虛擬仿真實驗+綜合能力實踐”、“虛擬仿真實驗+畢業(yè)設(shè)計”五項結(jié)合的實踐教學運行模式，如圖2所示，以模具設(shè)計制造全流程、生產(chǎn)型實驗為載體，構(gòu)建面向應(yīng)用型工程技術(shù)人才能力素質(zhì)培養(yǎng)的實踐教學體系。

（三）“能力主線”的實踐教學指導思想

依據(jù)“細分三層能力結(jié)構(gòu)”的實踐教學體系，按照能力層級遞進規(guī)律，梳理出虛實結(jié)合的實踐教學項目之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系，模塊化設(shè)置實踐教學內(nèi)容，形成以能力培養(yǎng)為主線的實踐教學指導思想。圍繞先進、有用、有效的原則，將模具行業(yè)企業(yè)的最新工程技術(shù)和生產(chǎn)工藝、實際工程問題融入實踐教學內(nèi)容，提升學生分析、解決實際問題的能力。

（四）“兩督導、三評價、四評教”的實踐教學質(zhì)量保障機制

按照ISO9001全面質(zhì)量管理的理念，完善校、院兩級督導，實施學院、專業(yè)系、教師三級質(zhì)量評價和學生評教、同行評教、督導評教、社會評教等四個方面的評教，建立起虛實結(jié)合的實踐教學全程評價體系，科學地評價學生掌握相關(guān)知識的水平，保障實踐教學環(huán)節(jié)都處于受控狀態(tài)。將實踐教學監(jiān)控體系分成實訓項目標準體系、實踐教學執(zhí)行體系、實踐教學效果檢查體系和實踐教學信息反饋體系四個部分，從而提高過程監(jiān)控的效果，有力地保障了材料成型與控制工程專業(yè)學生培養(yǎng)的質(zhì)量。

四、虛實結(jié)合的模具設(shè)計制造實踐教學內(nèi)容和實施方法

（一）虛實結(jié)合的模具設(shè)計制造實踐教學內(nèi)容建設(shè)

通過UG、Pro/E、Catia、Solidworks等工業(yè)三維軟件建立現(xiàn)有實踐教學儀器設(shè)備的實物模型，運用3ds MAX、Maya、Softmage等三維動畫設(shè)計軟件生成模具加工制造、拆裝的仿真演示動畫。結(jié)合實際實驗環(huán)節(jié)，使用Authorware、Directer、Flash等多媒體編輯軟件將模型、動畫和語音等素材進行整合、集成，展現(xiàn)模具產(chǎn)品不同階段的設(shè)計制造原理演示。實踐教學實訓前學生預先在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下，按照制定的實驗步驟、要求及評判標準，進而實驗過程的操作與演示，從而使學生在有限實訓體驗過程中更有針對性的進行動手操作，合理分配實踐學習時間，就實踐教學中的疑問與指導教師進行討論交流，有效提升實踐教學的質(zhì)量效果，如圖3所示。

（二）基于工程實際案例的模具設(shè)計制造實訓項目建設(shè)

虛實結(jié)合的模具設(shè)計制造實踐教學平臺，將高校教師的縱/橫向課題、協(xié)同企業(yè)的工程實際案例等進行細分，提煉出能夠滿足在校大學生模具設(shè)計制造實踐教學、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練、學科競賽和畢業(yè)設(shè)計的實訓項目，如壓鑄模具的智能化設(shè)計、基于ATOS的缺陷模具數(shù)字化重構(gòu)、基于知識的產(chǎn)品智能化快速設(shè)計等。通過實訓項目建設(shè)將學生帶入與模具設(shè)計制造密切相關(guān)的科學應(yīng)用研究、工程技術(shù)開發(fā)等領(lǐng)域，促使學生參加社會實踐、自主創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等活動，激勵學生崇尚科學、追求真知、銳意進取、開拓創(chuàng)新。學生通過參加實踐教學實訓項目，能夠掌握很多書本上學不到的知識，很好地拓展學生的視野，豐富知識結(jié)構(gòu)，提升綜合能力，同時在人際交往團隊合作方面也能得到有效鍛煉。

（三）適應(yīng)大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)要求的實踐教學方法改革

傳統(tǒng)實踐教學大多數(shù)以現(xiàn)場觀摩、原理驗證為主，實訓內(nèi)容單一，學生無需思考，按部就班地照著實訓步驟就可以完成實訓任務(wù)，缺乏自主設(shè)計性，學生學習過程機械呆板、枯燥乏味，十分不利于創(chuàng)新能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。通過虛實結(jié)合的模具設(shè)計制造實踐教學體系，指導教師可以靈活地增加各種創(chuàng)新設(shè)計性實訓內(nèi)容，使學生根據(jù)實訓任務(wù)要求自行設(shè)計實訓方案，也可以結(jié)合實踐教學的需要，實時設(shè)置符合模具設(shè)計制造生產(chǎn)實際的特色情景模式，最大限度地激發(fā)學生自主學習的興趣，不僅能鍛煉學生獨立構(gòu)思和自主設(shè)計的能力，更有利于培養(yǎng)學生的動手實踐能力和創(chuàng)新精神。

五、應(yīng)用型地方本科高校虛實結(jié)合的模具設(shè)計制造實踐教學體系建設(shè)的信念堅守

（一）堅守信息化、智能化的辦學理念，以“智能設(shè)計、虛擬制造、信息管理、智能物聯(lián)”全生命周期的模具產(chǎn)品設(shè)計制造為主線

融入現(xiàn)代模具制造企業(yè)實際工程案例，引進行業(yè)高端信息化軟件，以全流程模具智能制造為載體，開發(fā)虛實結(jié)合的模具產(chǎn)品設(shè)計制造全周期的實踐教學項目，對學生進行實際工程項目的系統(tǒng)訓練，從而實現(xiàn)了學校、企業(yè)、學生“三方共贏”。將模具設(shè)計企業(yè)案例的生產(chǎn)全工藝過程進行規(guī)劃，制訂詳細的方案，構(gòu)建從設(shè)計部→制造車間→檢測中心→裝配車間→成型試模車間→模具展廳→商務(wù)中心的全流程實踐教學流程。在實際生產(chǎn)現(xiàn)場跟蹤、拍攝其實際加工過程，并制作成配套教學資源包開發(fā)面向產(chǎn)品智能制造全周期的產(chǎn)品三維設(shè)計、有限元分析、計算機輔助工藝分析、虛擬制造、虛擬裝配、虛擬運營等虛實結(jié)合的實踐教學資源和實踐教學項目。

（二）堅守能力為導向、面向模具設(shè)計制造實際，突出“一個中心，兩個協(xié)同”的校企聯(lián)合共建模式

按照共同投資、聯(lián)合開發(fā)、互利共享的原則，與區(qū)域模具設(shè)計制造支柱企業(yè)、行業(yè)高端軟件公司（西門子公司）開展全方位、立體化的產(chǎn)學合作，逐步形成“一個中心，兩個協(xié)同”的校企聯(lián)合辦學模式。“一個中心”即以校企聯(lián)合辦學為中心，共同成立以制造業(yè)信息化為核心的虛實結(jié)合的模具設(shè)計制造實踐教學平臺?！皟蓚€協(xié)同”即校企協(xié)同共建實訓項目、校外實踐教學基地、畢業(yè)設(shè)計課題和實踐教學指導教師隊伍等實踐教學資源，校企協(xié)同編制實踐教學內(nèi)容和實踐教學方法，將模具企業(yè)的先進設(shè)計制造理念、實際工程環(huán)境氛圍融入虛實結(jié)合的模具設(shè)計制造實踐教學中，培養(yǎng)模具行業(yè)需求的高端應(yīng)用型工程技術(shù)人才。

六、結(jié)語

基于虛擬仿真技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)等的虛實結(jié)合的模具設(shè)計制造實踐教學體系，營造了虛擬實驗與真實實訓相輔相成的實踐教學環(huán)境。與傳統(tǒng)實踐教學相比，教學內(nèi)容的深度與涉及模具行業(yè)領(lǐng)域的范圍都得到了改善和提高，有利于挖掘?qū)嵺`教學的潛能，從而促進學生工程實踐能力和創(chuàng)新發(fā)展意識的培養(yǎng)。同時有效緩解了實踐教學經(jīng)費、場地和儀器設(shè)備等方面的不足，促進信息化技術(shù)在實踐教學領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，加快了實踐教學內(nèi)容的豐富、實踐教學方法的改革和實踐教學觀念的升級。

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Construction of Combined Virtual and Experimental Practical Teaching System of Mold Design and Manufacture

ZHOU Hai，XU Xiao-ming，CHEN Xi-fu，HUANG Chuan-jin

（Yancheng Institute of Technology，Yancheng，Jiangsu 224051，China）

Abstract：Predicament of teaching practice was analyzed such as difficult to carry out，high costs of operating and maintenance and restricted sites in the process of practice teaching for material forming and control engineering mold design and manufacturing. Based on virtual simulation technology，computer network technology and multimedia technology，the construction of teaching system for mold design and manufacture virtual and practical was built which enhanced the role of practice teaching. From the practice teaching mode of "segment capacity structures of three stages" together with " five integration"，curriculum programs of " mainline capacity " and quality assurance mechanisms of teaching practice，construction and reform program of teaching system combined the actual situation and the practice was mainly discoursed. The study on the actual situation and the practice revealed the essence of practice teaching. Meanwhile，the construction of practical teaching system in application-oriented talents training of local undergraduate universities also needs to adhere to the information，intelligent educational philosophy and united building with oriented-region enterprises.

Key words：mold design and manufacturing；practical teaching；combined virtual and experimental；application type