材料成型數(shù)字化虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

申文竹，王 斌，易 鋒，劉 麗，武 斌，楊 眉

隨著高校的持續(xù)擴(kuò)招,我國(guó)高等教育規(guī)模躍居世界第一位。然而由于教育投入的嚴(yán)重不足,盡管很多學(xué)校都把實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)放在首位,但受資金制約,與重點(diǎn)大學(xué)相比,承擔(dān)擴(kuò)招重任的一般院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源明顯不足,部分單臺(tái)價(jià)格高、運(yùn)行費(fèi)用大的設(shè)備更是缺少,學(xué)生只能通過教師在課堂上的講述了解實(shí)踐設(shè)備及操作,致使實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到培養(yǎng)要求[1]。

打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和手段的局限,充分利用現(xiàn)代模擬技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行能力培養(yǎng),提升專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果,已經(jīng)成為培養(yǎng)學(xué)生能力的必要有效手段[2]。近年來,軟件模擬及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟,為高價(jià)值、高能耗、高成本、高風(fēng)險(xiǎn)的 “四高”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開設(shè)奠定了基礎(chǔ),更為抽象實(shí)驗(yàn)的開設(shè)帶來了希望[3]。開設(shè)數(shù)字化虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為很多高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的方向之一[4]。

目前,國(guó)內(nèi)很多高校的材料學(xué)科都已經(jīng)建立了虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)用于教學(xué)實(shí)踐,對(duì)專業(yè)教學(xué)和學(xué)生的能力培養(yǎng)都有明顯的促進(jìn)作用[5-7]。本文詳細(xì)介紹了西南石油大學(xué)材料學(xué)院材料成型數(shù)字化虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)與探索過程,以期為類似情況高校的專業(yè)建設(shè)實(shí)驗(yàn)改革提供參考。

1 數(shù)字化虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

西南石油大學(xué)材料控制與成型專業(yè)是2010年獲批的新辦專業(yè),該專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備單值高,占地大,運(yùn)行成本高,加之該專業(yè)社會(huì)需求大,學(xué)生人數(shù)多,傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式難以滿足培養(yǎng)要求,設(shè)計(jì)型和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)更無法開展。數(shù)字化虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本低,時(shí)間和空間不受限制,能夠作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充和補(bǔ)強(qiáng)。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)是：通過引入現(xiàn)代教育技術(shù),利用已購置的部分教學(xué)軟件,整合開發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,建立材料成型虛擬實(shí)驗(yàn)室,構(gòu)建材料成型虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)；通過探索虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的作用,增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

2 數(shù)字化虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與實(shí)踐

2.1 搭建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

圍繞虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)目標(biāo),在整合原有鑄造仿真JSCAST和材料塑性成型仿真DEFORM軟件,成功構(gòu)建成型虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上,利用教師科研資源,將材料成型與加工虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的成功經(jīng)驗(yàn)滲透到材料學(xué)科各個(gè)專業(yè),構(gòu)建滿足材料學(xué)科“設(shè)計(jì)—加工—結(jié)構(gòu)—性能”實(shí)驗(yàn)要求的材料科學(xué)與工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),搭建滿足培養(yǎng)要求,涵蓋課程實(shí)驗(yàn)、第二課堂、開放和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽在內(nèi)的5大類實(shí)踐課程體系。

2.1.1 構(gòu)建材料成型與加工虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

學(xué)院原已購有5臺(tái)套單機(jī)版的JSCAST及DEFORM軟件,為本科生開設(shè)了5年的課程教學(xué)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)實(shí)驗(yàn)；但隨著學(xué)生數(shù)量的增多,臺(tái)套數(shù)越來越成為實(shí)驗(yàn)的瓶頸。為此,從2015年開始,在學(xué)校支持下,學(xué)院購置了31臺(tái)微機(jī)和2臺(tái)服務(wù)器,構(gòu)建了局域網(wǎng)；同時(shí)結(jié)合原來焊接實(shí)體試驗(yàn)的不足,購置了焊接工藝仿真軟件Simufact.welding,成功搭建了材料成型與加工虛擬平臺(tái)。該平臺(tái)有以下3個(gè)主要功能。

1)液態(tài)成型虛擬仿真模塊。

液態(tài)成型是將液態(tài)金屬澆注到與零件形狀、尺寸相適應(yīng)的鑄型型腔中,冷卻凝固以獲得毛坯或零件的生產(chǎn)方法。加工產(chǎn)品種類多,加工方法多,工藝流程長(zhǎng),涉及高溫和高壓,污染嚴(yán)重,加工過程難以用現(xiàn)有手段觀察。

新搭建的液態(tài)成型虛擬仿真模塊可進(jìn)行液態(tài)成型工藝設(shè)計(jì),可通過仿真,可視化觀察到液態(tài)金屬在模具中充型流動(dòng)過程以及流體流動(dòng)的速度場(chǎng),可視化觀察任一瞬間鑄件以及模具的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng),可視化預(yù)測(cè)與觀察鑄件缺陷出現(xiàn)的類型、預(yù)計(jì)部位以及尺寸[8]。鋁合金汽車箱體重力鑄造充型模擬過程如圖1所示。

2)塑性加工模擬仿真模塊。

金屬塑性加工過程復(fù)雜,影響參數(shù)眾多,且往往交叉影響。傳統(tǒng)研究以 “試錯(cuò)”為基本方法,需經(jīng)多次設(shè)計(jì)、試制、設(shè)計(jì)修改過程,周期長(zhǎng),成本高,可靠性差。

塑性加工模擬仿真技術(shù)可在模具加工前檢驗(yàn)?zāi)＞哧P(guān)鍵工作部分形狀和尺寸設(shè)計(jì)的合理性,分析材料的流動(dòng)規(guī)律,預(yù)測(cè)是否產(chǎn)生缺陷,優(yōu)化工藝參數(shù),確保工藝、設(shè)計(jì)和模具制造一次成功,使塑性加工進(jìn)入以模型化、最優(yōu)化和柔性化為特征的工程科學(xué)階段,提高塑性加工行業(yè)的科學(xué)化水平。四寸316 L基篩管膨脹過程模擬如圖2所示。

圖1 鋁合金汽車箱體重力鑄造充型模擬過程

圖2 四寸316 L基篩管膨脹過程模擬

3)焊接虛擬成型仿真模塊。

實(shí)驗(yàn)室實(shí)物焊接試驗(yàn)一直面臨焊接方法多,焊接設(shè)備投入大,焊接過程中粉塵大,焊接電弧對(duì)身體危害大,焊接用氣體 (H2、CO2、CH4)和電源危險(xiǎn)性大,難以用現(xiàn)有手段觀察焊接過程等難題。利用Simufact.welding軟件,可快速完成焊接工藝方法與工藝參數(shù)的優(yōu)化,仿真分析焊接過程中材料金相組織、力學(xué)性能的變化規(guī)律,可視化焊接過程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)變化,預(yù)測(cè)焊接過程中的變形缺陷,分析焊接缺陷對(duì)焊接結(jié)構(gòu)組織性能的影響規(guī)律。

2.1.2 基于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開設(shè)第二課堂

為貫徹 “以學(xué)生為本”的培養(yǎng)理念,培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)的材料學(xué)科高素質(zhì)人才,單靠傳統(tǒng)的課程實(shí)驗(yàn),遠(yuǎn)滿足不了學(xué)生個(gè)性化發(fā)展的要求。為此,在構(gòu)建了材料成型及加工虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后,為滿足學(xué)生個(gè)性化實(shí)踐能力培養(yǎng)的要求,將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)引入大材料學(xué)科。利用科研Materials Studio和Themo-calc軟件,搭建材料設(shè)計(jì)計(jì)算仿真平臺(tái)；利用科研ANSYS和Fluent軟件,搭建了材料力學(xué)與工程仿真平臺(tái)；加上材料成型及加工虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及科研Gromacs和Lammps等軟件,共同構(gòu)建了基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的第二課堂平臺(tái)。該平臺(tái)涉及金屬、無機(jī)、高分子材料的設(shè)計(jì)以及加工等內(nèi)容,可滿足學(xué)院四個(gè)年級(jí)四個(gè)專業(yè)學(xué)生的大學(xué)生課外開放實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、本科畢業(yè)論文和大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽等活動(dòng)要求,如圖3所示。

圖3 材料科學(xué)與工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)成

2.1.3 構(gòu)建滿足材料學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求的課程體系

根據(jù)人才培養(yǎng)計(jì)劃要求,基于 “學(xué)生為主體”的教學(xué)理念,利用整合好的金屬材料成型虛擬仿真平臺(tái)、材料設(shè)計(jì)計(jì)算仿真平臺(tái)以及材料力學(xué)與工程仿真平臺(tái),結(jié)合實(shí)體實(shí)驗(yàn),構(gòu)建了由滿足材料學(xué)科“設(shè)計(jì)—加工—結(jié)構(gòu)—性能”四要素教學(xué)環(huán)節(jié)中虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求的一整套課程體系。

該體系結(jié)合課程理論教學(xué),融合實(shí)體實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、第二課堂及學(xué)科競(jìng)賽項(xiàng)目、大學(xué)生開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及畢業(yè)設(shè)計(jì)、企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)參觀教學(xué)等實(shí)踐教學(xué)活動(dòng),構(gòu)成一整套能夠較好地滿足材料學(xué)科人才實(shí)踐能力培養(yǎng)要求的課程體系。

2.2 探索虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法及模式

2.2.1 設(shè)計(jì) “虛實(shí)結(jié)合、以虛補(bǔ)實(shí)、能實(shí)不虛”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

金屬材料成型加工的實(shí)驗(yàn),大學(xué)里幾十年一貫制,基本上是講加工原理,進(jìn)行不同加工條件下材料的組織性能試驗(yàn),“設(shè)計(jì)”和 “加工過程”基本不涉獵。這主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)材料設(shè)計(jì)基本依據(jù)掌握的理論及實(shí)踐知識(shí),沿用傳統(tǒng)的 “炒菜”試加模式,時(shí)間長(zhǎng)、成本高,安全性差；而加工過程難以用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行組織動(dòng)態(tài)性能剖析,因而也沒辦法進(jìn)行。

引入虛擬仿真試驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)后,圍繞材料“設(shè)計(jì)—加工—結(jié)構(gòu)—性能”四要素, “設(shè)計(jì)”試驗(yàn)環(huán)節(jié)可借助于Materials Studio和Themo-calc等材料設(shè)計(jì)軟件,利用第一性原理開展材料電子行為的虛擬仿真實(shí)驗(yàn),計(jì)算具有周期性結(jié)構(gòu)的材料對(duì)應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)。這不僅有助于學(xué)生形象理解在量子力學(xué)、固體物理與半導(dǎo)體物理中所學(xué)的理論知識(shí),將抽象的公式形象化、具體化,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入原子和電子的微觀領(lǐng)域,而且提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性。利用Gromacs和Lammps軟件,模擬研究金屬、無機(jī)、高分子材料及生物大分子在各種時(shí)間尺度下的動(dòng)態(tài)行為；利用JSCAST、DEFORM和Simufact.welding軟件,開展金屬材料在不同加工過程中組織性能的動(dòng)態(tài)行為研究。以JSCAST軟件為例,實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生自己通過操作平臺(tái),設(shè)置不同成型方法 (重力鑄造、壓力鑄造和離心鑄造等),設(shè)置不同工藝參數(shù) (比如澆注溫度、充型壓力和澆注系統(tǒng)參數(shù)等),可視化觀察并分析工藝方法和工藝參數(shù)等因素對(duì)鑄件成型的影響規(guī)律,為工藝方法和工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。型砂性能評(píng)定及造型、鋁合金熔煉澆注及鑄件質(zhì)量評(píng)價(jià)等實(shí)體實(shí)驗(yàn)?zāi)芡瓿傻?則堅(jiān)決進(jìn)行實(shí)體實(shí)驗(yàn),能實(shí)不虛。虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合,滿足了學(xué)生在實(shí)體實(shí)驗(yàn)中難以完成的教學(xué)要求,使一些條件不具備的實(shí)驗(yàn),可以重復(fù)實(shí)驗(yàn),隨時(shí)實(shí)驗(yàn)。有效解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的以教師為中心、以傳授知識(shí)為主、學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)的單向傳遞教學(xué)模式。學(xué)生變被動(dòng)學(xué)習(xí)為自助主動(dòng)學(xué)習(xí),提升學(xué)習(xí)興趣,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果,如圖4所示。

圖4 “虛實(shí)結(jié)合”思想及案例

2.2.2 開設(shè)視頻教學(xué)方式，實(shí)現(xiàn)課堂課外結(jié)合

將學(xué)院價(jià)值在30萬以上、使用機(jī)時(shí)數(shù)較高的大型分析儀器的實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)錄制成系列視頻,替代教師課堂上的演示。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,教師向?qū)W生操作演示的過程里,部分學(xué)生跟不上、看不清,尤其是對(duì)電腦屏幕界面的參數(shù)設(shè)置和鼠標(biāo)操作不能詳細(xì)記錄,而通常情況下,儀器的操作演示不可逆,一般只進(jìn)行一次,不利于學(xué)生完全掌握儀器的操作流程[9-10]。

通過播放錄制好的儀器操作視頻,學(xué)生可以課前提前進(jìn)行預(yù)習(xí),同時(shí)教師還可以隨時(shí)暫停視頻,把關(guān)鍵動(dòng)作重復(fù)播放或?qū)⒉僮鬟^程中的注意事項(xiàng)強(qiáng)調(diào)給學(xué)生,使其對(duì)操作流程細(xì)節(jié)的記憶和理解更加清楚明了[11]。例如,學(xué)院專業(yè)型碩士培養(yǎng)要求中有一項(xiàng)要求,就是必須掌握一種大精設(shè)備的操作技能,并考取操作證書。通過錄制的大型儀器操作視頻,學(xué)生可根據(jù)自身專業(yè)方向和興趣愛好選擇學(xué)習(xí)種類,也可作為課外愛好鉆研探索。同時(shí),錄制好的操作視頻,也可以為后期虛擬仿真平臺(tái)預(yù)約系統(tǒng)使用[12]。

3 材料成型數(shù)字化虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)成效

通過材料成型數(shù)字化虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)幾年的探索研究與實(shí)踐,建設(shè)了獨(dú)立的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室,成功搭建了材料設(shè)計(jì)成型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；探索建立了虛實(shí)結(jié)合、以虛補(bǔ)實(shí)、能實(shí)不虛的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法及模式；建設(shè)了一支技術(shù)過硬,滿足虛擬仿真人才培養(yǎng)要求的實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍；建立了滿足自主開放實(shí)驗(yàn)要求的管理制度；構(gòu)建了基于虛擬仿真平臺(tái)的課程實(shí)驗(yàn)體系。

新開設(shè)了7項(xiàng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,參加學(xué)習(xí)人時(shí)數(shù)達(dá)到1 544人時(shí)數(shù),解決了加工過程中的結(jié)構(gòu)變化等看不見摸不著,抽象問題的認(rèn)知難題；增加了學(xué)習(xí)的形象性和興趣性。搭建的基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的第二課堂平臺(tái)及實(shí)驗(yàn)體系,覆蓋了學(xué)院4個(gè)年級(jí)的4個(gè)專業(yè)；可滿足大學(xué)生課外開放實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)、大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽和研究生科學(xué)研究等各種要求,涉及金屬、無機(jī)、高分子材料的設(shè)計(jì)、加工和結(jié)構(gòu)計(jì)算等內(nèi)容。學(xué)生利用虛擬仿真首次參加全國(guó)鑄造設(shè)計(jì)大賽,獲優(yōu)勝獎(jiǎng)一項(xiàng),參與獎(jiǎng)一項(xiàng),擴(kuò)大了學(xué)校知名度和社會(huì)影響。

4 結(jié)束語

通過幾年的探索,學(xué)院的材料成型數(shù)字化虛擬教學(xué)實(shí)踐取得了較好的效果,學(xué)生動(dòng)手能力得到了提高,對(duì)抽象知識(shí)的理解得到了加強(qiáng),知識(shí)點(diǎn)掌握牢固,課堂教學(xué)效果和課外知識(shí)豐富有所提升,該專業(yè)學(xué)生就業(yè)率比其他專業(yè)略高,回訪用人單位對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)也較好。下一階段,學(xué)院將結(jié)合自身教學(xué)實(shí)際,擴(kuò)大虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用范圍,加強(qiáng)虛擬實(shí)驗(yàn)教材的建設(shè)力度,促進(jìn)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可持續(xù)發(fā)展,為創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)做出更大的努力。

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