專業(yè)課教學(xué)引入“軋機(jī)交互式仿真裝配軟件”的實(shí)踐

高彩茹　丁樺　張福波　曹光明

摘 要 論文介紹了材料成形機(jī)械設(shè)備課程的特點(diǎn)及軋機(jī)仿真交互式安裝軟件的功能，總結(jié)了在材料成形設(shè)備課堂教學(xué)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)引入虛擬技術(shù)-軋機(jī)交互式仿真裝配軟件演示與仿真組裝的效果和經(jīng)驗(yàn)， 可以為高校專業(yè)課教學(xué)提供一定的借鑒和參考。

關(guān)鍵詞 專業(yè)課教學(xué) 軋機(jī)仿真交互式安裝軟件 實(shí)踐教學(xué)

Abstract This paper introduces the characteristics of the materials forming machinery and equipment and the function of the interactive installation software of the rolling mill， and summarizes the effect and experience of introducing the virtual technology - the interactive simulation assembly software demonstration and simulation assembly of the material forming equipment classroom teaching and experimental teaching， and it can provide some reference and reference for the teaching of specialized courses in colleges and universities.

Keywords specialized course teaching； Rolling Mill Interactive Simulation Assembly Software； practice teaching

1 材料成形設(shè)備課教學(xué)的特點(diǎn)

材料成型機(jī)械設(shè)備課程是許多冶金類高校材料成型及控制工程專業(yè)的主干課、平臺(tái)課，涉及軋制、擠壓、拉拔、鍛造、沖壓、液態(tài)成型等多個(gè)成形過(guò)程的主輔設(shè)備。教學(xué)目的是從理論和實(shí)際的結(jié)合上系統(tǒng)地學(xué)習(xí)材料成形機(jī)械設(shè)備方面的知識(shí)，深入了解和掌握各類設(shè)備的工作原理，結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)和力能參數(shù)確定以及主要部件的強(qiáng)度與變形計(jì)算的基本方法和技能，為學(xué)生將來(lái)學(xué)習(xí)和工作奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)技能。

“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”提出未來(lái)工程技術(shù)人員的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中明確提出“設(shè)置的課程體系和課程內(nèi)容要能夠培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力”。兩項(xiàng)人才教育工程提出的更高的培養(yǎng)目標(biāo)給東北大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)課教學(xué)的改革提出了新的課題，也為教師進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法的改革提供了努力的方向。教師須從設(shè)備課自身特點(diǎn)入手，尋找解決問(wèn)題的突破口。

“材料成型機(jī)械設(shè)備”課程特點(diǎn)是內(nèi)容寬泛，與冶金企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備密切相關(guān)。學(xué)生對(duì)于設(shè)備的定義、結(jié)構(gòu)、組成、分類等知識(shí)的理解需要現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物的感性認(rèn)識(shí)作為基礎(chǔ)。課程知識(shí)點(diǎn)相互間聯(lián)系不甚密切，各章節(jié)獨(dú)立性較強(qiáng)。較少涉及數(shù)學(xué)推導(dǎo)和邏輯思維。對(duì)于課程的深入理解更多地需要感性認(rèn)識(shí)和想象力。學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)是提高理解程度和學(xué)習(xí)效果的關(guān)鍵因素。為了達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果，多年來(lái)本課程教師一直致力于提高學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)的方法的探索，如提高對(duì)金工實(shí)習(xí)、認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)等實(shí)踐環(huán)節(jié)的重視，加強(qiáng)教師在此環(huán)節(jié)的指導(dǎo)；開(kāi)發(fā)多媒體視頻、電子教材等輔助材料，課堂教學(xué)穿插PPT課件、電子教材、現(xiàn)場(chǎng)錄像視頻播放、收集圖片演示等多種手段，這些措施的實(shí)施對(duì)于提高學(xué)生的課堂理解力都收到了一定的成效。

教師們注意到近年來(lái)興起的計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)逐漸被引入高校的專業(yè)教學(xué)中。軋制設(shè)備教學(xué)很需要這樣一個(gè)交互式仿真軟件。學(xué)生不用到工廠車間，應(yīng)用電腦就可以仿真安裝軋機(jī)，相當(dāng)于增加了一次實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)。開(kāi)發(fā)了一款軋機(jī)交互式安裝軟件，即可應(yīng)用于課堂教學(xué)演示，又可作為實(shí)驗(yàn)課實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，可謂一舉兩得。

2 軋機(jī)交互式安裝教學(xué)軟件投入教學(xué)實(shí)踐

雖然學(xué)生在認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)階段可以得到一些金屬材料成形設(shè)備方面的一些直觀印象，但由于與課堂教學(xué)有一定時(shí)間間隔，在上專業(yè)課時(shí)往往已經(jīng)淡忘或模糊?；蛘咭?yàn)閷?shí)習(xí)時(shí)無(wú)法近距離觀察或觀察時(shí)間較短，在沒(méi)有系統(tǒng)講解情況下停留在“外行看熱鬧”的水平上。另外，軋制過(guò)程、擠壓過(guò)程及壓鑄過(guò)程等，都伴隨著高溫、高速、高壓等復(fù)雜的環(huán)境和條件，具有一定危險(xiǎn)性，學(xué)生無(wú)法近距離、長(zhǎng)時(shí)間觀察設(shè)備結(jié)構(gòu)，也就不能了解其詳。

2015年開(kāi)始，將軋機(jī)交互式安裝教學(xué)軟件首次投入課堂教學(xué)中。

該軟件以某企業(yè)二輥實(shí)驗(yàn)熱軋機(jī) CAD 圖紙為藍(lán)本，制作200多個(gè) 3ds Max 模型，并應(yīng)用UNITY引擎鏈接實(shí)現(xiàn)這些零部件模型的組裝、部裝和總裝。此軟件分為學(xué)習(xí)、組裝和考核三種模式。圖1為軟件的界面。

軟件具有組裝、拆卸、零件庫(kù)隨機(jī)尋找零件、零件信息庫(kù)、考核、后臺(tái)監(jiān)控等多種功能。圖2為考核過(guò)程中后臺(tái)監(jiān)控畫(huà)面。

首次投入課堂教學(xué)后，在學(xué)生中引起了很大的反響。學(xué)生表現(xiàn)出了極大的興趣和熱情。課后紛紛要求在安裝在個(gè)人電腦上在業(yè)余時(shí)間進(jìn)行安裝練習(xí)。2016年、2017年又連續(xù)在課堂教學(xué)中使用。2017年正式列入2015級(jí)的材料成型機(jī)械設(shè)備實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容。

3 交互式仿真安裝教學(xué)投入教學(xué)效果

軟件在課堂教學(xué)中使用時(shí)，為學(xué)生提供多方位零件圖形的觀看，零件的組裝-部裝-總裝過(guò)程，幫助學(xué)生迅速理解軋機(jī)結(jié)構(gòu)及各零部件作用；讓學(xué)生自己上講臺(tái)操作增加了課堂講解的生動(dòng)性和師生互動(dòng)。總之，互動(dòng)式仿真裝配軟件引入教學(xué)過(guò)程，在提高學(xué)生對(duì)專業(yè)課學(xué)習(xí)的興趣的同時(shí)也極大地方便教師授課時(shí)的講解，提高了教學(xué)效果。

仿真裝配軋機(jī)作為2015級(jí)材料成型及控制工程專業(yè)本科生的材料成型機(jī)械設(shè)備實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容之一，共有180名學(xué)生進(jìn)行了上機(jī)仿真操作。在2個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生首先在學(xué)習(xí)模式中首先了解各零件的信息及作用，了解基本的安裝順序，然后進(jìn)入組裝模式。在組裝模式下，從隨機(jī)零件庫(kù)中挑選安裝場(chǎng)景中提示的零件，拖動(dòng)到正確的位置，松開(kāi)鼠標(biāo)按鈕，零件自動(dòng)安裝到其在結(jié)構(gòu)中的部位。學(xué)生從這個(gè)過(guò)程中理解設(shè)備零件的種類、在設(shè)備中的位置和作用。學(xué)生還根據(jù)軟件的對(duì)錯(cuò)判斷功能通過(guò)反復(fù)安裝體會(huì)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的實(shí)際安裝順序?qū)τ谡麢C(jī)總裝可行性的影響。在組裝模式下進(jìn)行了一定時(shí)間的訓(xùn)練后，學(xué)生進(jìn)入軟件中考核模式。考核模式下軟件限定在60分鐘內(nèi)完成軋機(jī)全部零件的組裝、部裝和總裝過(guò)程。軟件對(duì)學(xué)生整個(gè)安裝過(guò)程進(jìn)行計(jì)時(shí)。記錄下學(xué)生安裝的全部所需時(shí)間。通過(guò)統(tǒng)計(jì)，全部180名學(xué)生都在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成了組裝。有60%的學(xué)生在30分鐘之內(nèi)完成了全部的操作。

交互式仿真安裝軟件在課堂上演示投入使用3年的時(shí)間，在實(shí)驗(yàn)課中引入了一年，效果令人滿意。我們對(duì)2015級(jí)學(xué)生發(fā)放了180份調(diào)查問(wèn)卷，問(wèn)卷返回率達(dá)95%。學(xué)生對(duì)軟件投入實(shí)驗(yàn)課教學(xué)給出了高度的評(píng)價(jià)，對(duì)實(shí)驗(yàn)課增進(jìn)此項(xiàng)內(nèi)容滿意率達(dá)100%。大部分學(xué)生認(rèn)為通過(guò)仿真安裝提高了他們對(duì)軋機(jī)的認(rèn)知程度、提高了對(duì)材料成型設(shè)備的學(xué)習(xí)興趣。2017年學(xué)生材料成型機(jī)械設(shè)備科期末考試平均成績(jī)及及格率較2015年都有不同程度的提高。

4 結(jié)語(yǔ)

材料成型機(jī)械設(shè)備課程課堂教學(xué)中引入交互式仿真軋機(jī)裝配軟件的演示，是又一種提高教學(xué)質(zhì)量的教學(xué)手段的探索，從效果來(lái)看，增加了課堂教學(xué)的生動(dòng)性，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

在實(shí)驗(yàn)課中加入軋機(jī)仿真裝配，學(xué)生自己動(dòng)手組裝軋機(jī)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)軋機(jī)結(jié)構(gòu)及軋機(jī)各部位相互關(guān)系的了解，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手技能。

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