基于虛擬仿真的包裝機械實驗課程建設(shè)與實踐

高德 陸俊杰 陳根浪 張煒 張學昌

[摘 要]該研究針對包裝機械機構(gòu)復雜、設(shè)備貴重、拆解不便等問題，運用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)設(shè)計了包裝機械虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)。學生可以不受時間和空間約束，通過虛擬仿真系統(tǒng)完成對典型包裝機械的零件、機構(gòu)、工作原理的學習與掌握，并開展設(shè)計計算、校核分析、工藝流程等模擬交互操作，有助于提升學生解決復雜包裝機械工程問題的能力，促進包裝機械課程教學質(zhì)量的提高，為包裝機械行業(yè)培養(yǎng)更高水平的實踐創(chuàng)新型人才。

[關(guān)鍵詞]包裝機械;虛擬仿真;實驗教學;課程改革

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）03-0049-04

為適應教育信息化要求及提升教育教學質(zhì)量，全國高校根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》[1]及示范性虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)[2]的精神，迅速掀起開展虛擬仿真實驗教學項目的熱潮。虛擬仿真實驗室教學資源建設(shè)，使現(xiàn)實實驗室與虛擬仿真實驗室得以有機結(jié)合起來，實現(xiàn)了教學資源管理系統(tǒng)化，各種虛擬仿真實驗項目和通用遠程教學平臺加速涌現(xiàn)[3-4]。瞿振元等[5]對以MOOC發(fā)展為契機促進信息技術(shù)與高等教育深度融合進行了深入研究，王成等[6]對齒輪機構(gòu)認知虛擬仿真實驗的設(shè)計進行了開發(fā)研究，取得了較好的實驗效果。馮翠云[7]研究基于制造執(zhí)行系統(tǒng)與智能制造單元結(jié)合實踐平臺，展現(xiàn)產(chǎn)品零部件制造工藝過程、智能制造設(shè)備、制造控制系統(tǒng)。鄭偉南[8]構(gòu)建了實驗室、仿真室、實習基地三位一體的“虛實結(jié)合”實踐教學平臺、多元化實踐課程教學體系及“學習需求導向型”教學模式。同時，王建華等[9]探討了環(huán)境設(shè)計、數(shù)字藝術(shù)設(shè)計和產(chǎn)品設(shè)計與工藝虛擬仿真實驗平臺建設(shè)，認為虛擬仿真有利于學生在專業(yè)類課程學習中提升創(chuàng)新實踐能力。徐鋒等[10]對包裝機械四化耦合的教學模式進行了研究，探討了包裝機械實驗教學虛實結(jié)合的方法，并從多年的包裝機械課程教學中得到以下幾點認識：一是包裝機械課程實驗教學條件不具備且實驗教學內(nèi)容相對落后。隨著包裝機械自動化、智能化水平的不斷提高，新機型層出不窮，而教學實驗設(shè)備的先進程度永遠落后于時代的發(fā)展，實驗教學經(jīng)費緊張是普遍現(xiàn)象。二是學生難以理解包裝機械實驗課程。包裝機械的特點是“三多三復雜”即結(jié)構(gòu)多、機構(gòu)多、零件多以及類型復雜、結(jié)構(gòu)復雜、運動復雜，而包裝學生有“三弱”即制圖能力弱、機構(gòu)分析能力弱、建模思路弱。包裝機械課程教學內(nèi)容涉及眾多包裝機械設(shè)備及其復雜系統(tǒng)。因此，即使實驗教師講得出彩，不少學生也難以在課堂上及時理解與消化吸收所學知識，甚至個別學生完全聽不懂。為此，筆者所在的課題組對包裝機械課程實驗內(nèi)容進行梳理，在全國率先開展了虛擬仿真實驗的研究，已經(jīng)開發(fā)出部分包裝機械部件的虛擬仿真實驗[11]，全國20多所高校在使用這些虛擬仿真實驗，每年有近2000名相關(guān)專業(yè)的學生在線學習。建設(shè)包裝機械虛擬仿真實驗室有助于對包裝機械課程體系、教學方法和教學手段進行優(yōu)化改進，對教學內(nèi)容進行整合與優(yōu)化，提高教學質(zhì)量和教學效率，從而實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學資源的共享以及提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

一、傳統(tǒng)包裝機械課程實驗教學存在的問題及其解決對策

（一）針對實驗教學設(shè)備先進程度落后于時代發(fā)展的問題，開發(fā)出大型貴重包裝機械虛擬仿真實驗教學項目，重點解決真實實驗項目條件不具備的問題

傳統(tǒng)的包裝機械實驗，只能對一些小型包裝機械的傳動系統(tǒng)、包裝材料及容器供送系統(tǒng)、被包裝物品的供送及計量系統(tǒng)進行操作與演示，而大型灌裝生產(chǎn)線是很有代表性的包裝機械，其生產(chǎn)能力通常為2000瓶/分，售價在3000萬左右，實驗室根本無法購買，而且實際生產(chǎn)線由于考慮到食品安全衛(wèi)生等諸多因素，基本上不接受學生參觀實習，再加上傳統(tǒng)實驗教學模式存在高危性，難以滿足每個學生進行實際操作的需求。因此，開展傳統(tǒng)實驗教學基本上屬于紙上談兵，根本無法實現(xiàn)教學目標，更無法提高學生的動手操作能力。

課題組基于虛擬儀器開發(fā)平臺，引導學生開展大型貴重包裝機械的虛擬仿真實驗，并構(gòu)建系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、信息化的實踐教學模式，使學生了解典型的、先進的與高端的包裝機械結(jié)構(gòu)及其運動規(guī)律，提高學生上機操作與實踐的積極性與學習效果。

（二）針對包裝機械結(jié)構(gòu)復雜的特點構(gòu)建二維和三維模擬仿真動態(tài)模型，將復雜問題簡單化，解決學生厭學的問題

包裝機械的零部件結(jié)構(gòu)十分復雜，每個零件都包含有十幾個元件。比如灌裝閥由閥體、閥端、閥門、密封元件、啟閉元件等十余個元件組成。傳統(tǒng)實驗教學采用拆裝法演示各個元件的結(jié)構(gòu)、特征以及裝配關(guān)系，但是灌裝閥結(jié)構(gòu)復雜、精度高，這就導致學生因無法理解灌裝閥的工作原理與機構(gòu)特征以及拆裝困難而產(chǎn)生厭學問題?；诖耍n題組綜合運用數(shù)字化三維建模與智能化虛擬技術(shù)手段，重構(gòu)零件三維實體，并根據(jù)二維零件結(jié)構(gòu)圖將三維實體制作成爆炸云圖（如圖1所示），隨后利用虛擬儀器開發(fā)平臺，引導學生進行多次裝配演練，提高學生學習的興趣與參與度，解決學生厭學問題。

（三）針對包裝機械傳統(tǒng)實踐教學形式單一的問題優(yōu)化教學資源，解決學生獨立思考能力以及探索新知識新技術(shù)的意識與能力不強的問題

為了突破學習時間、空間的限制，課題組將傳統(tǒng)實驗教學內(nèi)容中的知識點描述、課程規(guī)范、視頻、微課、動畫、多媒體課件、教學參考、教案、練習考試、互動學習等模塊集成于一體，優(yōu)化多媒體網(wǎng)絡(luò)資源教學平臺，促進線上交流互動以及線下引導學生利用先進信息工具進行學習，從而實現(xiàn)從以教為主向以學為主的轉(zhuǎn)變，以及從以課內(nèi)為主向課內(nèi)外結(jié)合轉(zhuǎn)變的教學模式，引導學生逐步由被動的知識接受者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W科專業(yè)知識和能力框架的構(gòu)建者，使學生提高獨立思考能力，開闊視野，增強探索新知識新技術(shù)的意識與能力。

（四）注重課程的拓展和交叉，重構(gòu)“兩性一度”包裝機械設(shè)計虛擬仿真實驗課程體系，夯實課程線上教學資源

課題組針對包裝工程、機械類、食品工程類專業(yè)不同類別學生的選課需求，研究關(guān)聯(lián)課程對本課程的支撐和關(guān)聯(lián)特性以及產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，引入新型包裝機械、技術(shù)、材料、工藝等，充實更新課程內(nèi)容，凝練核心知識點，建構(gòu)跨課程、高階性設(shè)計項目。如圖2所示，結(jié)合包裝機械的關(guān)聯(lián)課程，包括工程制圖、工程力學、機械設(shè)計、控制工程、制造工程等課程，提取包括設(shè)計學、動力學、精度分析、流體技術(shù)、機電控制技術(shù)等核心技術(shù)點，結(jié)合典型包裝機械（袋裝機、裹包機、灌裝機、生產(chǎn)線）等，將核心技術(shù)對應到關(guān)鍵包裝機構(gòu)和包裝裝置中，使得包裝機械課程成為綜合性課程。將課程整合成包裝機械概論、包裝機械、包裝機械設(shè)計三個層次的MOOC課程。三個層次的課程可選擇不同的教學資源，優(yōu)化并夯實線上教學資源。

二、通過虛擬仿真平臺實現(xiàn)包裝機械實驗資源共享

包裝機械虛擬仿真項目及其支撐平臺總體架構(gòu)如圖3所示，它包含數(shù)據(jù)層、支撐層、通用服務(wù)層、仿真層以及應用層，層與層之間相互聯(lián)系，下層為上層提供運行與服務(wù)，實現(xiàn)包裝機械虛擬仿真項目的整體化和完整化的體系構(gòu)建;同時，根據(jù)平臺建設(shè)后的功能需求，可以提供智能指導與智能批改服務(wù)，幫助用戶實現(xiàn)智能化、自動化、擴展化的交互實驗。

（一）數(shù)據(jù)層

包裝機械虛擬仿真項目涉及多種類型虛擬實驗組件及數(shù)據(jù)，這里分別設(shè)置虛擬實驗的基礎(chǔ)元件庫、實驗課程庫、典型實驗庫、標準答案庫、規(guī)則庫、實驗數(shù)據(jù)、用戶信息等來實現(xiàn)對相應數(shù)據(jù)的存放和管理。比如灌裝閥拆裝實驗，如圖4所示，其基礎(chǔ)元件庫由O型密封圈、彈簧、擋塊、導套、導柱、頂桿、頂珠、對中罩、閥體、閥芯、閥座套、分散罩、封蓋圈、關(guān)閥按鈕、密封圈、排氣按鈕、排氣閥蓋、排氣閥體、瓶口密封膠墊、氣動式多移閥、氣閥叉、氣閥彈簧、氣閥套、氣閥座、氣管、上推桿、推桿套、下液器等零件構(gòu)成。

（二）支撐層

支撐層為系統(tǒng)運行、維護和管理提供基礎(chǔ)保障，是整個虛擬仿真項目的核心框架，包括數(shù)據(jù)傳輸與存儲服務(wù)、資源監(jiān)控與管理、域管理與域間信息服務(wù)等子功能系統(tǒng)。

（三）通用服務(wù)層

通用服務(wù)層是一些通用支持組件，其作用是方便用戶迅速在虛擬環(huán)境中完成虛擬仿真實驗，包括教務(wù)與教學管理、智能指導、自主學習與自動批改、實驗資源與報告管理等，并提供接口以便利用第三方的虛擬實驗軟件進行統(tǒng)一管理。

（四）仿真層

仿真層主要針對包裝機械實驗課程進行建模、場景構(gòu)建等，提供包裝機械實驗課程通用的仿真器，并按照相應格式進行輸出?；跀?shù)據(jù)層元件庫，構(gòu)件包裝機械各部分裝置的仿真，主要由多移閥結(jié)構(gòu)簡圖、灌裝機傳動系統(tǒng)圖、進瓶螺桿供送裝置、三立柱調(diào)節(jié)式、升降瓶機構(gòu)以及壓蓋機結(jié)構(gòu)簡圖等構(gòu)成，如圖5所示。

（五）應用層

基于底層的服務(wù)有助于最終實現(xiàn)包裝機械虛擬仿真項目教學與開放共享。該框架的應用層充分體現(xiàn)了教學教育的擴展性與延續(xù)性。根據(jù)教學需求和任務(wù)，教師可以設(shè)計各種典型實驗教學資源，然后創(chuàng)建包裝機械虛擬仿真項目教學實例，最后面向全國相關(guān)院校開展實驗教學應用。例如灌裝機虛擬仿真實驗系統(tǒng)，將吹灌旋一體機機構(gòu)運動分為瓶坯輸入、加熱、吹瓶、星輪傳遞、高速灌裝、擰蓋和產(chǎn)品輸出七大步驟，有利于加深學生對包裝機械功能結(jié)構(gòu)與工作原理的認識，如圖6所示。

三、結(jié)語

本課題組研究的包裝機械虛擬仿真實驗教學已能提供灌裝機械、袋裝機械、裹包機械、封口機械的基本參數(shù)以及具備零部件設(shè)計和裝配等功能;將線上與線下的教學資源進行深度融合，合理分配知識難點，有利于激發(fā)學生學習興趣和獨立思考能力，保證學生能夠進行漸進性、階梯性、主動性學習。

今后需要加大課程建設(shè)力度，增加包裝生產(chǎn)線、塊狀物料包裝生產(chǎn)線、粉體物料包裝生產(chǎn)線，擴充實驗設(shè)備庫，優(yōu)化實驗流程，使包裝機械虛擬仿真系統(tǒng)的功能和性能得到進一步提升，建設(shè)一批具有輻射和示范作用的高層次虛擬仿真實驗教學平臺，為高質(zhì)量人才的培養(yǎng)提供保障。

[ 參 考 文 獻 ]

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[責任編輯：龐丹丹]