董抒華,魏春城,朱國全,林治濤,譚洪生,孟凡濤

(山東理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

《復(fù)合材料工藝與設(shè)備》是高分子材料與工程專業(yè)本科生的重要課程之一，復(fù)合材料是建立在三大傳統(tǒng)材料基礎(chǔ)之上的新型材料，是新型材料發(fā)展的主流方向之一。培養(yǎng)具有復(fù)合材料方面的高素質(zhì)人才是高校復(fù)合材料專業(yè)的主要目標(biāo)之一[1]。實踐教學(xué)是學(xué)生理論聯(lián)系實際的重要途徑，是培養(yǎng)開拓型人才的重要課堂，也是高校課程建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。課程要求學(xué)生掌握各種復(fù)合材料成型工藝的過程、設(shè)備及工作原理，熟悉實驗過程。傳統(tǒng)實踐教學(xué)主要是采用教師現(xiàn)場先講解演示，再輔導(dǎo)學(xué)生操作，訓(xùn)練學(xué)生掌握操作技能與方法。在實驗過程中有些實驗如模壓成型、注塑成型、RTM成型或?qū)訅撼尚图袄p繞成型等通?？紤]到原材料成本問題、設(shè)備安全操作問題等使得實驗開展并不是很順利，而且學(xué)生在工藝的實訓(xùn)環(huán)節(jié)無法觀察到工作中的設(shè)備內(nèi)部機構(gòu)運轉(zhuǎn)情況，對實驗結(jié)果也無法預(yù)評估，因此難以獲得理想的教學(xué)效果。

隨著虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)(Virtual Reality,VR)的不斷發(fā)展，將VR技術(shù)應(yīng)用到各種學(xué)科實驗教學(xué)中，能夠有效地克服傳統(tǒng)實驗中存在的問題。目前，針對復(fù)合材料成型工藝的操作性與交互性的VR仿真系統(tǒng)較少。開發(fā)虛擬仿真教學(xué)實驗平臺可以讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中交互式體驗，如同身臨其境完成復(fù)合材料實驗過程，通過網(wǎng)上平臺學(xué)習(xí)不僅可充分提高學(xué)生實驗理論水平，還能大大激發(fā)學(xué)生參與的興趣，提高教學(xué)效果，還可大大提高設(shè)備操作安全性，節(jié)約實驗成本和能源消耗，而且最終通過平臺建設(shè)還可實現(xiàn)實驗資源共享。

1 《復(fù)合材料工藝與設(shè)備》課程實驗教學(xué)的現(xiàn)狀及存在的問題

本課程是一門實踐性強，涉及知識面較廣的課程。通過學(xué)習(xí)《復(fù)合材料工藝與設(shè)備》這門課程，要求學(xué)生掌握復(fù)合材料的各種成型工藝，能根據(jù)工程上對復(fù)合材料制品的要求，確定合適的成型工藝和設(shè)備，從而達到預(yù)期的要求。

本課程對應(yīng)理論模塊可開設(shè)的實驗主要有手糊成型、RTM成型、SMC成型、模壓成型、纖維纏繞成型、注塑成型等。然而，在實際教學(xué)過程中實踐教學(xué)配套跟不上，存在的問題很多，比如有些工藝很重要但實驗室沒有配套設(shè)備；有些實驗原材料成本太高；有些設(shè)備陳舊無法保證安全性；有些設(shè)備數(shù)量有限而學(xué)生人數(shù)很多無法保證人人參與實驗，采取分組的教學(xué)方式，還是難以實現(xiàn)一對一模式，多數(shù)學(xué)生只能采取圍觀式的實驗，很難參與其中，對工藝加工過程認(rèn)識走馬觀花不深刻，無法理解實驗過程和實驗結(jié)果；而有些設(shè)備即使配套完整，但后期維護和保養(yǎng)也是需要很多經(jīng)費，這些原因往往導(dǎo)致教學(xué)效果達不到預(yù)期實驗效果，學(xué)生的能力培養(yǎng)也達不到預(yù)期要求。另外，有些實驗由于實驗儀器設(shè)備構(gòu)造復(fù)雜，精密度較高等原因，學(xué)生不能參與調(diào)試，設(shè)備內(nèi)部運轉(zhuǎn)情況也無法看到，因此導(dǎo)致學(xué)生不能充分學(xué)習(xí)工藝過程和設(shè)備工作原理，對實驗儀器了解不透徹，不精準(zhǔn)。

2 虛擬仿真技術(shù)的特點及在實驗教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬仿真技術(shù)推動了教育現(xiàn)代化的進程和發(fā)展，目前是高校專業(yè)方向?qū)嶒灲虒W(xué)建設(shè)的重中之重[2]。虛擬仿真技術(shù)是在計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和圖像處理技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，通過計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)建一個虛擬、交互式的三維動態(tài)場景，利用可視化技術(shù)實現(xiàn)實驗場景的仿真，讓人置身于環(huán)境中有如身臨其境的感覺，可實現(xiàn)與虛擬環(huán)境的交互[3-4]。虛擬仿真技術(shù)具有交互性、開放性和便捷性等特點，將虛擬仿真實驗放在平臺，學(xué)生可以通過登錄仿真平臺自主學(xué)習(xí)實驗知識，觀摩操作訓(xùn)練，可鞏固所學(xué)知識并熟悉實驗過程，尤其適合線上實驗教學(xué)，采用這種方式授課克服了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的時間和空間限制，從而提高了信息化教學(xué)效果并提高教學(xué)質(zhì)量。

將虛擬仿真技術(shù)引入本課程的實驗中大大提高了學(xué)生參與積極性，提高學(xué)生對本課程的興趣。李艷霞等[5]建設(shè)了復(fù)合材料成型固化過程虛擬仿真平臺，學(xué)生可快速分析樹脂體系的固化特性、設(shè)計和評價工藝制度、探究制件結(jié)構(gòu)因素對工藝制度和工藝窗口的影響。學(xué)生利用虛擬實驗可對變量進行選擇和設(shè)計，從而促進了學(xué)生實踐和知識擴展，提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力。馬世博等[6]采用虛擬仿真技術(shù)，結(jié)合生產(chǎn)實際案例，全面呈現(xiàn)了典型塑件的注塑成型工藝過程和主要工藝參數(shù)對塑件質(zhì)量的影響規(guī)律，虛擬的設(shè)計、加工與交互環(huán)境，真實演示實驗與虛擬仿真實驗結(jié)合，這種方法調(diào)動了學(xué)生思考，培養(yǎng)了學(xué)生分析問題解決問題的能力。

3 虛擬仿真技術(shù)在實驗課程中開發(fā)和應(yīng)用

2013年教育部開始強化建設(shè)國家級虛擬仿真實驗教學(xué)工作，積極推進高校虛擬仿真實驗中心的建設(shè)發(fā)展。目前有很多高校順應(yīng)潮流積極推進虛擬仿真實驗室的建設(shè)，將該技術(shù)充分應(yīng)用在科研研究與教學(xué)研究中[3]。山東理工大學(xué)依托車輛工程與交通國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，積極組織各個學(xué)院老師根據(jù)專業(yè)需求建設(shè)信息化項目，學(xué)校資助經(jīng)費立項推動虛擬仿真實驗建設(shè)，并強化可持續(xù)發(fā)展。學(xué)校也動員老師積極申報教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目。本課程虛擬仿真實踐教學(xué)改革被教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目立項，并得到了北京潤尼爾網(wǎng)絡(luò)科技有限公司和上海曼恒數(shù)字技術(shù)股份有限公司的大力支持，以及學(xué)校教務(wù)處的立項支持，利用虛擬仿真教學(xué)優(yōu)勢資源搭建網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗平臺，使得更多學(xué)生受益，尤其今年疫情線上教學(xué)優(yōu)勢凸顯，有效解決學(xué)生在家無法做實驗的難題，達到了非常好的教學(xué)效果。通過和專業(yè)技術(shù)公司合作極大推動了虛擬仿真技術(shù)在專業(yè)課程實驗教學(xué)方面的發(fā)展，公司專業(yè)人員來學(xué)校講解技術(shù)同時也給同學(xué)拓寬了眼界增長了知識，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣。

4 結(jié)束語

虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實驗教學(xué)，是推進現(xiàn)代信息技術(shù)融入課堂的重要舉措，是實驗內(nèi)容在時間和空間的拓展和提升，為學(xué)校拓寬人才培養(yǎng)提供了幫助，是提高教學(xué)質(zhì)量的重要選擇。虛擬仿真實驗克服傳統(tǒng)實驗教學(xué)的弊端，線上教學(xué)優(yōu)勢凸顯，從而提升了教學(xué)效果，拓寬了學(xué)生的視野，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新精神與實踐能力。