田英，王興波，傅貴武，林偉豪

（佛山科學技術學院 機電工程學院，廣東 佛山 528000）

1 虛擬仿真實驗教學的必要性

隨著現(xiàn)代制造業(yè)不斷向自動化、智能化方向發(fā)展，以3D打印（增材制造）技術和機器人自動化制造技術為代表的智能制造技術發(fā)展迅猛，工業(yè)產(chǎn)品的設計、制造過程信息集成度越來越高，系統(tǒng)復雜程度不斷提升，作為培養(yǎng)社會對此類人才的高等院校，如果采用真實裝備進行實驗教學存在如下問題：（1）智能制造裝備價格昂貴，前期投入極大，采購周期流程漫長。運行過程中水電氣液等資源消耗極大，設備后期維護成本高，部分設備操作風險和污染風險較高；（2）受學校資金和場地的限制，無法滿足學生實際動手操作能力培養(yǎng)的需要，開放型、自主設計型和創(chuàng)新性實驗難以開展；（3）優(yōu)質(zhì)的實驗資源無法實現(xiàn)開放共享；（4）生產(chǎn)企業(yè)給予學生進入生產(chǎn)第一線實習實踐的空間越來越小，全國僅有十堰和洛陽兩處大型實習基地，生產(chǎn)實習難以達到預期效果。

2 虛擬仿真實驗教學資源平臺設計

2.1 虛擬仿真實驗教學體系構(gòu)建

為了擴大學生創(chuàng)新科技活動的受益面，中心以智能制造為重點發(fā)展方向，以培養(yǎng)高水平復合型工程應用和開發(fā)能力強的本科和碩士人才為主要目標，以實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心，以專業(yè)和應用并重培養(yǎng)的方式，面向陶瓷/鋁型材裝備設計與制造、工業(yè)機器人控制與集成應用、節(jié)能與新能源汽車關鍵技術與應用、增材制造技術研究及應用等四個方向相關的虛擬仿真實驗，建立智能制造虛擬仿真實驗與實體實驗、校外實踐三結(jié)合的教學模式，將智能制造技術與地方特色產(chǎn)業(yè)緊密結(jié)合，與ABB（中國）有限公司、達意隆股份有限公司等行業(yè)龍頭企業(yè)深度合作，在企業(yè)中建立了一批具有行業(yè)和學科特色的本科生及研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地和實踐基地，面向基礎理論和企業(yè)實際需求，重點開展馬賽克鋪貼裝備、增材制造、機器人集成應用、電子系統(tǒng)設計、軟件系統(tǒng)設計、計算機仿真分析和先進制造技術應用等多個技術虛擬仿真實驗，實現(xiàn)校內(nèi)教學科研和校外產(chǎn)學研的共享與輻射。通過面向產(chǎn)業(yè)的深度校企合作，針對智能制造技術在產(chǎn)品的設計制造和管理全過程，搭建實驗教學、技術培訓和科學研究“三位一體”的共享平臺，以智能制造技術的“智能設計、虛擬制造、信息管理、智能物聯(lián)”四個環(huán)節(jié)為主線，開發(fā)豐富的虛擬仿真實驗教學資源，形成了以能力培養(yǎng)為主線，以服務地方產(chǎn)業(yè)為核心、多層次、多模塊、互相關聯(lián)的新型實驗教學體系。

2.2 虛擬仿真實驗項目

中心以急需的實驗教學內(nèi)容為指向，深入融合教研成果，依托信息技術，將復雜工程問題和教研成果轉(zhuǎn)化成示范性虛擬仿真實驗項目，研發(fā)內(nèi)容豐富、與企業(yè)的真實案例和實用技術相當?shù)奶摂M仿真實驗項目，提供具有工程氛圍的實驗教學條件。為學生的畢業(yè)設計、科技制作、技能大賽和各種實驗類的專業(yè)競賽提供平臺，面向機械設計、機械電子、車輛工程、電氣工程與自動化等全校12個工科專業(yè)開展虛擬仿真實驗教學，自主研發(fā)面向企業(yè)需求的零部件設計加工、模具設計、高效焊接、3D打?。ㄔ霾闹圃欤┑忍摂M仿真實驗，已開設實驗課程共12門，虛擬仿真實驗項目28個，現(xiàn)列舉有限元分析實驗：

利用NX及SolidWorks等三維軟件及相關“高級仿真”功能模塊，完成從簡單到復雜的3套以上典型機構(gòu)建模、裝配與運動仿真與動力學分析。

實驗步驟：（1）以減速器、機床等產(chǎn)品上的軸和齒輪的零部件為分析對象，并給出產(chǎn)品的主要技術參數(shù)，通過“虛擬仿真實驗教學平臺”給每位學生下達任務書；（2）學生根據(jù)給定的技術參數(shù)，建立分析對象的受力模型；（3）在系統(tǒng)中建立分析對象的幾何模型；（4）在“高級仿真”模塊中完成有限元分析的前處理、后處理及結(jié)果分析；（5）撰寫實驗報告，并提交相關物化成果。

2.3 虛擬仿真實驗教學的效果

中心為學生的畢業(yè)設計、科技制作、技能大賽和各種實驗類的專業(yè)競賽提供平臺。近三年來，面向機械設計、機械電子、車輛工程、電氣工程與自動化等全校12個工科專業(yè)開展虛擬仿真實驗教學，自主研發(fā)面向企業(yè)需求的零部件設計加工、模具設計、汽車拆裝與維修、高效焊接、3D打?。ㄔ霾闹圃欤┑忍摂M仿真實驗，已開設實驗課程共12門，虛擬仿真實驗項目28個，年均實驗約43000人時數(shù)。智能制造虛擬仿真實驗教學中心對全校和社會全天開放，學生可以在宿舍、圖書館和實驗室上網(wǎng)，實現(xiàn)共享式網(wǎng)絡開放學習。近三年以來，學生通過中心培訓和指導，獲得國家、省級獲獎89項，學生申請專利6項。近年來，調(diào)研結(jié)果顯示，中心培養(yǎng)出來的學生在企業(yè)技術中心或生產(chǎn)車間適應工作崗位要求的時間明顯縮短，專業(yè)工作能力顯著提升，獲得了企業(yè)的高度好評。

3 中心特色與創(chuàng)新

3.1 虛擬仿真實驗教學中心的主要特色

（1）校企共建虛擬仿真實驗和開放實驗項目，虛擬仿真的儀器先進、過程真實、結(jié)果可靠。中心與美的集團等企業(yè)共建聯(lián)合實驗室6個，共同開發(fā)了有特色的智能制造虛擬仿真實驗項目20項，虛擬仿真的儀器先進、過程真實、結(jié)果可靠，實用性強。

（2）虛擬與現(xiàn)實的有機結(jié)合，虛擬仿真實驗結(jié)合實際產(chǎn)品的智能制造流程?；谠O計能力、綜合能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的智能制造虛擬仿真實驗項目，融合和應用互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫、數(shù)字化設計、計算機仿真和網(wǎng)絡通訊等多重技術，實現(xiàn)課內(nèi)與課外、校內(nèi)與校外、網(wǎng)上與網(wǎng)下、虛擬與現(xiàn)實的融合，不斷進行虛擬仿真實驗和傳統(tǒng)實驗相結(jié)合的實驗教學方法改革與創(chuàng)新。

（3）立足佛山，輻射珠三角，涵蓋和服務智能制造全產(chǎn)業(yè)鏈。針對佛山地方優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)的需求，基于陶瓷/鋁型材裝備設計與制造、工業(yè)機器人控制與集成應用、節(jié)能與新能源汽車關鍵技術與應用、增材制造技術研究及應用等四個方向，共同開發(fā)了基于智能制造技術的系列虛擬仿真實驗，將智能制造技術的學習融入虛擬仿真實驗與實體驗證實驗、校外企業(yè)實踐三結(jié)合的教學模式，致力培養(yǎng)制造業(yè)人才的工匠精神、創(chuàng)新和工程實踐能力。

3.2 虛擬仿真實驗教學中心的主要創(chuàng)新

（1）資源建設創(chuàng)新—面向地方產(chǎn)業(yè)的智能制造全流程仿真。利用佛山地區(qū)先進裝備制造業(yè)的基礎優(yōu)勢，融入現(xiàn)代制造企業(yè)實際案例，以全流程智能制造為載體，開發(fā)具有佛山產(chǎn)業(yè)特色且高度仿真企業(yè)產(chǎn)品制造全周期的虛擬仿真實驗項目。中心綜合了機械工程、車輛工程、機械設計制造及自動化、工業(yè)設計等學科的信息化技術資源，以現(xiàn)有智能制造設備和自動化柔性生產(chǎn)線為基礎，將企業(yè)案例的生產(chǎn)全工藝過程進行規(guī)劃，制定了詳細的實驗方案，作為虛擬仿真實驗項目的開發(fā)依據(jù)，構(gòu)建了從設計部門→制造車間→裝配車間→檢驗車間→產(chǎn)品展廳→商務中心的全流程、高仿真實驗教學體系。

（2）虛擬技術創(chuàng)新—多虛擬技術融合的虛實結(jié)合教學培訓?；谥悄苤圃烊鞒痰奶摂M仿真教學過程，首先，學生通過VR/AR技術為基礎的培訓系統(tǒng)和產(chǎn)品加工過程回放單元，了解和掌握實際產(chǎn)品制造流程和各項制造技術原理與操作。之后，按照中心自動化柔性生產(chǎn)線加工能力，在此基礎上，利用三維設計軟件和有限元分析軟件進行產(chǎn)品設計和可靠性分析，完成設計產(chǎn)品的虛擬仿真制造過程的模擬后，在試驗設備上完成產(chǎn)品的加工制造。最后，通過虛擬裝配和虛擬運營系統(tǒng)，完成產(chǎn)品的全部工藝流程和路線。

（3）管理制度創(chuàng)新-引入企業(yè)文化和管理制度教育。在學校和中心的基本管理制度基礎上，引入企業(yè)生產(chǎn)管理和培訓制度，聘請實踐經(jīng)驗豐富的企業(yè)工程師做兼職教師，模擬企業(yè)實際生產(chǎn)流程和場景，在實際教學過程中，潛移默化地培養(yǎng)學生的工匠精神和職業(yè)精神。在全流程模擬過程中，引導學生了解企業(yè)文化和管理規(guī)章制度，培養(yǎng)具有設計能力和實干能力的創(chuàng)新型應用人才，畢業(yè)后能夠迅速地適應企業(yè)崗位和轉(zhuǎn)換角色。

4 中心共享與展望

（1）進一步豐富共享資源。將增材制造、新材料開發(fā)與模擬、機器人智能制造等新技術引入虛擬仿真教學和將科研成果轉(zhuǎn)化為實際教學，開發(fā)實驗10～20個，豐富共享教學資源。

（2）利用互聯(lián)網(wǎng)+和AR/VR技術，開發(fā)手機和平板APP，實施移動學習。利用我校建廣東省高水平理工大學的充裕資金，更新實驗設備，提升仿真網(wǎng)絡帶寬和實驗室管理智能化，開發(fā)基于IOS和安卓系統(tǒng)的手機和平板APP，實施時學習、處處學習和移動式學習。

（3）拓寬共享渠道。加入我國高校實驗教學聯(lián)盟和全國虛擬仿真實驗教學聯(lián)盟，拓寬共享渠道，實現(xiàn)全國范圍內(nèi)的資源共享。

（4）拓寬校際和校企共享。中心下一步擬加入ABB教育聯(lián)盟高校成員，利用ABB公司平臺向聯(lián)盟內(nèi)高校共享本中心的部分虛擬仿真實驗資源。加入廣東省高校教育聯(lián)盟，爭取為周邊兄弟院校服務，為其他高校教師科研提供支持，承擔其相關專業(yè)的實驗和實訓任務，校外學生可以通過校聯(lián)合體平臺預約注冊登錄后，遠程共享部分實驗教學資源，完成實驗、設計等任務，提高學習效果。

5 結(jié)語

中心通過建設基于企業(yè)環(huán)境的虛擬實驗室，提供安全、可靠、低成本的前位培訓，能夠有效地縮短學生與企業(yè)之間的距離，從根本上解決地方本科高校教育與行業(yè)發(fā)展脫節(jié)的問題。經(jīng)過中心實驗室的虛擬仿真訓練，學生能夠掌握面向佛山陶瓷、不銹鋼、輕金屬、模具等傳統(tǒng)優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)相關產(chǎn)品智能制造全周期的產(chǎn)品三維設計、有限元分析、計算機輔助工藝分析、虛擬制造、虛擬裝配、虛擬運營等核心專業(yè)技能。中心已擁有一個富于創(chuàng)新精神和高水平研發(fā)能力的研究團隊。