专业课教学引入“轧机交互式仿真装配软件”的实践

高彩茹　丁桦　张福波　曹光明

摘 要 论文介绍了材料成形机械设备课程的特点及轧机仿真交互式安装软件的功能，总结了在材料成形设备课堂教学及实验教学环节引入虚拟技术-轧机交互式仿真装配软件演示与仿真组装的效果和经验， 可以为高校专业课教学提供一定的借鉴和参考。

关键词 专业课教学 轧机仿真交互式安装软件 实践教学

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 材料成形设备课教学的特点

材料成型机械设备课程是许多冶金类高校材料成型及控制工程专业的主干课、平台课，涉及轧制、挤压、拉拔、锻造、冲压、液态成型等多个成形过程的主辅设备。教学目的是从理论和实际的结合上系统地学习材料成形机械设备方面的知识，深入了解和掌握各类设备的工作原理，結构形式，结构和力能参数确定以及主要部件的强度与变形计算的基本方法和技能，为学生将来学习和工作奠定坚实的理论基础和技术技能。

“卓越工程师教育培养计划”提出未来工程技术人员的培养目标是培养大学生的创新能力和实践能力，中国工程教育专业认证标准中明确提出“设置的课程体系和课程内容要能够培养学生解决复杂工程问题的能力”。两项人才教育工程提出的更高的培养目标给东北大学材料成型及控制工程专业课教学的改革提出了新的课题，也为教师进行教学内容及教学方法的改革提供了努力的方向。教师须从设备课自身特点入手，寻找解决问题的突破口。

“材料成型机械设备”课程特点是内容宽泛，与冶金企业现场设备密切相关。学生对于设备的定义、结构、组成、分类等知识的理解需要现场实物的感性认识作为基础。课程知识点相互间联系不甚密切，各章节独立性较强。较少涉及数学推导和逻辑思维。对于课程的深入理解更多地需要感性认识和想象力。学生的感性认识是提高理解程度和学习效果的关键因素。为了达到更好的学习效果，多年来本课程教师一直致力于提高学生的感性认识的方法的探索，如提高对金工实习、认识实习、生产实习等实践环节的重视，加强教师在此环节的指导；开发多媒体视频、电子教材等辅助材料，课堂教学穿插PPT课件、电子教材、现场录像视频播放、收集图片演示等多种手段，这些措施的实施对于提高学生的课堂理解力都收到了一定的成效。

教师们注意到近年来兴起的计算机虚拟技术逐渐被引入高校的专业教学中。轧制设备教学很需要这样一个交互式仿真软件。学生不用到工厂车间，应用电脑就可以仿真安装轧机，相当于增加了一次实训环节。开发了一款轧机交互式安装软件，即可应用于课堂教学演示，又可作为实验课实训内容，可谓一举两得。

2 轧机交互式安装教学软件投入教学实践

虽然学生在认识实习阶段可以得到一些金属材料成形设备方面的一些直观印象，但由于与课堂教学有一定时间间隔，在上专业课时往往已经淡忘或模糊。或者因为实习时无法近距离观察或观察时间较短，在没有系统讲解情况下停留在“外行看热闹”的水平上。另外，轧制过程、挤压过程及压铸过程等，都伴随着高温、高速、高压等复杂的环境和条件，具有一定危险性，学生无法近距离、长时间观察设备结构，也就不能了解其详。

2015年开始，将轧机交互式安装教学软件首次投入课堂教学中。

该软件以某企业二辊实验热轧机 CAD 图纸为蓝本，制作200多个 3ds Max 模型，并应用UNITY引擎链接实现这些零部件模型的组装、部装和总装。此软件分为学习、组装和考核三种模式。图1为软件的界面。

软件具有组装、拆卸、零件库随机寻找零件、零件信息库、考核、后台监控等多种功能。图2为考核过程中后台监控画面。

首次投入课堂教学后，在学生中引起了很大的反响。学生表现出了极大的兴趣和热情。课后纷纷要求在安装在个人电脑上在业余时间进行安装练习。2016年、2017年又连续在课堂教学中使用。2017年正式列入2015级的材料成型机械设备实验课内容。

3 交互式仿真安装教学投入教学效果

软件在课堂教学中使用时，为学生提供多方位零件图形的观看，零件的组装-部装-总装过程，帮助学生迅速理解轧机结构及各零部件作用；让学生自己上讲台操作增加了课堂讲解的生动性和师生互动。总之，互动式仿真装配软件引入教学过程，在提高学生对专业课学习的兴趣的同时也极大地方便教师授课时的讲解，提高了教学效果。

仿真装配轧机作为2015级材料成型及控制工程专业本科生的材料成型机械设备实验课内容之一，共有180名学生进行了上机仿真操作。在2个学时的实验过程中，学生首先在学习模式中首先了解各零件的信息及作用，了解基本的安装顺序，然后进入组装模式。在组装模式下，从随机零件库中挑选安装场景中提示的零件，拖动到正确的位置，松开鼠标按钮，零件自动安装到其在结构中的部位。学生从这个过程中理解设备零件的种类、在设备中的位置和作用。学生还根据软件的对错判断功能通过反复安装体会现场技术人员的实际安装顺序对于整机总装可行性的影响。在组装模式下进行了一定时间的训练后，学生进入软件中考核模式。考核模式下软件限定在60分钟内完成轧机全部零件的组装、部装和总装过程。软件对学生整个安装过程进行计时。记录下学生安装的全部所需时间。通过统计，全部180名学生都在规定的时间内完成了组装。有60%的学生在30分钟之内完成了全部的操作。

交互式仿真安装软件在课堂上演示投入使用3年的时间，在实验课中引入了一年，效果令人满意。我们对2015级学生发放了180份调查问卷，问卷返回率达95%。学生对软件投入实验课教学给出了高度的评价，对实验课增进此项内容满意率达100%。大部分学生认为通过仿真安装提高了他们对轧机的认知程度、提高了对材料成型设备的学习兴趣。2017年学生材料成型机械设备科期末考试平均成绩及及格率较2015年都有不同程度的提高。

4 结语

材料成型机械设备课程课堂教学中引入交互式仿真轧机装配软件的演示，是又一种提高教学质量的教学手段的探索，从效果来看，增加了课堂教学的生动性，极大地调动了学生的学习积极性。

在实验课中加入轧机仿真装配，学生自己动手组装轧机，促进学生对轧机结构及轧机各部位相互关系的了解，同时也培养了学生的动手技能。

参考文献

[1] 高彩茹.材料成型机械设备[M].北京：冶金工业出版社，2014.

[2] 于九明，庞维成.材料成型机械设备[M].沈阳：东北大学出版社，2002.

[3] 陈广玲.高校卓越工程师培养模式探析[J]. 高等教育发展研究.2015.32（3）.

[4] 丁桦，赵宪明，唐正友.通过工程认证促进专业建设[J].中国冶金教育，2016（4）.

[5] 于九明，庞维成，丁桦.材料成型机械设备电子版[M].北京：电子工业出版社，2003.

[6] 东北大学冶金工程与材料成型多媒体开发中心.冶金工程与材料成型多媒体教学系统.北京：电子工业出版社，2001.3.

[7] 朱喜青.基于EON的机械基础虚拟实验室的研究与实现[D].广州：华南理工大学，2012.

[8] 于婷.机械虚拟实验教学平台的研究与实现[D].武汉：华中科技大学，2011.

[9] 高彩茹，丁桦，张福波，等.虚拟实践教学软件项目实施过程中的人才培养[J].中国冶金教育，2016（1）.

[10] 高彩茹，丁桦，张福波，等.虚拟实践教学软件的开发实践与人才培养[J].科教导报，2016.5（下）.endprint