虚拟仿真技术在《复合材料工艺与设备》实验教学中的应用探索

董抒华,魏春城,朱国全,林治涛,谭洪生,孟凡涛

(山东理工大学 材料科学与工程学院，山东 淄博 255049)

《复合材料工艺与设备》是高分子材料与工程专业本科生的重要课程之一，复合材料是建立在三大传统材料基础之上的新型材料，是新型材料发展的主流方向之一。培养具有复合材料方面的高素质人才是高校复合材料专业的主要目标之一[1]。实践教学是学生理论联系实际的重要途径，是培养开拓型人才的重要课堂，也是高校课程建设的重要环节。课程要求学生掌握各种复合材料成型工艺的过程、设备及工作原理，熟悉实验过程。传统实践教学主要是采用教师现场先讲解演示，再辅导学生操作，训练学生掌握操作技能与方法。在实验过程中有些实验如模压成型、注塑成型、RTM成型或层压成型及缠绕成型等通常考虑到原材料成本问题、设备安全操作问题等使得实验开展并不是很顺利，而且学生在工艺的实训环节无法观察到工作中的设备内部机构运转情况，对实验结果也无法预评估，因此难以获得理想的教学效果。

随着虚拟现实仿真技术(Virtual Reality,VR)的不断发展，将VR技术应用到各种学科实验教学中，能够有效地克服传统实验中存在的问题。目前，针对复合材料成型工艺的操作性与交互性的VR仿真系统较少。开发虚拟仿真教学实验平台可以让学生在虚拟环境中交互式体验，如同身临其境完成复合材料实验过程，通过网上平台学习不仅可充分提高学生实验理论水平，还能大大激发学生参与的兴趣，提高教学效果，还可大大提高设备操作安全性，节约实验成本和能源消耗，而且最终通过平台建设还可实现实验资源共享。

1 《复合材料工艺与设备》课程实验教学的现状及存在的问题

本课程是一门实践性强，涉及知识面较广的课程。通过学习《复合材料工艺与设备》这门课程，要求学生掌握复合材料的各种成型工艺，能根据工程上对复合材料制品的要求，确定合适的成型工艺和设备，从而达到预期的要求。

本课程对应理论模块可开设的实验主要有手糊成型、RTM成型、SMC成型、模压成型、纤维缠绕成型、注塑成型等。然而，在实际教学过程中实践教学配套跟不上，存在的问题很多，比如有些工艺很重要但实验室没有配套设备；有些实验原材料成本太高；有些设备陈旧无法保证安全性；有些设备数量有限而学生人数很多无法保证人人参与实验，采取分组的教学方式，还是难以实现一对一模式，多数学生只能采取围观式的实验，很难参与其中，对工艺加工过程认识走马观花不深刻，无法理解实验过程和实验结果；而有些设备即使配套完整，但后期维护和保养也是需要很多经费，这些原因往往导致教学效果达不到预期实验效果，学生的能力培养也达不到预期要求。另外，有些实验由于实验仪器设备构造复杂，精密度较高等原因，学生不能参与调试，设备内部运转情况也无法看到，因此导致学生不能充分学习工艺过程和设备工作原理，对实验仪器了解不透彻，不精准。

2 虚拟仿真技术的特点及在实验教学中的应用

虚拟仿真技术推动了教育现代化的进程和发展，目前是高校专业方向实验教学建设的重中之重[2]。虚拟仿真技术是在计算机技术、网络技术和图像处理技术的基础上发展起来的，通过计算机和网络技术创建一个虚拟、交互式的三维动态场景，利用可视化技术实现实验场景的仿真，让人置身于环境中有如身临其境的感觉，可实现与虚拟环境的交互[3-4]。虚拟仿真技术具有交互性、开放性和便捷性等特点，将虚拟仿真实验放在平台，学生可以通过登录仿真平台自主学习实验知识，观摩操作训练，可巩固所学知识并熟悉实验过程，尤其适合线上实验教学，采用这种方式授课克服了传统实验教学的时间和空间限制，从而提高了信息化教学效果并提高教学质量。

将虚拟仿真技术引入本课程的实验中大大提高了学生参与积极性，提高学生对本课程的兴趣。李艳霞等[5]建设了复合材料成型固化过程虚拟仿真平台，学生可快速分析树脂体系的固化特性、设计和评价工艺制度、探究制件结构因素对工艺制度和工艺窗口的影响。学生利用虚拟实验可对变量进行选择和设计，从而促进了学生实践和知识扩展，提升了学生的创新能力。马世博等[6]采用虚拟仿真技术，结合生产实际案例，全面呈现了典型塑件的注塑成型工艺过程和主要工艺参数对塑件质量的影响规律，虚拟的设计、加工与交互环境，真实演示实验与虚拟仿真实验结合，这种方法调动了学生思考，培养了学生分析问题解决问题的能力。

3 虚拟仿真技术在实验课程中开发和应用

2013年教育部开始强化建设国家级虚拟仿真实验教学工作，积极推进高校虚拟仿真实验中心的建设发展。目前有很多高校顺应潮流积极推进虚拟仿真实验室的建设，将该技术充分应用在科研研究与教学研究中[3]。山东理工大学依托车辆工程与交通国家级虚拟仿真实验教学中心，积极组织各个学院老师根据专业需求建设信息化项目，学校资助经费立项推动虚拟仿真实验建设，并强化可持续发展。学校也动员老师积极申报教育部产学合作协同育人项目。本课程虚拟仿真实践教学改革被教育部产学合作协同育人项目立项，并得到了北京润尼尔网络科技有限公司和上海曼恒数字技术股份有限公司的大力支持，以及学校教务处的立项支持，利用虚拟仿真教学优势资源搭建网络虚拟实验平台，使得更多学生受益，尤其今年疫情线上教学优势凸显，有效解决学生在家无法做实验的难题，达到了非常好的教学效果。通过和专业技术公司合作极大推动了虚拟仿真技术在专业课程实验教学方面的发展，公司专业人员来学校讲解技术同时也给同学拓宽了眼界增长了知识，激发了学习兴趣。

4 结束语

虚拟仿真技术应用于实验教学，是推进现代信息技术融入课堂的重要举措，是实验内容在时间和空间的拓展和提升，为学校拓宽人才培养提供了帮助，是提高教学质量的重要选择。虚拟仿真实验克服传统实验教学的弊端，线上教学优势凸显，从而提升了教学效果，拓宽了学生的视野，培养了学生创新精神与实践能力。