数字经济下模具虚拟实验平台发展趋势
摘要：该文以模具虚拟实验室为例就目前国内虚拟实验室的基本形式展开了分析，对应用型本科人才培养中模具虚拟实验室的基本情况进行了剖析，并提出了存在的问题及发展趋势，为各应用型本科模具虚拟实验平台的搭建提供一定的借鉴。
关键词：模具结构；虚拟实验室；应用型本科；模具工艺分析
以人工智能、物联网、大数据技术为背景，应用型高校在人才培养中，对实践环节的执行方式也发生了变化，从传统的实验室实物到新兴的虚拟实验平台，学生的实验环境不受限于传统的有限平台设备，使学生这种技能级别较低的“新手”能放手操作设备，而不怕设备因操作不慎或参数设置不合理导致的破坏状况，甚至在操作过程中有引导性提示，指导学生完成实验，为学生兴趣的开展和知识的掌握提供了基础[1-2]。
1虚拟实验室的类型
目前国内虚拟实验室类型大致有三种，①借助虚拟现实设备，如VR眼镜，虚拟出现实环境，在虚拟环境中进行实验；②借助虚拟软件平台，创建虚拟实验场景，建立一定量的实验参考模型，通过交互作用界面，在场景中完成实验，如图1所示，此方法不需要虚拟现实设备；③建立资源库，将传统的理论知识、实践操作知识点、图库、试题等资料汇总到一个系统中，设定一定的考核环节，完成考核任务[3]。因为虚拟软件平台不需要额外的辅助设备，操作环节流程可控性强的特点，成为目前虚拟实验室中应用最为广泛的类型。资源库成为继传统网络技术交流平台转高校实验技术平台的纽带，将传统的理论知识综合归纳，融入部分实践内容，供学生学习，同时又可以与校外技术人员沟通、交流，达到实践的目的。张勇亮等人[4]将3Dmax中建模的实验室场景导入虚拟现实软件unity3D中，从而创建了船舶轮机虚拟实验室。该虚拟实验室就是利用了虚拟软件平台，结合实际实验室场景，创建的全新虚拟实验室，不仅能够实现原有的实验内容，还开发出了新的实验环节，增加了实验的可操作性降低了实验成本。李阳等人[5]，利用实验室自行开发的快速运动仿真系统（RP-DMU），建立了冲压模具运动仿真的虚拟系统，并建立了相关的实验课程体系，进行了干涉分析，对学生理解模具工艺过程具有重要意义。江星莹等人[6]，基于COMSOLMultiphysics多物理场仿真模拟软件，解决了传统使用Deform软件基础操作环节，又增加了多物理场耦合，使学生的实验过程更快捷、更可靠、易上手。大型高校以创建虚拟实验室平台为主，经费紧张的高校以单打独斗的小系统开发为主。引申出CAI课件制作、某些课程的实验课程体系设计、课程复习平台搭建等。张晓光等人[7]将模具设计实验课程与CAE实践综合，形成部分虚拟、部分现实的实践场景。以上实验平台是对传统实验室演示、验证为主的实验设备的补充，学生可以方便、快捷完成实验过程。
2应用型本科模具专业实验需求分析
由于各个高校模具专业研究方向的不同，实验课程也差别较大，本文以冲压模具实验为例，分析应用型本科人才培养对冲压模具实验课程的需求。从模具专业来看，应用型本科教学目的是培养具备模具专业的基础理论、专业知识和应用能力，能在工业生产领域从事模具工装设计与制造、设备维护与管理等方面工作的应用型工程技术人才。对于实验环境，要求能够展示模具工装设计及工艺过程为主。以冲裁模具为例，该实验环节需要展示冲压工艺过程、冲压排样、冲压模结构、冲压模设计影响因素[8]。冲压工艺过程对于应用型本科来说，需要了解工艺中间隙、凸凹模表面精度、冲压力等工艺因素对工艺过程的影响，从而为冲压模的设计提供一定的理论依据，如图2所示，冲压工艺与模具设计课程实验内容，实验部分对工艺影响的探讨作为重点，而塑性成形原理理论知识其次。
3应用型本科模具虚拟实验室建设现状
根据应用型本科模具设计课程需求，模具实验项目一般包含工艺分析和模具结构设计两大分支。工艺分析部分，传统的实验教学是利用一定的设备，如压力机或注塑机等，以适当的工艺参数，对原材料进行工艺过程的演示或试验，以分析工艺中存在的问题及各工艺参数对产品的影响。而模具生产的连续性，对实验过程的影响较大，加之设备的维护条件不同，导致工艺参数的分析很难有较细节的区别。所以此部分内容大部分高校是采用仿真分析的方式进行，借助通用的三维软件对工艺进行模拟仿真。例如ProCAST软件用于对铸造模具工艺过程的模拟，而Deform对金属的塑性成形工艺过程有较好的仿真，Moldflow用于塑料成型工艺过程的仿真。由于实验室条件的限制，工艺分析部分通过动画演示或者实物模型，以结果的形式展示给学生，学生则以课前预习的形式进行，仅仅满足演示功能。虽然此种数据库不能满足实验动手的需求，但由于动画模型库数据较多，种类丰富，满足不同学生对各种工艺的需求，具有一定的适用性。部分小型设备模型也被用来实验教学，郑国强等[9]通过试制桌面式挤出机，完成了聚合物成型原理的实验部分演示。冲压过程仿真环节，传统的实验教学模式通过演示，或者模拟，而因为需要必要的软件基础，往往需要开设相关软件的培训课程，而实验环节一般只是以演示的形式进行。教育部办公厅在2017年开展了首次虚拟仿真平台建设，创建了实验空间―国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台，对实验教学的多样性及普适性具有较大意义。西南石油大学的《塑性成型原理及工艺》的课程实验中“大型冲压件成形过程虚拟仿真实验”项目对冲压工艺仿真部分是采用Deform软件模拟，根据模拟分析结果评估设计内容。冲压模结构实验环境的教学，大部分高校是以模具实物拆装实验来进行的，由于模具的复杂程度不同，以及学生缺乏必要的钳工技能，在装配过程中，难以有效装配，并且拆装过程不确定性因素较多。此部分内容高校虚拟实验平台内容较丰富，创建虚拟装配环境，或者利用VR技术虚拟装配等，根据模具种类不同，形式各有区别。同样在实验空间平台，模具结构的实验平台如河南工业大学的“冲压模具拆装及结构分析虚拟实验”，是完全创建了一个模具车间虚拟场景，在场景中通过控制按键来实现模具拆装的基本过程，将实验中的动手环节转变为电脑操作，解决了学生拆装技能的问题，但由于模具种类限制，结构数量较少，仅实现了本套模具的拆装，多样性较难满足要求。另外，根据模具种类不同，模具设计工艺环节有不同的设计内容，以冲压模具为例，还需要进行必要的排样设计，该环节一般是以计算题题目的形式进行，需要学生根据所学知识，设计几种不同排样类型，分别计算其材料利用率，一般在专业软件的辅助下完成。前面介绍的三种虚拟仿真实验类型对传统的模具实验都有一定的改进，也都存在一定的问题。首先，实验平台的共享。由于系统开发投入较大，一般高校在建设实验室后也缺乏后期的维护，导致实验平台只能满足本校学生的使用。其次，课程设置同步性问题。应用型本科课程设置一般重应用，重操作，而理论基础相对较弱，而仿真平台需要有理论基础的相关课程设置，也对软件基本技能也有一定要求，针对不同课程，平台不能很好地兼容各软件并直接打开进行实验。然后，虚拟实验平台中实验的设置，会产生相关的实验课程设计的改革以及实验考核方式的变革。作为应用型本科学校，实验的过程性考核方式没有统一的标准，那么实验环节的设置也应该有所不同，实验课程的设置学期、课程内容、考核标准等应该有不同的标准。最后，二次开发难度较大。虚拟实验室搭建思路基本是以实物建模+虚拟软件+计算机编程的模式进行，对于传统的工科教师来说，在实验环节中，只能按照设定的流程逐步进行，科研性较差，且对应用型本科来说，实验环境相应的比重较大，模型数量和实验条件应该有所区别，但由于各虚拟实验平台兼容性较差，对不同软件环境的教师不够友好，需要相应的知识能力积累，进行必要的调整、修改，或者后期优化难度大。
4发展趋势
根据以上分析，模具虚拟实验平台目前的发展还在起步阶段，针对存在的问题，笔者认为可能的发展趋势有以下四方面。①与企业协同创建虚拟实验平台。现有的模具虚拟实验平台过分强调“虚”的演示，对于工科“实际问题”忽略不计[10]，应用型本科对动手能力强、有一定实践训练并能够综合解决问题的人才的培养一直都是非常重视，这就需要加强与企业的合作，由企业提出实际问题，并共同搭建虚拟实验平台，教师设置考核点及评分标准，学生在真实的生产环境中自主完成实践内容。②虚拟实验平台的统一。从应用型人才培养目标看，不仅需要独立的思考能力，较强的动手能力，还需要与实际生产相匹配的能力。以模具设计为例，设计部分需要考虑到后期的加工与工艺过程，目前的虚拟平台过分强调了每个考核环节的标准，甚至设置的选项中不考虑实际生产环节的问题，模具加工部分数据与数控加工虚拟平台的统一配合，使学生从设计到加工各个环节综合考虑，也实现了模具加工课程与设计课程的综合。③相关配套资料的完善。虚拟实验平台的搭建使得实践动手能力明显区别于传统实验操作，这就需要配套的相关操作说明及教材等配套资料。该配套资料不同于通用软件的使用教程，只适合本虚拟实验平台，相关教师及学生在实验开始前需要熟悉并掌握相关的理论知识及软件基础知识。④课程体系的改革。课程之间的衔接关系将进一步放大，势必影响课程体系设置的改革。模具虚拟实验平台与前期的三维建模、工程材料、互换性与技术测量、模具设计、数控加工、生产实践，将在一个平台中完成。传统的以学期为单位的课程体系将被打破，变成以项目驱动形式进行的课程体系改革。
5总结
模具虚拟实验平台的搭建为广大学生及爱好者提供了一个实践机会，减少了实验室经费，切实解决了应用型本科部分设备不足的问题，为学生掌握必要的理论知识、实践经验以及实验平台操作提供了一定的条件，但在使用过程中还存在应用局限，对教师、学生以及教务部门都提出了一定的要求。教师方面，需要具备课程相关的全科知识，又要有一定的建设思路，能从学生、企业、实操三个方面思考可操作性及考核标准，还需要具备一定的虚拟实验室建设知识，从数字化的角度分析实验平台搭建中的问题。学生方面，不再以一门课程的实验成绩作为课程考核实践部分的分数，此时应该综合考虑各学科间的关联，以及实践问题的解决。教务部门应该做好服务工作，为模具虚拟平台的课程建设与改革提供必要的条件，并积极配合课程改革。模具虚拟实验平台的利用任重道远，各应用型本科在实践过程还需要努力探索一条适合自己的发展道路。
赵小娟 张巍 邓四平 武昌工学院智能制造学院
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