植物纤维增强塑料注塑成型虚拟仿真实验建设*

李海梅，刘保臣，郑学晶，翟 震，李 辉，李修敏，汤克勇

(郑州大学 材料科学与工程学院，河南 郑州 450001)

我校材料科学与工程专业涉及材料、设备、工艺、计算机应用、绿色制造、环境、管理等课程，是工学、理学和管理学的有机融合，使得专业课程设置相较其他传统专业更为繁杂。如，工程类课程有工程制图、机械设计、传热学与流体力学等；理学类课程有有机化学、物理化学、材料科学与基础、高分子化学、高分子物理等；管理学类有材料产业管理工程、资源材料与可持续发展。其中高分子成型加工方向的课程有天然高分子材料、模具制造工艺学、塑料成型工艺学、塑料成型设备、塑料模具设计、塑料模具CAD/CAE等。传统的课程设置，无法将多学科有机整合起来，使学生对高分子材料成型加工有一个整体的认识。为此，学院调整修订了教学大纲，让学习内容更系统。

现开设的《天然高分子材料》、《聚合物共混与改性》、《塑料成型工艺》、《塑料成型设备》、《塑料成型模具》、《塑料模具CAD/CAE基础》等专业课程中，材料制备工艺繁杂[1]、注塑设备/模具制造成本高、场地需求大，制备周期长，受限于实验性质，相关实验多为演示性实验[2]，学生难以直接参与整个实验过程，制约了学生综合能力的培养[3-4]。

为解决上述问题，通过整合郑州大学相关实验室的教学科研资源，在已有条件的基础上，以天然植物纤维增强塑料为研究对象，融合现代信息技术，开展建设具有郑州大学材料学院特色的植物纤维增强塑料复合成型虚拟仿真实验教学项目。项目建设可有效地将传统实验教学过程中实验运行困难、材料成本高、时间消耗长、高危险等真实实验流程存在的问题，转化为可操作、常规化、可视化的虚拟仿真实验,实现学生解决复杂工程问题和合作能力的培养目标，以适应社会经济快速发展对材料科学与工程，特别是材料加工方面人才培养的新要求。通过网络共享的方式，虚拟仿真实验可为提升材料科学与工程专业学生的专业素养和材料加工从业人员的职后再教育提供学习途径，并具有示范作用。

1 虚拟实验的建设内容

实验以学生为中心，综合运用3D建模、交互式虚拟现实、Web网络和数据库技术[5-6]，以真实场景的空间布局、设备为蓝本，构建集生产环境、设备、工具等为一体的虚拟实验。通过人机交互，学生既可在虚拟仿真实验中体验真实实验相同的效果，又可观看真实验条件下无法体现的内部过程和现象。本虚拟仿真实验充分考虑了技术和实验内容的建设。

1.1 技术架构

为实现学生在电脑手机端能运行，植物纤维增强复合成型虚拟仿真实验项目依托于开放式的虚拟仿真实验教学平台支撑，二者通过数据接口进行对接，共同组成一个功能完备的软件系统，为用户提供服务[7-8]。本虚拟实验建设的技术架构如图1所示。

图1 虚拟仿真实验室的架构

技术架构由下到上分为数据层、业务层、展示层和前端层，每一层均为其上层提供服务，直到完成具体虚拟仿真实验教学环境的构建。(1)前端，可使用不同终端设备进入实验，主要支持浏览器、PC客户端、移动终端。(2)展示层，主要基于业务层，用于展示和注塑成型相关的内容的展示和互动。通过渲染引擎完成内容的输入输出表现。(3)业务层，主要提供虚拟仿真实验教学环境的通用支持组件，包括材料制备、模具动画展示，注塑机参数设定操作，天然高分子材料、成型问题等内容展示，用户可快速接入系统开展虚拟仿真实验。(4)数据层，主要功能为上层提供各类虚拟场景、模型以及用户数据，包括学生数据、操作记录、考核记录等内容，便于实现对相应数据的存放与管理，通过数据层实现与外部平台的对接。(5)运行环境，以校内自建服务器完成网络服务，以Unity引擎完成测试运行环境，用支持WebGL的浏览器作为虚拟实验运行环境。虚拟实验的数据库基于Oracle，综合应用3D仿真、二维动画，及Unity3D，3D Studio Max，Zbrush等开发工具。为保证500人同时使用，服务器要求16核CPU、64GB内存、2GB显存、500GB磁盘、操作系统 Windows Server。

1.2 实验内容

根据“能实不虚”、“以虚补实”、“虚实结合”原则，结合培养目标、课程内容和生产实际，为使学生通过虚拟仿真实验直观认知植物纤维、复合材料制备、典型塑件的注射成型工艺过程和设备安装、工作原理，通过交互操作、自主学习材料-工艺-质量关系，优化工艺方案，达到提高学生工程实践和创新能力的目的[9-10]。

在真实实验的基础上，植物纤维注射成型虚拟实验还原了生产场景及加工过程，采用远程访问，内容引导，自主完成的教学方法。虚拟实验内容框架如图2所示。学生借助网络进入虚拟实验、虚拟环境中，辅以文字、图片、录像、动画、交互式界面等手段，使学生充分体验整个实验过程。在系统引导下，通过交互操作，按生产流程独立实施实验。学生可多次重复实验，直至完全掌握整个实验填写实验报告、完成自测题等教学环节。

实验知识点学习：学生利用虚拟实验项目提供的理论知识学习模块，通过文字、图片、声音、视频、动画形式，完成植物纤维、复合塑料、注塑原理、注射机结构与操作、注射成型过程等实验内容的自主学习。此过程既可作为实验前的预习环节，也可作为实验后进行理论知识的深化巩固，每个内容有给定的知识点。

实验场景及人物。虚拟环境中分别构建“工艺设计室”、“模具维护室”和“生产加工车间”，并设置“工艺工程师”、“模具维护工程师”和“加工操作员”三个虚拟人物。其中工艺设计场景主要完成工艺卡设计和成型质量检查，模具维护主要完成模具的结构拆装、型腔维护保养，塑料加工车间主要完成注塑生产过程。学生在三个场景内分别担任工艺工程师、模具维护工程师和加工操作员角色。

图2 虚拟实验内容框架示意图

工艺方案场景用于确定工艺方案。学生虚拟为工艺工程师，根据提供的材料、制品信息、三维模具和 缺陷认知手册等，分析塑件的材料、结构和工艺要求，结合理论知识、工艺参数和模具结构，进行工艺条件设计和确定，并填写工艺卡。

模具工作室，用于学生通过图片、动画、录像等多媒体手段学习了解模具结构细节，模具装配、模具安装(吊装)等知识点，确定模具结构，特别是浇注系统、温控系统的结构。

塑件生产加工，学生虚拟为加工操作员。在完成学习安全生产知识、注塑机结构认知后，进入生产车间，按照设备检查、原料干燥、模具安装、参数输入、注塑加工和清理等环节进行塑件的生产加工。该场景中，学生通过模拟操作，完成工艺参数的正确输入，并在加工过程中可通过动画了解注塑真实实验无法观测的储料和注塑充填过程，及其不当工艺带来的塑件缺陷。塑件试生产后，在工艺设计室进行成型质量检查，结合数值模拟视频，分析缺陷产生的原因，与指导教师进行交流、问题沟通，结论正确后方可进行方案修订；正确了解成型缺陷产生原因和主导因素后，重新进行工艺参数设计、修改和生产加工，直至塑件生产合格。

虚拟实验结合生产实际案例，使学生了解、熟悉、掌握注塑成型工艺过程、设备结构和设备操作的同时，要求学生能够考虑环境和安全等因素，合理分析、评价专业工程实践问题，着重培养学生的自我学习能力，调动学生的学习兴趣和积极性，培养学生解决复杂工程问题的能力，提升学生创新意识[11-12]。

1.3 学习和考核要求

虚拟仿真实验采用过程性评价方法，成绩由考核和个人心得体会两大部分组成。为实现对学生的实验过程、实验报告结果和实验学习效果进行多层次的评价，考核方式如下：教师评价学生自主设计实验报告结果(60分)、团队同伴评价自主设计实验过程(15分)和限时操作场景考核(15分)。学生撰写提交个人心得体会，占比10分。

实验报告结果共6条，分布在“材料及其制备”单元、“成型设备操作仿真”“制品或模具设计制作仿真”、“成型质量分析”各场景模块，合计60分。团队同伴评价是对同小组其他成员在实验过程中参与度的评价(15分)。限时操作场景考核是对系统随机分配单元操作的完成度和操作流程的正确性进行评价(15分)。心得体会至少包括“个人实操的仿真实验内容收获”(4分)、“团队合作过程中的体验”(3分)和“课程改进建议”(3分)三个方面，合计10分。

对于本虚拟仿真实验项目的辐射单位，根据各单位实际情况，调整上述各评价项目及其分值权重，以更好地评估学生的学习态度、学习过程和学习结果。

2 虚拟仿真实验功能示例

图3 注射设备的“实”与“虚”示意

图4 带有螺纹结构塑料制品/模具位置示意图

限于篇幅，仅展示本虚拟实验建设实现的三个主要特点：“设备的虚实结合”(图3)、工艺的“画中画”多媒体可视化(图4)功能。图3a是注射机的真实结构，图3b是虚拟的注射设备，面板参数设置功能按钮与真实注塑机一致，图3c是虚拟设备安装过程的参数校验，有效解决了大型设备台(套)少，学生动手操作机会少的问题。图4是利用多媒体的“画中画”技术，清晰准确显示了塑料制品成型过程在模具中的情况，解决了生产实际操作中的无法直观观察的问题，提升学生的观察力和思考力。

3 结 语

本实验将专业理论知识和生产实际有机融入虚拟情境中，具有丰富的融入感和带入感，通过植物纤维、纤维复合材料、注塑工艺、模具结构、制品成型质量及性能分析结果和问题对话等，学生“真实”体验并主动参与工艺设计、设备操作、注塑加工和方案改进的整个生产过程，充分发挥学生的主体地位，激发了学生的专业学习兴趣，有效提高了学生的实践能力，增强了学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。

虚拟仿真实验教学项目被誉为具有跨时代意义的金课。利用计算机技术生成一个逼真的、具有视、听、触等多种感知的“模拟实验室”建设不仅将专业基础课[13-14]、专业课[15-17]等课程的相关知识有机地结合在一起，帮助学生在实践中认知理论，使学生对专业知识体系和工程应用有系统的认识；而且突破了传统实验在时间和空间上的限制，弥补了传统实践教学的不足，教师和学生可以在三维空间体验实验室里难以实现的具有危险性和破坏性的实验，提高教学效果；此外虚拟实验降低了实验成本，预计可每年节省实践经费约4万元以上。

本实验向全院和相关企业、兄弟院校开放，自2019年9月开放以来，为本校相关专业本科、研究生专业学习及企业人员岗前培训、技能提升提供了服务，使用超过300人次。虚拟仿真实验教学项目，促进了信息技术与高等教育实验教学的深度融合。作为实验课程改革的着力点，正在成为‘新工科’建设和‘双一流’建设中的利器。