机械制造教学实训仿真系统的构建

摘 要：为了解决高校在应用型人才培养过程中实训条件严重不足的状况，近几年基于计算机提出了运用虚拟仿真和知识工程的原理与技术，在UGNX平台上开发与建立机械制造教学实训仿真系统的综合性实践教学模式。

关键词：仿真；虚拟制造；教学实训；构建主义

随着社会的发展，传统的教育理念已无法满足企业对应用型人才的大力需求。因此新的教学模式与理念的提出迫在眉睫，而构建主义学习理念（Constructivism）的提出正好填补了这一空白。建构主义是把情景化与知识的应用性结合起来，利用计算机技术，对现实工厂进行仿真，在仿真的环境中学生通过与计算机的互交而学习。其主张情景化教学，只有在合适的情境中才能充分发挥作用。根据机械设计制造及其自动化专业对人才的培养目标和知识结构要求，基于机械制造专业课程的特点和应用型人才的培养模式，结合实践教学经验，通过教学设计把建构主义的教学理论与体验式教学模式以及机械制造实践要求结合起来，利用SiemensNX三维建模与仿真功能模块建立机械制造教学实训系统。借助于计算机的便利，将建构主义的学习理念和教学理论变成可操作的教学环节，使教、学、练相结合，最终达到教学目标。

一、仿真系统及构建主义教学理念的介绍

机械制造教学实训仿真系统是基于计算机技术，结合机械专业课程特点和构建主义教学理念而开发的虚拟仿真平台，可以通过与该平台的交互给学生一种真实场景的感觉。通过计算机仿真系统进行培训有它的优势，比如在保证迅速提高学生素质的同时，还能保障学员的安全和节约教学成本。把仿真系统教学推广到各大院校中，已是大势所趋。

传统的教学是教师如何教学生就如何学，其中老师是主体，而建构主义主张的教学是围绕学生如何学而进行，教师只是组织者，其中学生是主体。建构主义提倡情景化教学（situated instruction），教学应当与现实结合起来，尽量选择具有真实性、可体验性的学习内容。在情景化教学中，教师首先设计好情景，然后学生在此情景下自主研究、学习并且实践。在丰富的情景化教学环境中，学生有足够的自我建构知识的空间，建构出新的知识。只有这样才能更好地处理教与学的关系，同时也可以调动学生的学习积极性。

二、机械制造教学实训仿真系统的设计方案

基于建构主义的机械制造教学实训仿真系统的教学设计主要由目标分析、情境设计、资源设计、功能模块设计和效果评价五部分组成。

1.目标分析

随着经济的飞速发展，企业特别是中小型企业开始越来越倾向于对应用型技术人才的招聘。然而由于各大院校的人才培养与社会需求的脱节，尤其是因为资金短缺等带来的实验室投入不足、实训基地建设落后等问题使学生参加工程实训的机会显得非常少。为了解决这种大学培养的人才跟企业需要的人才不匹配的现象，实践性教学显得尤其重要。

2.情境设计

在情境中学习，设计的情境要能使学生产生强烈的学习动机，同时有助于学生自主学习。这种情境必须要与学习内容相融合，以便达到建构知识意义的目的。在基于建构主义的机械制造教学实训仿真系统的设计中，利用UGNX，CAM，CAD，CAE等计算机辅助技术，构建工厂环境和工艺流程，集成加工工艺资源，将学生完全带入工厂的制造情境中进行学习。让学生在已有知识基础上不断地通过信息资源库中的知识解决新出现的问题，从而在实践中自主、愉悦地获得新知识，与此同时学生有种身临其境的感觉。

3.资源设计

在如今这个信息爆炸的时代，有效的信息资源对于解决问题十分重要，丰富的学习资源是建构主义学习的一个必不可少的条件。因此，首先要建立基于建构主义仿真系统的信息资源库，将现有的技术手册、工艺资料、标准规范等集成在系统中。

4.模块设计

为了让学生能够通过人机界面对机械加工及其工艺有所了解，机械制造仿真教学系统可以划分为四大模块：虚拟工厂模块是为了给学生创造一个机械设计或者模具制造这样一个工厂环境，让学生有种身临其境的感觉；虚拟装配模块是为了让学生对机床等进行简单的装配；虚拟制造模块是基于虚拟工厂模块，在其中实现对产品的设计、加工、装配和调试；过程评价模块是对学生的设计和操作进行评价，客观地反映学生在实训中存在的问题和仿真系统的Bug，以便完善系统和学生技能的提高。

5.效果评价

这里的评价指学生的自我评价以及系统对其学习效果的整体性评价。学生在仿真系统中通过对类似实物的操作，对其进行虚拟的加工制造，从而获得身临其境的感受和体会，同时也可以从任何角度观察产品。这种反馈调节模式能够及时反映学生学习中存在的问题和教学中的不足，了解不足的同时采取有效的调整措施，以此提高学习效率。

三、仿真系统的实现

首先构建机床。即利用Siemens NX的建模功能和3DMAX 立体软件对图片、模型的渲染构造一些常用的机床库供学生进行装配；其次在机床的各个零部件上附带与该零件相关的信息，以便学生看到这些零部件的时候可以浏览以及进行一些拆装练习。接着构建常用的夹具库，系统提供典型零件以及相应的夹具，由学生根据设计的零件的工序选择夹具类型和选择系统中可编辑修改的夹具零部件进行夹具装配，形成的装配结构由虚拟系统根据预先设定的夹具设计原则进行检查，发现问题及时反馈给学生，以便修改；然后建立常用刀具库，通过切削仿真试验让学生了解刀具几何角度对切削性能的影响，通过切削数据库的构建让学生能在规范要求的范围内合理选择刀具和切削用量，合理选择刀具材料，合理选择刀具几何角度，在加工过程的模拟仿真中反映刀具与切削用量的匹配关系；接下来建立典型零件（轴类零件、盘类零件、箱体类零件）的加工工艺过程交互式设计模块，在该模块中利用向导模式引导学生对典型零件进行工艺分析、毛坯的选择、加工时定位基准的选择、加工工艺路线的安排、各工序余量尺寸及公差的确定，来完成典型零件的工艺分析及工艺设计过程。在每一个过程中利用基于知识的评价模块对学生的操作进行评价并指出操作过程中存在的错误和改进方法，并对加工过程中影响加工精度和表面质量影响的工艺因素进行分析。

四、结论

仿真实训软件作为对机械工程类教学改革的实践，通过采用互联网技术，将有关设备真实地展现在学生面前，由于仿真系统中的设备是“虚拟”出来的，因此最大程度地节约了学校的教学成本。采用现代仿真技术，学生可在计算机上身临其境地完成对零件的加工操作，具有较强的直观性和操作性，从感性的角度培养学生的实践操作能力和分析解决问题的能力，提高学生的综合素质。作为一个仿真软件，其优势在于学生可以在没有产品质量和安全生产的顾虑下创造和实践。但无法真正代替实际的操作实训，仿真系统只能作为缩短实习时间，提高实习效率的一种辅助手段。仿真系统的开发难度较大，机械工程涉及的知识也很广，因此，仿真系统不可能靠一个人开发与完善，它需要市场的支持。本文只是结合一些理论知识，对其进行简单的理念构建，接下来还需要更多的尝试。

参考文献：

孙俊兰，赵健，刘德仿.机械制造教学实训仿真系统的构建[J].盐城工学院学报：社会科学版，2012.

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