1、虛擬仿真實驗教學(xué)的必要性
隨著現(xiàn)代制造業(yè)不斷向自動化、智能化方向發(fā)展，以 3D打印(增材制造)技術(shù)和機器人自動化制造技術(shù)為代表的智能制造技術(shù)發(fā)展迅猛，工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計、制造過程信息集成度越來越高，系統(tǒng)復(fù)雜程度不斷提升，作為培養(yǎng)社會對此類人才的高等院校，如果采用真實裝備進行實驗教學(xué)存在如下問題：(1)智能制造裝備價格昂貴，前期投入極大，采購周期流程漫長。運行過程中水電氣液等資源消耗極大，設(shè)備后期維護成本高，部分設(shè)備操作風(fēng)險和污染風(fēng)險較高;(2)受學(xué)校資金和場地的限制，無法滿足學(xué)生實際動手操作能力培養(yǎng)的需要，開放型、自主設(shè)計型和創(chuàng)新性實驗難以開展;(3)優(yōu)質(zhì)的實驗資源無法實現(xiàn)開放共享;(4)生產(chǎn)企業(yè)給予學(xué)生進入生產(chǎn)第一線實習(xí)實踐的空間越來越小，全國僅有十堰和洛陽兩處大型實習(xí)基地，生產(chǎn)實習(xí)難以達到預(yù)期效果。
2.1 虛擬仿真實驗教學(xué)體系構(gòu)建
為了擴大學(xué)生創(chuàng)新科技活動的受益面，中心以智能制造為重點發(fā)展方向，以培養(yǎng)高水平復(fù)合型工程應(yīng)用和開發(fā)能力強的本科和碩士人才為主要目標(biāo)，以實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心，以專業(yè)和應(yīng)用并重培養(yǎng)的方式，面向陶瓷 / 鋁型材裝備設(shè)計與制造、工業(yè)機器人控制與集成應(yīng)用、節(jié)能與新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用、增材制造技術(shù)研究及應(yīng)用等四個方向相關(guān)的虛擬仿真實驗，建立智能制造虛擬仿真實驗與實體實驗、校外實踐三結(jié)合的教學(xué)模式，將智能制造技術(shù)與地方特色產(chǎn)業(yè)緊密結(jié)合，與 ABB(中國)有限公司、達意隆股份有限公司等行業(yè)龍頭企業(yè)深度合作，在企業(yè)中建立了一批具有行業(yè)和學(xué)科特色的本科生及研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地和實踐基地，面向基礎(chǔ)理論和企業(yè)實際需求，重點開展馬賽克鋪貼裝備、增材制造、機器人集成應(yīng)用、電子系統(tǒng)設(shè)計、軟件系統(tǒng)設(shè)計、計算機仿真分析和先進制造技術(shù)應(yīng)用等多個技術(shù)虛擬仿真實驗，實現(xiàn)校內(nèi)教學(xué)科研和校外產(chǎn)學(xué)研的共享與輻射。通過面向產(chǎn)業(yè)的深度校企合作，針對智能制造技術(shù)在產(chǎn)品的設(shè)計制造和管理全過程，搭建實驗教學(xué)、技術(shù)培訓(xùn)和科學(xué)研究“三位一體”的共享平臺，以智能制造技術(shù)的“智能設(shè)計、虛擬制造、信息管理、智能物聯(lián)”四個環(huán)節(jié)為主線，開發(fā)豐富的虛擬仿真實驗教學(xué)資源，形成了以能力培養(yǎng)為主線， 以服務(wù)地方產(chǎn)業(yè)為核心、多層次、多模塊、互相關(guān)聯(lián)的新型實驗教學(xué)體系。
2.2 虛擬仿真實驗項目
中心以急需的實驗教學(xué)內(nèi)容為指向，深入融合教研成果，依托信息技術(shù)，將復(fù)雜工程問題和教研成果轉(zhuǎn)化成示范性虛擬仿真實驗項目，研發(fā)內(nèi)容豐富、與企業(yè)的真實案例和實用技術(shù)相當(dāng)?shù)奶摂M仿真實驗項目，提供具有工程氛圍的實驗教學(xué)條件。為學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計、科技制作、技能大賽和各種實驗類的專業(yè)競賽提供平臺，面向機械設(shè)計、機械電子、車輛工程、電氣工程與自動化等全校 12 個工科專業(yè)開展虛擬仿真實驗教學(xué)，自主研發(fā)面向企業(yè)需求的零部件設(shè)計加工、模具設(shè)計、高效焊接、3D 打印(增材制造)等虛擬仿真實驗，已開設(shè)實驗課程共 12 門，虛擬仿真實驗項目 28 個，現(xiàn)列舉有限元分析實驗：利用 NX 及 SolidWorks 等三維軟件及相關(guān)“高級仿真”功能模塊，完成從簡單到復(fù)雜的 3 套以上典型機構(gòu)建模、裝配與運動仿真與動力學(xué)分析。
實驗步驟：(1)以減速器、機床等產(chǎn)品上的軸和齒輪的零部件為分析對象，并給出產(chǎn)品的主要技術(shù)參數(shù)，通過“虛擬仿真實驗教學(xué)平臺”給每位學(xué)生下達任務(wù)書;(2)學(xué)生根據(jù)給定的技術(shù)參數(shù)，建立分析對象的受力模型;(3)在系統(tǒng)中建立分析對象的幾何模型;(4)在“高級仿真”模塊中完成有限元分析的前處理、后處理及結(jié)果分析;(5)撰寫實驗報告，并提交相關(guān)物化成果。
2.3 虛擬仿真實驗教學(xué)的效果
中心為學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計、科技制作、技能大賽和各種實驗類的專業(yè)競賽提供平臺。 近三年來，面向機械設(shè)計、機械電子、車輛工程、電氣工程與自動化等全校 12 個工科專業(yè)開展虛擬仿真實驗教學(xué)，自主研發(fā)面向企業(yè)需求的零部件設(shè)計加工、模具設(shè)計、汽車拆裝與維修、高效焊接、3D 打印(增材制造)等虛擬仿真實驗，已開設(shè)實驗課程共 12 門，虛擬仿真實驗項目 28 個，年均實驗約 43000 人時數(shù)。智能制造虛擬仿真實驗教學(xué)中心對全校和社會全天開放，學(xué)生可以在宿舍、圖書館和實驗室上網(wǎng)，實現(xiàn)共享式網(wǎng)絡(luò)開放學(xué)習(xí)。近三年以來，學(xué)生通過中心培訓(xùn)和指導(dǎo)，獲得國家、省級獲獎89 項，學(xué)生申請專利 6 項。近年來， 調(diào)研結(jié)果顯示，中心培養(yǎng)出來的學(xué)生在企業(yè)技術(shù)中心或生產(chǎn)車間適應(yīng)工作崗位要求的時間明顯縮短，專業(yè)工作能力顯著提升，獲得了企業(yè)的高度好評。
3、中心特色與創(chuàng)新
3.1 虛擬仿真實驗教學(xué)中心的主要特色(1)校企共建虛擬仿真實驗和開放實驗項目，虛擬仿真的儀器先進、過程真實、結(jié)果可靠。中心與美的集團等企業(yè)共建聯(lián)合實驗室 6 個，共同開發(fā)了有特色的智能制造虛擬仿真實驗項目 20 項，虛擬仿真的儀器先進、過程真實、結(jié)果可靠，實用性強。
(2)虛擬與現(xiàn)實的有機結(jié)合，虛擬仿真實驗結(jié)合實際產(chǎn)品的智能制造流程。基于設(shè)計能力、綜合能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的智能制造虛擬仿真實驗項目，融合和應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫、數(shù)字化設(shè)計、計算機仿真和網(wǎng)絡(luò)通訊等多重技術(shù)，實現(xiàn)課內(nèi)與課外、校內(nèi)與校外、網(wǎng)上與網(wǎng)下、虛擬與現(xiàn)實的融合，不斷進行虛擬仿真實驗和傳統(tǒng)實驗相結(jié)合的實驗教學(xué)方法改革與創(chuàng)新。
(3)立足佛山，輻射珠三角，涵蓋和服務(wù)智能制造全產(chǎn)業(yè)鏈。針對佛山地方優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)的需求，基于陶瓷 / 鋁型材裝備設(shè)計與制造、工業(yè)機器人控制與集成應(yīng)用、節(jié)能與新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用、增材制造技術(shù)研究及應(yīng)用等四個方向，共同開發(fā)了基于智能制造技術(shù)的系列虛擬仿真實驗，將智能制造技術(shù)的學(xué)習(xí)融入虛擬仿真實驗與實體驗證實驗、校外企業(yè)實踐三結(jié)合的教學(xué)模式，致力培養(yǎng)制造業(yè)人才的工匠精神、創(chuàng)新和工程實踐能力。
3.2 虛擬仿真實驗教學(xué)中心的主要創(chuàng)新
(1)資源建設(shè)創(chuàng)新—面向地方產(chǎn)業(yè)的智能制造全流程仿真。利用佛山地區(qū)先進裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)優(yōu)勢，融入現(xiàn)代制造企業(yè)實際案例，以全流程智能制造為載體，開發(fā)具有佛山產(chǎn)業(yè)特色且高度仿真企業(yè)產(chǎn)品制造全周期的虛擬仿真實驗項目。中心綜合了機械工程、車輛工程、機械設(shè)計制造及自動化、工業(yè)設(shè)計等學(xué)科的信息化技術(shù)資源，以現(xiàn)有智能制造設(shè)備和自動化柔性生產(chǎn)線為基礎(chǔ)，將企業(yè)案例的生產(chǎn)全工藝過程進行規(guī)劃，制定了詳細的實驗方案，作為虛擬仿真實驗項目的開發(fā)依據(jù)，構(gòu)建了從設(shè)計部門→制造車間→裝配車間→檢驗車間→產(chǎn)品展廳→商務(wù)中心的全流程、高仿真實驗教學(xué)體系。
(2)虛擬技術(shù)創(chuàng)新—多虛擬技術(shù)融合的虛實結(jié)合教學(xué)培訓(xùn)。基于智能制造全流程的虛擬仿真教學(xué)過程，首先， 學(xué)生通過 VR/AR 技術(shù)為基礎(chǔ)的培訓(xùn)系統(tǒng)和產(chǎn)品加工過程回放單元，了解和掌握實際產(chǎn)品制造流程和各項制造技術(shù)原理與操作。之后， 按照中心自動化柔性生產(chǎn)線加工能力，在此基礎(chǔ)上，利用三維設(shè)計軟件和有限元分析軟件進行產(chǎn)品設(shè)計和可靠性分析，完成設(shè)計產(chǎn)品的虛擬仿真制造過程的模擬后，在試驗設(shè)備上完成產(chǎn)品的加工制造。最后， 通過虛擬裝配和虛擬運營系統(tǒng)，完成產(chǎn)品的全部工藝流程和路線。
(3)管理制度創(chuàng)新 - 引入企業(yè)文化和管理制度教育。在學(xué)校和中心的基本管理制度基礎(chǔ)上，引入企業(yè)生產(chǎn)管理和培訓(xùn)制度，聘請實踐經(jīng)驗豐富的企業(yè)工程師做兼職教師，模擬企業(yè)實際生產(chǎn)流程和場景，在實際教學(xué)過程中， 潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的工匠精神和職業(yè)精神。 在全流程模擬過程中，引導(dǎo)學(xué)生了解企業(yè)文化和管理規(guī)章制度，培養(yǎng)具有設(shè)計能力和實干能力的創(chuàng)新型應(yīng)用人才，畢業(yè)后能夠迅速地適應(yīng)企業(yè)崗位和轉(zhuǎn)換角色。
4、中心共享與展望
(1)進一步豐富共享資源。將增材制造、新材料開發(fā)與模擬、機器人智能制造等新技術(shù)引入虛擬仿真教學(xué)和將科研成果轉(zhuǎn)化為實際教學(xué)，開發(fā)實驗 10 ～ 20 個，豐富共享教學(xué)資源。
(2) 利 用 互 聯(lián) 網(wǎng) + 和 AR/VR 技 術(shù)， 開 發(fā) 手 機 和 平 板APP，實施移動學(xué)習(xí)。利用我校建廣東省高水平理工大學(xué)的充裕資金，更新實驗設(shè)備，提升仿真網(wǎng)絡(luò)帶寬和實驗室管理智能化，開發(fā)基于 IOS 和安卓系統(tǒng)的手機和平板 APP，實施時學(xué)習(xí)、處處學(xué)習(xí)和移動式學(xué)習(xí)。
(3)拓寬共享渠道。加入我國高校實驗教學(xué)聯(lián)盟和全國虛擬仿真實驗教學(xué)聯(lián)盟，拓寬共享渠道，實現(xiàn)全國范圍內(nèi)的資源共享。
(4)拓寬校際和校企共享。中心下一步擬加入 ABB 教育聯(lián)盟高校成員，利用 ABB 公司平臺向聯(lián)盟內(nèi)高校共享本中心的部分虛擬仿真實驗資源。加入廣東省高校教育聯(lián)盟，爭取為周邊兄弟院校服務(wù)，為其他高校教師科研提供支持，承擔(dān)其相關(guān)專業(yè)的實驗和實訓(xùn)任務(wù)，校外學(xué)生可以通過校聯(lián)合體平臺預(yù)約注冊登錄后，遠程共享部分實驗教學(xué)資源，完成實驗、設(shè)計等任務(wù)，提高學(xué)習(xí)效果。
5、結(jié)語
中心通過建設(shè)基于企業(yè)環(huán)境的虛擬實驗室，提供安全、可靠、低成本的前位培訓(xùn)，能夠有效地縮短學(xué)生與企業(yè)之間的距離，從根本上解決地方本科高校教育與行業(yè)發(fā)展脫節(jié)的問題。經(jīng)過中心實驗室的虛擬仿真訓(xùn)練，學(xué)生能夠掌握面向佛山陶瓷、不銹鋼、輕金屬、模具等傳統(tǒng)優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)相關(guān)產(chǎn)品智能制造全周期的產(chǎn)品三維設(shè)計、有限元分析、計算機輔助工藝分析、虛擬制造、虛擬裝配、虛擬運營等核心專業(yè)技能。中心已擁有一個富于創(chuàng)新精神和高水平研發(fā)能力的研究團隊。(作者：田英，王興波，傅貴武，林偉豪)