虚拟实践教学软件的开发实践与人才培养
中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.05.026
Development Practice of Virtual Practice Teaching
Software and Personnel Training
GAO Cairu[1]， DING Hua[2]， ZHANG Fubo[1]， CUI Chenshuo[1]， CHEN Yuxuan[1]
（[1] The State Key Laboratory of Rolling and Automation， Northeastern University， Shenyang， Liaoning 110819；
[2] School of Metallurgy， Northeastern University， Shenyang， Liaoning 110819）
Abstract This paper introduces the production process of virtual practice teaching software and the potential of undergraduate students， and the teaching exploration practice of improving the students' skills， and summarizes the successful experience of the accumulation of enterprise cooperation in the process of software development.
Key words virtual practice； teaching software； development； personnel training
材料科学与工程学科是现代科学技术的基础，是与实际生产和应用紧密结合的科学理论和工程技术学科，其中的材料成形类专业更是来源于实践，服务于实践。这些特点决定了材料成形类专业的教学必须具有足够多的实践课程，才能培养出适应社会发展、能为社会做出更多贡献的合格人才。
教育管理者和教育界人士很早就认识到实践教学的重要性，也积极采取各种方法加强各学科的实践教学，但总体看来，相比理论教学，实践教学的覆盖范围、教学强度、教学水平等还很欠缺。由于实践课程需要大量的资源配置，实践课程往往简单地以参观工厂和车间的形式完成。虽然对工厂和车间的参观可以给学生以直观的概念，但仅以此作为实践教学则远不够。目前普遍实行的实践教学有很多不足之处：
（1）对实践教学的重视程度还不够。长期以来，高校实践教学被认为是理论教学的辅助环节，是以加深和帮助理解课堂教学内容为目的。实践教学内容以验证性实验为主，内容和进度基本上依附于课堂教学，无法充分发挥实践教学在培养学生中的重要作用。
（2）实践内容缺乏创新。由于实践教学本身得不到重视，实践教师和工作人员很少有机会走出去学习、交流和深造，只能年复一年地重复过去的实验，很难在设计性实验和综合性实验方面下功夫，直接影响了实践教学在整个教学中所发挥的作用，无法保障人才培养工作的质量。
（3）实践教学设备需求量大。随着我国高等教育的普及，各个高校都在扩招。在校学生数量的急剧膨胀，需要更多的实验设备，且需要更多的空间安置实验设备。对于材料成形类专业实践教学中使用的设备，很多是重型设备，这些设备价值高、占地空间大、用电等辅助配置要求高，学校不可能大批量购置，如何解决设备少、学生多的矛盾，是进行实践教学不可回避的难题。
（4）实践教学的创新性功能未得到开发。实践是产生科学知识的直接来源，如何合理利用实践教学环境，促进学生在学习过程中主动思考问题并解决问题，进而设计新的实验，达到在学习的过程中创新，在创新的过程中学习，还远未得到重视。
（5）部分实验具有一定危险性和复杂性，不适合学生在没有经验的情况下操作。如热轧过程、热挤压过程等，都属于高温作业，必须具有相关的操作经验和资质，否则很容易造成人身和设备事故。这就导致现行的实验过程中，学生只能远远地观看而无法参与操作，无法达到实践教学的最好效果。
以上不足和缺憾是长期存在的，不可能在短缺内得到改善，要想提高实践教学水平，只有另辟蹊径，其中利用虚拟现实技术，建立网上虚拟实验设备及虚拟实验室，是解决这些问题的有效方法。
虚拟实践教学系统能够克服传统实践教学中的种种不足，且较传统实践教学来说，花费少，可持续发展性好，是传统实践教学的补充和提高。材料成形类专业实践教学系统的开发项目，依托辽宁省教改项目“材料成形类专业互动式实践教学系统的研发与应用”而进行。而“互动式轧机装配软件的开发”是本项目的组成部分。
1 轧机拆装软件设想的提出
基于材料成型专业材料成形机械设备教学需求及实践教学的需求，结合对虚拟技术的理解，提出了开发一款交互式轧机拆装软件的构想。学生利用交互式软件可以在电脑上通过鼠标的点击模拟轧机的装配过程，加深对轧机结构的理解。
2 开发过程
开发软件的流程如下：可行性研究→软件需求的调研→组建软件制作团队→制作软件的3DMAX软件的培训→寻找轧机CAD图纸→图纸分析→建模→零件知识库的建立→安装脚本制作→软件界面（UI）设计→编程→软件测试→功能完善。 （1）软件制作的的技术可行性。通过向软件开发专业单位咨询及探讨，确认了软件制作的技术可行性。
（2）软件需求的市场调研。通过在学生群体中的调研，确认开发软件应用前景及使用覆盖面。开发出的软件可以提供给材料成型专业老师教学演示使用；材料成型专业学生将其作为实践环节学习设备结构原理的学习软件；轧钢企业将其作为培训职工的工具；帮助不了解轧机的其他专业人士了解轧机结构及各个部件的作用。
（3）招募学生组建软件制作团队。委托软件开发企业完成整套软件开发费用较高，教改项目的经费不足以支付全部开发费用，而软件开发企业人员又不具备材料成形设备专业知识，单独开发存在困难。通过与企业研究，我们决定尝试校企共同开发的模式。招募本科生参与软件开发的部分工作。这样可以将软件开发与学生技能培养相结合，学生在掌握本专业知识的基础上，应用所学专业知识参与制作模型等工作，既挖掘的学生的潜力，提高了学生的技能，又在有限资金的情况下，完成开发工作，缩短开发周期。团队招募的具体做法是：以学过专业课的大四本科生为主体，以大三学生为辅，兼招少数机械专业学生，让本专业学生与机械专业学生优势互补。大三学生的招募是为了形成梯队，保证今后软件制作团队开展工作的连续性。
考虑学生考研、就业及出国深造的各种不同情况，在保证3～4人的相对稳定的核心团队情况下确定团队成员动态加入，动态退出机制。在这样的指导思想下，通过在大三、大四本专业及相关专业学生中的广泛宣传和发动，迅速招募了十几名制作成员，组建了虚拟轧机拆装软件制作团队。
（4）团队成员高效率培训。制作团队组建后，聘请软件公司人员利用业余时间对学生进行3DMAX等软件的培训，并提供给学生相应的软件学习参考书及工具。学生在较短的时间内就掌握了软件使用方法。
（5）CAD图纸分析。专业教师为学生找来轧机的CAD图纸，指导学生明确图纸中图与实物的对应关系，并带学生去现场观察轧机实物，以建立对零部件的空间形象想象。
（6）建模。由于拆装零件的需要，经过慎密的对比及思考，决定应用3DMAX建模。建模学生根据对图纸理解及对空间图的想象，利用3Dmax对每一个零件进行建模。
图1为辊系中两个零件的图纸及建立的相应的模型。整个轧机包括零件有1700多个，需要单独建立模型的就多达200多个。利用一个假期学生完成了全部零件的建模。
（7）零件知识库的建立。为了方便使用者使用软件拆装零件时对零件的了解，还嵌入了零件知识库。使用者在拾取零件时，点击时就可以链接到知识库。屏幕上就出现此零部件的名称、作用及应该安装的位置，这样就方便了使用者的理解。知识库的建立虽然增加了软件制作成员的工作量，但是其在为使用者提供方便的同时，也让开发软件的学生加深了对于设备中零件的了解。表1为部分零件知识库。
（8）脚本的制作。在轧机的安装过程中，需要知道安装的顺序，这就需要一个安装的脚本。软件制作成员对脚本进行了制作。确定了以下脚本制作的原则：①在轧机装配过程中遵照零件→组件→部件的原则，先单独装配机架、辊系、传动装置、减速箱、齿轮箱和驱动装置，再组装到一起。②在写脚本过程中，遵循“由内向外，由下往上”的顺序自己装配部件。图2为轧辊安装脚本顺序图。
按安装脚本安装轧辊最终效果，图3。
图3
为方便后期更加直观地了解轧机的装配顺序，制作时还通过对部件进行炸开处理，并对各个零件赋予不同颜色的材质，方便使用者清晰观看，见图4。
图4
对工作机座主要的部件组装完成后，再对传动装置、主电机、减速箱等部件进行组装，最后组装成轧机，见图5。
图5
（9）应用Unity实现软件的功能。利用Unity软件和制作的脚本处理轧机三维模型，让软件具有学习和拆装模式，把知识库存储到软件中。使用者可在使用过程中了解轧机的组装过程，还可自己组装轧机。将轧机置于某虚拟的场景中，还可以实现对轧机三维视角的观察。
回顾软件制作过程，我们总结出一些值得借鉴的经验：（1）给学生充分的自由度，包括制作中时间安排，UI的自主设计，场景的自主设计，功能的添加等，这样做可以给学生更多的自主发挥空间，这样充分调动了学生的兴趣和主观能动性；（2）鼓励学生大胆想象，大胆创新，并给学生创造宽松的创新环境。贯彻不拘一格，风格各异的理念，学生的创新意识得到最大程度的提高；（3）建立软件公司、教师、学生定期会面制度。按照公司模式按时间节点检查进度，布置工作，指定专人进行会议记录。教师、学生与企业人员共同切磋，对软件制作细节提出自己的看法和建议。学生受到企业文化的熏陶，形成了严谨工作作风。
3 结语
互动轧机拆装软件开发实践，开创了校企合作开发软件兼培养学生的全新模式并从中总结了成功经验；锻炼和培养了一支由各年级本科生组成的可持续工作有强力后劲的虚拟教学软件制作团队；在软件开发实践中大大提升了本科生自主学习能力、创新能力、实践能力；学生提前感受企业管理的理念，培养了团队合作意识，踏实的工作作风，锻炼了自己克服困难的意志，为走出校门、迈向社会做好了心理上的准备。有4名同学以此为题目完成了高质量的毕业设计，获得教师的高度认可和好评；所做的软件在演示过程中受到答辩老师们的肯定，软件投入使用会收到预期的效果。
辽宁省教改项目“材料成形类专业互动式实践教学系统的研发与应用”
