木质复合材料结构设计与制造虚拟仿真实验的开发及应用_周晓燕.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 4 期 2023 年 4 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.4 Apr.2023 收稿日期:2022-09-30 基金项目:江苏省高等教育教改研究重点课题（2019JSJG083）；国家自然科学基金项目（31870549）作者简介:周晓燕（1970），女，江苏南京，博士，教授，主要研究方向为木质复合材料，。通信作者:农春仕（1972），男，广西南宁，硕士，副研究员，处长，主要研究方向为实验室建设与设备管理、高校教育管理，。引文格式:周晓燕，农春仕，张海洋.木质复合材料结构设计与制造虚拟仿真实验的开发及应用J.实验技术与管理,2023,40(4):144-149.Cite this article:ZHOU X Y,NONG C S,ZHANG H Y.Development and application of virtual simulation experiment for wood composites structure design and manufactureJ.Experimental Technology and Management,2023,40(4):144-149.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.04.021 木质复合材料结构设计与制造虚拟仿真 实验的开发及应用 周晓燕1，农春仕2，张海洋1（1.南京林业大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；2.南京林业大学 实验室与基地建设管理处，江苏 南京 210037）摘 要：以提升学生解决复杂工程问题的能力为目标，采用虚拟仿真技术，构建了木质复合材料结构设计与制造虚拟仿真实验系统。以胶合板产品生产为例，从生产过程的实际问题出发，设计了融合产品结构设计、工艺优化和质量综合评估等实践技能于一体的具有挑战性的实验任务。通过采用情境浸入式、任务驱动式和激励探究式教学方法，使学生在“做中学”和“反思中学”的过程中，自主架构知识体系，并实现了知识从理论到实践的有效迁移，达到了提升学生解决复杂工程问题能力和拓展创新思维的目标。关键词：木质复合材料；虚拟仿真；结构设计；复杂工程问题 中图分类号：G642.0；TS6 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)04-0144-06 Development and application of virtual simulation experiment for wood composites structure design and manufacture ZHOU Xiaoyan1,NONG Chunshi2,ZHANG Haiyang1(1.College of Materials Science and Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China;2.Management Office of Laboratory and Base Construction,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China)Abstract:Aiming at improving students ability to solve complex engineering problems,a virtual simulation experiment system for wood composites structure design and manufacture is established by using virtual simulation technology.Taking the production of plywood as an example,a challenging experimental task integrating practical skills such as product structure design,process optimization and comprehensive quality evaluation is designed based on the practical problems in the production process.By adopting situational immersion,task driven and incentive inquiry teaching methods,students can independently construct the knowledge system in the process of“learning by doing”and“learning by reflection”,realize the effective transfer of knowledge from theory to practice,and achieve the goal of improving students ability to solve complex engineering problems and expanding innovative thinking.Key words:wood composites;virtual simulation;structural design;complex engineering problems 进入 21 世纪以来，新一轮科技革命和产业变革风起云涌，为工程教育创新变革带来了重大机遇。我国2016 年提出了建设“新工科”，为高等工程教育的改革探索提供了一个全新视角和“中国方案”1-2。本科工程教育的基本定位是培养学生解决复杂工程问题的能力3-4，在“新工科”背景下，如何以学生为中心，着力提升学生解决复杂工程问题的能力，是目前大部分传统工科专业人才培养过程中亟须解决的问题5-7。网络首发时间：2023-03-23 15:08:36网络首发地址：https:/ 周晓燕，等：木质复合材料结构设计与制造虚拟仿真实验的开发及应用 145 为总产值达 3 万余亿元、产能占全球 50%以上的木竹产业8培养高层次人才的林业工程类专业也不例外。近年来，随着计算模拟、虚拟现实和互联网技术的不断发展，虚拟仿真实践教学以其内容形象化、过程可交互可重复、无时空限制、安全性和可靠性高等优势，成为现阶段实践教学改革的有效方式9-10，尤其是针对生产流程复杂和控制因素繁多的产品生产的实践教学，可以通过对虚拟仿真实验的设计将涉及多方面技术和非技术因素的工程问题融合为一体，培养学生解决复杂工程问题的能力。1 虚拟仿真实验的建设背景 以木竹资源加工利用为主体的木竹产业是我国服务全民美好生活的传统优势产业。中国已成为世界木质复合材料生产、消费和进出口贸易的第一大国。而其中胶合板产品产量达世界总产量的 70%以上，持续领跑全球11。当前木竹产业已由高速增长阶段转向高质量发展阶段，行业的转型升级迫在眉睫12，而培养具有解决复杂工程问题能力以及创新思维的高层次专门人才是核心要素。木质复合材料制造是高等院校木材科学与工程、木结构建筑与材料、家具设计与工程等本科专业必修的实验科目之一。由于木质复合材料生产工序繁多且复杂、生产设备庞大且存在安全风险，在专业课程的实践教学中，实验室无法再现实际生产情境，仅能就个别工序通过手工或简易小型设备开展演示或模拟实验。即使学生有机会去工厂实习，也受限于目前的生产经营模式和生产安全问题，只能走马观花，无法真正动手实践，严重影响了学生动手能力和解决复杂工程问题能力，以及创新思维的培养。目前有行业企业应用仿真技术开发了木质复合材料生产流程的动态场景，但关于木质复合材料产品结构设计、工艺优化和性能评价等覆盖生产全过程管控的虚拟仿真实验开发尚属空白。本实验以产量、品种及销量位居木质复合材料产品之首的胶合板为实验对象，设计了产品结构设计、工艺优化和质量综合评估等挑战性实验任务，设置了反思奖励和竞争评价等融知识性与趣味性于一体的交互环节，通过采用情境浸入式、任务驱动式和激励探究式教学方法，使学生在“做中学”和“反思中学”的过程中，达到提升解决复杂工程问题能力和拓展创新思维的目标。2 虚拟仿真实验的设计思路 本实验以学生为中心、以工程能力培养为导向，注重学生在实验过程中的自主学习，自主设计，自主控制和自主分析，依据胶合板产品实际生产过程，设计了理论知识考核、产品结构设计、关键工序工艺管控和产品性能评估 4 个实验模块（如图 1），通过虚实结合的教学方式，着重训练学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。图 1 实验设计思路 2.1 实验场景的设计 设计了一个包含物理和过程场景在内的胶合板生产全过程实验场景。物理场景仿真国内胶合板制造龙头企业的自动化生产线。过程场景仿真胶合板实际生产全过程：包括产品结构设计、生产任务安排、生产过程管理、产品质量检测、生产成本核算等环节。学生以第一人称视角进入虚拟技术全真再现的胶合板生产车间，直观形象地体验和感知生产过程各道工序加工原理、设备工作过程和产品加工质量等，从而达到巩固胶合板制造理论知识的目的。还可以身临其境地参与产品的结构设计、工艺调控和性能评估等生产管理过程，从而达到促进学生在复杂工程问题的情境中自主架构知识体系的目的。2.2 挑战性实验任务的设计 从选择一项真实生产任务（即生产在某场合使用的某种规格胶合板产品）开始，学生依据所学胶合板组坯146 实 验 技 术 与 管 理 理论知识合理设计产品结构（包括选择树种、确定各层单板厚度、纹理和层数）。同一种产品可以设计成不同的结构，产品的不同结构将影响产品的性能、生产效率以及生产成本。允许学生自主设计、自主控制（如图 2），然后依据这一结构下单生产。设计了单板干燥和胶合热压工段的生产问题，学生需根据生产故障的现象，回顾相关理论知识，合理调整工艺参数解决生产问题。同时，要求学生综合考虑产品性能和经济性后优化工艺参数。图 2 胶合板产品结构设计过程 2.3 趣味交互环节的设计 设置探寻锦囊妙计和竞争评价结果环节，增加项目的知识性和趣味性，同时增强学生的体验感受，促进学生进行反思性观察和分析，达到拓展学生创新思维的目的。在“工艺管控”环节中，当工艺参数调整不当仍出现生产故障时，设置探寻锦囊妙计环节，适时给予点拨，引导学生根据实验现象自主分析故障形成原因，找到正确妙计，并给予加分奖励。在“性能评估”环节设置本地或远程竞争性评判结果，集结完成同一生产任务的不同实验者的实验结果进行对比评判，以激励学生互相交流讨论，不断改进实验方案。此外，线下实验课时教师可对学生的对比分析进行评价，并可安排学生根据线上实验的结果开展实体验证实验，通过虚实结合进行评判和分析。3 虚拟仿真实验的开发 3.1 实验平台技术要求 本实验通过 3D 仿真、动画、WebGL 技术，应用3D Max、Adobe Flash、Maya、Visual Studio 等开发工具，对胶合板产品生产场景、生产设备及其他主要相关元素进行三维仿真建模与仿真设计，从而实现“理论考核”“结构设计”“工艺管控”“性能评估”完整的闭环流程。在项目品质方面，单场景模型总面数可达10 万左右，贴图分辨率为 10241024，每帧渲染次数为 30 次，刷新率高于 30 Hz，分辨率为 19201080。计算机操作系统和版本要求 Windows7 SP1 及以上操作系统，计算机硬件配置要求独立显卡，4 G 显存，主频 4 核、内存 8 GB、存储容量 500 GB。实验参数设置见表 1。表 1 实验参数设置 参数 设定数值 参数 设定数值树种 杨木、桉木 单板初含水率60%胶黏剂 E0 级环保脲醛树脂 干单板含水率