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摘要：针对技工院校模具设计与制造专业教学中存在的问题，引入了创新的教学模式，提出了基于虚拟现实的模具专业教学策略。本文通过分析虚拟现实在技工院校模具专业教学中的应用意义，构建了基于Unity3D的注塑模设计虚拟仿真教学系统。以“项目教学法”为引领，实现“理实一体”的教学模式，在技工院校模具专业教学中起到良好的辅助作用。
关键词：注塑模设计；虚拟仿真教学系统；Unity3D
中图分类号：G642 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2019）11-0174-02
随着科技的飞速发展，虚拟现实技术通过构建三维逼真的虚拟环境，以人的参与为核心，形成人机互动的高技术模拟系统[1]。虚拟现实技术凭借其三维空间表现能力和人机交互式的操作环境而给人带来良好的用户体验，已经广泛地应用在教育教学中。
1 虚拟现实技术应用在技工院校模具专业教学中的意义
模具设计与制造专业是各技工院校的传统专业，当前我国技工院校的模具设计与制造专业的教学目的是培养掌握模具设计专业理论和现代模具制造技术、从事模具设计与制造、模具装配、模具调试和维护以及生产管理的高级技术、技能型人才。但随着技工院校的生源质量下降，学生综合素质偏低，学生的学习兴趣和积极性不高，自我管理、自我约束的能力较差。在模具教学中，老师仍然是按照传统的教学方法去灌输知识而不是学生自己积极地学习，学生学习主动性得不到提高，发现问题和解决问题的能力得不到培养，创新能力也无法发掘，传统教学模式已经不能满足现代教学要求。基于虚拟现实技术，在注塑模设计课程中建立虚拟仿真教学系统，构建真实实验场景，实现人机交互，将理论与实践充分融合，有利于教师把握课堂教学环节，将精力更多集中在学生能力发展方面，而学生也能深入了解注塑模具典型零件及结构的设计方法，模具的拆卸和组装步骤等，可以激发学生自主学习和积极探索的能力。
本文基于技工学校模具专业的教学现状，建立一套合适的教学系统，利用虚拟仿真技术实现对注塑模具设计课程的仿真模拟教学和训练。分析注塑模设计课程大纲和教学目标，以“项目教学法”为指导，整合注塑模设计教学的资源，通过现代化的教育手段和方法，把抽象、零散的理论知识转化为系统的、有条理的、形象的、一体化的综合感性认识并加以巩固实践。合理设置系统各功能模块，克服传统实验教学的弊端，符合技工院校学生的思维特点和教育规律，对提高教学效果，增强学生的实践操作技能具有积极作用[2]。为模具专业的教学提供了强有力的支持，为广大师生提供了一个良好的学习平台。它还缩小了生产实际与课程体系之间的差距，为解决当前模具行业人才的供求矛盾提供了一种途径。既满足了当代模具教学的需求，又符合教育改革方向。
2 Unity3D项目开发流程
Unity3D是由Unity Technologies开发的多平台集成游戏开发工具，可轻松创建三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等互动内容，是一个全面整合的专业游戏引擎。
运用Unity3D 进行虚拟仿真系统开发，需遵从软件工程的思想进行开发流程设计，从项目需求分析入手，设计系统各模块实现的功能。项目开发流程如图1所示：第一步根据系统需求分析建立每个模块流程脚本文档，用于指导模块开发；第二步根据项目具体需求进行场景模型的采样、贴图以及其他素材准备；第三步通过3ds Max完成相关场景、模型及其纹理、过程动画；第四步是创建Unity3D项目，导入3ds Max 相关模型，并调整灯光与材质；第五步是根据流程脚本和功能需求实现模型交互程序实现；第六步进行项目发布。
3 虚拟仿真教学系统的设计
基于Unity3D的注塑模设计虚拟仿真教学系统主要针对学生终端用户，根据注塑模设计教学思路和过程，以模具零件、模具结构以及典型模具为教学切入點，设计三个系统核心模块，即典型零件与结构设计、拆装设计和模流分析。
典型零件与结构设计实验室主要致力于解决学生从注塑模零件、结构认知到设计的学习问题，把项目教学方法整合到教学中，并根据过程将注塑模设计分为十个项目：即塑件零件的工艺性分析、成型设备的选择与工艺、注塑模具分型设计、浇注系统设计、成型零件设计、模架设计、调温系统设计、推出机构设计、侧向分型抽芯机构设计以及工程图绘制与材料选择。教师用户进入实验室，可以根据项目进行教学设计，每个项目都配备了相关知识和设计要点，同时在模型库里搭载了相应的模型。在教学时，教学系统可用于旋转和缩放模型，引导学生分析结构特征，增强教学直观性，激发学生的学习兴趣。
拆装设计实验室主要包括两大模块：首先，通过自动拆装来观察模具零部件的拆卸和组装过程；二是通过用户选择工具进行手动交互拆卸和装配。当学生使用该系统进行交互拆装时，必须要最大程度地模仿实际工作场景，以确保按照正确的顺序执行，不能有次序混乱、颠倒拆装、选择错误等不符合实际拆装情况的现象出现[3]。学生用户进入虚拟装配实验室后，可以选择要进入自动拆装演示模块还是手动交互拆装模块。自动拆装演示是根据已经设计好的装配序列，播放拆卸和装配的过程。手动交互拆装是用户自主交互完成拆装过程。在该过程中，用户依次选择工具和拆装对象，系统会自动监测用户的拆装顺序是否正确，若出现错误，系统会跳出错误提醒对话框来纠正用户。
模流分析实验室主要是利用Moldflow软件对塑件指定材料与和工艺实现其注射成型仿真并分析其结果的可能性。进行浇注系统和冷却系统设计，并执行流动分析，例如注塑过程的充填、流动、冷却和翘曲等。从而验证模具布局是否合理，注塑工艺参数设计是否合适，并建立正交试验以优化对成型结果，得出影响注射成型结果如翘曲、气穴、熔接痕等的影响因素。可视化技术可以直观的观察注射时塑料熔体的成型及缺陷产生的过程，将理论与实际结合起来，有利于初学者更加真实的了解注塑模具工作过程。对于学生用户而言主要是通过系统中导入的模流分析动画理会注塑成型过程，从而理解模具工作原理，认识模流分析报告，初步形成对方案可行性评估的理念。
通过构建注塑模设计虚拟仿真教学系统辅助实际教学，教师能够轻松把握上课环节，创设真实学习“情境”，将“项目教学法”的关键步骤：“协作”和“交流”贯穿于整个学习过程中，引导学生主动发现问题、分析问题、交流协商，解决问题，最终形成知识建构。学生则可以通过自由缩放观察模具零件、拆装模具、观看视频，轻松了解模具零部件结构及工作原理，加强对理论和实践知识的掌握，从而掌握一般注塑模的设计方法。虚拟仿真教学系统作为教学辅助手段，极大地增强了师生互动，激活了课堂氛围。同时，学生的学习能力、实践能力和创新能力也可以大大地提高。
4 系统实现的关键技术
在注塑模设计虚拟仿真教学系统的研究与实现过程中，关键技术有模型建立及优化、动画制作、界面设计及可视化编程等。根据注塑模具的特点，选取典型模具模型，采用专业的三维建模软件SolidWorks进行建模，运用SolidWorks的插件IMOLD完成注塑模设计。导入3ds Max中进行模型优化和动画制作。在Unity 3D中使用UGUI插件进行交互界面设计，并使用playMaker插件进行可视化编程，完成交互功能。
5 结语
利用Unity 3D开发注塑模设计虚拟仿真教学系统，仿真度高、沉浸感强。它可以极大地提高学生的学习兴趣，解决实际教学中的模具损耗和操作安全等诸多问题，促进了模具专业教学的改革，顺应了现代化教学的发展。
参考文献：
[1] 郄赛， 丁斌. 基于Unity3D的虚拟现实技术在科普活动中的应用[J]. 机器人技术与应用， 2012（6）：25-27.
[2] 赵燕. 职业院校模具专业虚拟与现实一体化项目课程建设[J]. 模具工业，2014，40（5）：69-73.
[3] 吴纬纬. 模具结构认知虚拟实验系统的设计与实现[D]. 浙江大学， 2009.
【通联编辑：光文玲】
关键词：注塑模设计；虚拟仿真教学系统；Unity3D
中图分类号：G642 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2019）11-0174-02
随着科技的飞速发展，虚拟现实技术通过构建三维逼真的虚拟环境，以人的参与为核心，形成人机互动的高技术模拟系统[1]。虚拟现实技术凭借其三维空间表现能力和人机交互式的操作环境而给人带来良好的用户体验，已经广泛地应用在教育教学中。
1 虚拟现实技术应用在技工院校模具专业教学中的意义
模具设计与制造专业是各技工院校的传统专业，当前我国技工院校的模具设计与制造专业的教学目的是培养掌握模具设计专业理论和现代模具制造技术、从事模具设计与制造、模具装配、模具调试和维护以及生产管理的高级技术、技能型人才。但随着技工院校的生源质量下降，学生综合素质偏低，学生的学习兴趣和积极性不高，自我管理、自我约束的能力较差。在模具教学中，老师仍然是按照传统的教学方法去灌输知识而不是学生自己积极地学习，学生学习主动性得不到提高，发现问题和解决问题的能力得不到培养，创新能力也无法发掘，传统教学模式已经不能满足现代教学要求。基于虚拟现实技术，在注塑模设计课程中建立虚拟仿真教学系统，构建真实实验场景，实现人机交互，将理论与实践充分融合，有利于教师把握课堂教学环节，将精力更多集中在学生能力发展方面，而学生也能深入了解注塑模具典型零件及结构的设计方法，模具的拆卸和组装步骤等，可以激发学生自主学习和积极探索的能力。
本文基于技工学校模具专业的教学现状，建立一套合适的教学系统，利用虚拟仿真技术实现对注塑模具设计课程的仿真模拟教学和训练。分析注塑模设计课程大纲和教学目标，以“项目教学法”为指导，整合注塑模设计教学的资源，通过现代化的教育手段和方法，把抽象、零散的理论知识转化为系统的、有条理的、形象的、一体化的综合感性认识并加以巩固实践。合理设置系统各功能模块，克服传统实验教学的弊端，符合技工院校学生的思维特点和教育规律，对提高教学效果，增强学生的实践操作技能具有积极作用[2]。为模具专业的教学提供了强有力的支持，为广大师生提供了一个良好的学习平台。它还缩小了生产实际与课程体系之间的差距，为解决当前模具行业人才的供求矛盾提供了一种途径。既满足了当代模具教学的需求，又符合教育改革方向。
2 Unity3D项目开发流程
Unity3D是由Unity Technologies开发的多平台集成游戏开发工具，可轻松创建三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等互动内容，是一个全面整合的专业游戏引擎。
运用Unity3D 进行虚拟仿真系统开发，需遵从软件工程的思想进行开发流程设计，从项目需求分析入手，设计系统各模块实现的功能。项目开发流程如图1所示：第一步根据系统需求分析建立每个模块流程脚本文档，用于指导模块开发；第二步根据项目具体需求进行场景模型的采样、贴图以及其他素材准备；第三步通过3ds Max完成相关场景、模型及其纹理、过程动画；第四步是创建Unity3D项目，导入3ds Max 相关模型，并调整灯光与材质；第五步是根据流程脚本和功能需求实现模型交互程序实现；第六步进行项目发布。
3 虚拟仿真教学系统的设计
基于Unity3D的注塑模设计虚拟仿真教学系统主要针对学生终端用户，根据注塑模设计教学思路和过程，以模具零件、模具结构以及典型模具为教学切入點，设计三个系统核心模块，即典型零件与结构设计、拆装设计和模流分析。
典型零件与结构设计实验室主要致力于解决学生从注塑模零件、结构认知到设计的学习问题，把项目教学方法整合到教学中，并根据过程将注塑模设计分为十个项目：即塑件零件的工艺性分析、成型设备的选择与工艺、注塑模具分型设计、浇注系统设计、成型零件设计、模架设计、调温系统设计、推出机构设计、侧向分型抽芯机构设计以及工程图绘制与材料选择。教师用户进入实验室，可以根据项目进行教学设计，每个项目都配备了相关知识和设计要点，同时在模型库里搭载了相应的模型。在教学时，教学系统可用于旋转和缩放模型，引导学生分析结构特征，增强教学直观性，激发学生的学习兴趣。
拆装设计实验室主要包括两大模块：首先，通过自动拆装来观察模具零部件的拆卸和组装过程；二是通过用户选择工具进行手动交互拆卸和装配。当学生使用该系统进行交互拆装时，必须要最大程度地模仿实际工作场景，以确保按照正确的顺序执行，不能有次序混乱、颠倒拆装、选择错误等不符合实际拆装情况的现象出现[3]。学生用户进入虚拟装配实验室后，可以选择要进入自动拆装演示模块还是手动交互拆装模块。自动拆装演示是根据已经设计好的装配序列，播放拆卸和装配的过程。手动交互拆装是用户自主交互完成拆装过程。在该过程中，用户依次选择工具和拆装对象，系统会自动监测用户的拆装顺序是否正确，若出现错误，系统会跳出错误提醒对话框来纠正用户。
模流分析实验室主要是利用Moldflow软件对塑件指定材料与和工艺实现其注射成型仿真并分析其结果的可能性。进行浇注系统和冷却系统设计，并执行流动分析，例如注塑过程的充填、流动、冷却和翘曲等。从而验证模具布局是否合理，注塑工艺参数设计是否合适，并建立正交试验以优化对成型结果，得出影响注射成型结果如翘曲、气穴、熔接痕等的影响因素。可视化技术可以直观的观察注射时塑料熔体的成型及缺陷产生的过程，将理论与实际结合起来，有利于初学者更加真实的了解注塑模具工作过程。对于学生用户而言主要是通过系统中导入的模流分析动画理会注塑成型过程，从而理解模具工作原理，认识模流分析报告，初步形成对方案可行性评估的理念。
通过构建注塑模设计虚拟仿真教学系统辅助实际教学，教师能够轻松把握上课环节，创设真实学习“情境”，将“项目教学法”的关键步骤：“协作”和“交流”贯穿于整个学习过程中，引导学生主动发现问题、分析问题、交流协商，解决问题，最终形成知识建构。学生则可以通过自由缩放观察模具零件、拆装模具、观看视频，轻松了解模具零部件结构及工作原理，加强对理论和实践知识的掌握，从而掌握一般注塑模的设计方法。虚拟仿真教学系统作为教学辅助手段，极大地增强了师生互动，激活了课堂氛围。同时，学生的学习能力、实践能力和创新能力也可以大大地提高。
4 系统实现的关键技术
在注塑模设计虚拟仿真教学系统的研究与实现过程中，关键技术有模型建立及优化、动画制作、界面设计及可视化编程等。根据注塑模具的特点，选取典型模具模型，采用专业的三维建模软件SolidWorks进行建模，运用SolidWorks的插件IMOLD完成注塑模设计。导入3ds Max中进行模型优化和动画制作。在Unity 3D中使用UGUI插件进行交互界面设计，并使用playMaker插件进行可视化编程，完成交互功能。
5 结语
利用Unity 3D开发注塑模设计虚拟仿真教学系统，仿真度高、沉浸感强。它可以极大地提高学生的学习兴趣，解决实际教学中的模具损耗和操作安全等诸多问题，促进了模具专业教学的改革，顺应了现代化教学的发展。
参考文献：
[1] 郄赛， 丁斌. 基于Unity3D的虚拟现实技术在科普活动中的应用[J]. 机器人技术与应用， 2012（6）：25-27.
[2] 赵燕. 职业院校模具专业虚拟与现实一体化项目课程建设[J]. 模具工业，2014，40（5）：69-73.
[3] 吴纬纬. 模具结构认知虚拟实验系统的设计与实现[D]. 浙江大学， 2009.
【通联编辑：光文玲】