虚拟仿真在材料工艺与模型制作教学中的应用_黄双君.pdf

Application 创新应用88 电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月摘要：阐述虚拟仿真塑料模型、金属零部件、木质工艺品的制作过程，采用3D建模、动画、语音识别、人机交互等技术，从而降低成本、提高效率。关键词：虚拟仿真，模型制作，3D建模，人机交互。中图分类号：TP391.9，G434文章编号：1000-0755(2023)02-0088-02文献引用格式：黄双君.虚拟仿真在材料工艺与模型制作教学中的应用J.电子技术,2023,52(02):88-89.艺实验教学的空白。2 材料工艺虚拟仿真实验室教学目标学生自主操作VR实验学习展现模型制作过程场景，利用图文、音视频和虚拟交互等方式帮助学生完成产品设计实际操作。还原产品材料的选择、设备工具的操作规范、加工工艺流程、模型制作实施过程和场景展示全过程。使学生充分了解整个产品设计生产过程，以虚拟现实的模式展现产品、材料、加工等科学与技术。3 实践教学的内容设计首先，完善材料数据库，将常用材料（有机材料、无机材料、复合材料、可再生材料等）进行分类并说明其特性及应用场景。然后，针对材料的加工工艺制作不同的模型（塑料工艺品、木质漆器、金属零件）进行虚拟仿真，建构材料工艺与模型制作的知识体系。然后，以模型设计为主题，根据虚拟教学中对结构设计的认知与理解，通过热弯热压、木作加工等对材料进行加工，最后组装完成模型，对模型进行应用场景展示。从而达到不仅安全高效又保质保量地完成设计，取得效果。同时也可以达到相关专业能力的拓展。（1）材料库认知学习。材料数据库建立从材料分类开始，材料分类根据湖北美术学院各个院系（工业设计学院、雕塑系、服装系、环境艺术0 引言工业设计发展至今30余年，产业门类较多、设备与加工方法较多而繁杂，教学过程中无法满足大批量学生进入现场实习、见习的需求，难以给学生提供专业全面的指导。材料工艺与模型制作实验授课时间长（复杂的模型制作过程与机械传统构建的制作都需要周2到3周以上的时间）、过程可逆性差（往往在作品完成到一定程度后，才能发现作品缺陷，导致推倒重来）、实验消耗大、不同类似材料的对比与参考、加工等方式无法进行完整的体验和学习，还存在安全隐患和粉尘材料污染教学环境等问题的制约，学生难以及时验证其创意想法。而材料工艺虚拟仿真实验室能有效解决因实验环境匮乏所带来的困难，最大程度提高学生创意思维的表达和创新能力的培养。1 研究背景实验设计的合理性和先进性。现阶段各大高校设计类专业的教学与实验都处于“各自为政”的状态，仅仅只满足于本专业的实验需求，缺乏“整体设计”思路。根据国家对虚拟仿真实验设计要求，结合虚拟仿真技术、VR技术等，对设计类学科所用材料整合分类，建立三大核心仿真模块（塑料工艺品、木质漆器、金属零部件），进行材料工艺虚拟仿真教学，提升教学质量，填补艺术类高校材料工虚拟仿真在材料工艺与模型制作教学中的应用黄双君（湖北美术学院工业设计学院，湖北 430205）Abstract This paper describes the production process of virtual simulation plastic models,metal parts and wooden handicrafts,using 3D modeling,animation,voice recognition,human-computer interaction and other technologies to reduce costs and improve efficiency.Index Terms virtual simulation,model making,3D modeling,human-computer interaction.Application of Virtual Simulation in Teaching of Material Technology and Model MakingHUANG Shuangjun(Institute of Industrial Design,Hubei Academy of Fine Arts,Hubei 430205,China.)基金项目：2021年度湖北美术学院教学研究项目（202133）。作者简介：黄双君，湖北美术学院工业设计学院，讲师，博士；研究方向：3D打印及工业设计。收稿日期：2022-03-07；修回日期：2023-02-11。Application 创新应用电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月 89学院等）材料使用需求出发，列出所有可能使用到的材料，还可以及时进行更新。有机材料包括塑料（ABS、尼龙等）、木材（枫木、梨木等）、竹子、皮革、布料、纸、橡胶等；无机材料包括金属(不锈钢、铝合金、等）、非金属材料（陶瓷、玻璃、水泥等）；复合材料包括不锈钢复合板、混凝土、3D打印混合材料等；可持续绿色材料包括再生木、有机棉、亚麻、生态皮革等。然后，每种材料对应图片或动画说明其特殊性能（表面光泽度、强度等以及加工原理和应用场景。（2）热弯热压成型ABS塑料虚拟仿真。热弯热压虚拟仿真从塑料材料（ABS、PP、PEG、尼龙等）的选择开始，内容还包括加工工艺的选择（热弯、热压、注射成型等），加工工具与设备的操作规范（热风枪等），后处理工艺的选择（镀银、镀金、喷漆、印花等），塑料的结构与设计，模型场景的展示。（3）木质漆器制作虚拟仿真。木质漆器制作虚拟仿真有木材工具选择榫卯结构设计制作组装采漆描绘展示等步骤，按照实际模型制作步骤进行虚拟仿真。内容包括：木材的选择，加工工具库工具选择与操作规范，榫卯结构设计，采漆，描绘等。该部分仿真让学生有机会多次重复亲历模型制作过程，从过程中理解其原理，体会乐趣，实现“以虚代实”，和理论教学与实践教学无缝对接。4 实践教学的方法本实验共48学时，实验教学过程是以问题引导和驱动下的探究式教学模式为基础设计。（1）自主预习与探索（第14课时）。相关理论知识学生在实验前通过线上资源自主学习理论知识。本虚拟仿真实验项目提供实验指导书，包含实验目的、要探究的问题、基本原理、实验方法、基本参量设置与测量的操作步骤、注意事项等。（2）课上实践操作（第544课时）。第524课时：热弯热压成型ABS塑料虚拟仿真。第 一 步：A B S 塑 料 模 型 设 备 工 具 选 择（1015min），完成ABS塑料结构设计与设备工具选择得10分，未完成不得分。第 二 步：A B S 塑 料 结 构 制 作、组 装 打 磨（1015min），完成模型制作装配、打磨得10分，未完成不得分。最后，再进行手工制作模型；图1为学生登录虚拟仿真平台，进行ABS塑料结构制作的过程。第2544课时：木质漆器虚拟仿真。第一步：木材榫卯结构设计与设备工具的选择（1015min），完成榫卯结构设计与设备工具选择得10分，未完成不得分。第二步：榫卯结构制作组装、采漆、描绘（1015min），完成模型制作装配、采漆、描绘得10分，未完成不得分。仿真结束后，进行木制品手工制作模型。图2为学生对木质榫卯结构进行砂纸打磨过程。（3）课程作品展示与考核（第4548课时）。所有模型加工完成后，模块化设备切换，模型导入展示空间，提交至虚拟仿真实验项目平台保存并进行虚拟空间展示。5 结语通过虚拟仿真技术，材料工艺与模型制作课程实践环节再现了材料工艺的真实场景，还原了产品从原材料到成型工作面的全过程。主要内容包括：原材料选取、材料加工工艺设备与工具操作规范学习、模型制作、产品功能特征的实例等。虚实结合的教学模式可以促进学科融合，创新实践，解决工业设计人才培养瓶颈，让学生设计出具有艺术美感又有实用性的创新产品。参考文献1高志强,王晓敏,闫晋文,张敏,张铮,任鸿儒.我国虚拟仿真实验教学项目建设的现状与挑战J.实验技术与管理,2020,37(07):5-9+14.2 贺占魁,黄涛.虚拟仿真实验教学项目建设探索J.实验技术与管理,2018,35(02):108-111+116.3 农春仕,孟国忠,周德群,潘越,张远兰.“双一流”行业高校建设虚拟仿真实验教学项目的探究J.实验技术与管理,2021,38(05):15-19.4 柳洪洁,宋月鹏,马兰婷,张观山,张智龙,王征.国内外虚拟仿真教学的发展现状J.教育教学论坛,2020(17):124-126.5 胡今鸿,李鸿飞,黄涛.高校虚拟仿真实验教学资源开放共享机制探究J.实验室研究与探索,2015,34(02):140-144+201.图1 ABS塑料结构虚拟仿真制作过程图2 木质榫卯结构砂纸打磨虚拟仿真过程