《高分子材料成型模具》教学中的虚实结合

廖华勇，徐建平

(1.常州大学 材料科学与工程学院 江苏省环境友好高分子材料重点实验室，江苏 常州 213164; 2.常州大学 材料科学与工程国家级实验教学示范中心，江苏 常州 213164)

《高分子材料成型模具》是高分子专业的必修专业课，大纲要求能力目标之一是能对高分子制件与高分子成型模具零部件的设计要求进行准确的分析与表达，识别其中的关键因素。由于高分子专业的学生机械零件与机械设计基础较薄弱，空间想象力欠缺，在学习中难以理解具有复杂结构的制件和模具零部件的工作原理。到实验室观察模具实物有助于解决问题，但模具内部的结构并不容易观察到，并且频繁地拆装厚重的模具并不方便，对模具也有损伤。而借助于3D软件，可以方便地绘制出需要的制件和模具零部件三维图，并且能以不同的视角旋转观察，有利于更清楚地展示结构，帮助学生理解，提高学生的空间想象力。虚拟的模具模型要与实际的模具实物对应关联，这就是模具教学中的“虚”、“实”结合。

1 高分子制件

我院使用的教材和制作的教学PPT上也有一些3D图片和动画，但并不是很全。需要教师自己准备，查找资料或者自己绘制。如下图是笔者设计的塑料凳子的3D图，看起来比较直观。图是用Solidworks软件[1]绘制的。图1a是塑料凳子的三视图，右下角是其3D图，可以看出，三视图不太直观，而3D图较为直观，结构清晰。但从图1a的角度，还不能最大限度地观察到塑料凳子底部的结构。图1b是旋转一个适当的角度后塑料凳子的结构，可更加清楚地看到凳子底部布局。如果需要，还能够旋转，看到凳子上表面的结构，而仅仅从三视图上难以做到。凳子底部设计有加强筋，增加凳子的强度和刚度。凳子外表面边缘设计有圆角，方便人使用，避免尖锐棱角伤人。要注意凳子壁厚适当，有一定的脱模斜度，凳子外表面光滑。这样有了三维图，就将塑件设计的各个影响因素都联系在一起，便于学生学习。

图1 塑料凳子的三视图和3D图

2 模具零部件

图2 (a) 正视剖切图(b)斜视剖切图

在介绍塑料制件设计时，一般用拼块组合方法成型形状复杂的孔，如图2a所示，正视剖切图并不是特别容易理解，但如果制作3D图，并且旋转一个适当的角度，即如图2b所示的斜视剖切图，则模具内部结构非常清晰，一目了然。三维图比三视图显然更加易读，模具外表面和内部的孔以不同明暗光线显示，分界线清晰。图2中所示剖面的位置可以根据需要调节，以最大限度地显示模具的内部结构。在学习用3D软件设计绘制制件图和模具图的过程中，能够发现三视图设计难以发现的问题，还能获得设计完成后的美感和成就感，给设计者以激励，增加学习兴趣，将单调枯燥的学习变成充满乐趣的自主学习。

这样的例子还有很多，例如潜伏式浇口的结构[2]、冷却水道[3]用3D图表示更容易理解。在带本科毕业生做毕业设计时，我们要求学生学习3D软件(如Solidworks，Pro/E[4])，设计出3维的塑件图、模具零件图和装配图。高分子专业制图能力相对较差，可以向机械专业的同学学习。一开始学生有畏难情绪，但通过自学和请教他人，逐步掌握了制作3D图的方法，这几年都是这样，取得了一定成绩。作为教师，也要学习新知识(如学习3D制图)，掌握新的教学方法，更新教学模式。3D软件只是完成了制件或模具的设计，但熔体在模具中充模如何、浇口设计合理与否等等还是未知数。而Moldflow软件[5]将模具与熔体充模流动分析结合起来，实现模-流互动，优化模具设计，将零碎的模具、材料知识融合。这样，教学获得的成功能够大大激发教师教学兴趣和学生学习的兴趣。

虚实结合，是模具类以及机械专业课的发展趋势。一些辅助的教学模式，如慕课教学模式在我院主干课中推广，课堂教学与在线学习有机结合，学生通过手机或电脑在线学习、做单元测验、在线考试等环节，学习效果有了明显的提高。当然，无论什么教学手段，目的是要学生掌握知识，提高能力。而要真正提高教学效果，教学内容是最主要的。虚实结合，虚就是虚拟，实是实际、实物。现在流行一种VR(Virtual reality)即虚拟现实，在一定程度上代替实验室操作，让学生在虚拟现实中做虚拟实验，能够提高工程实践能力。虚也能够转化为实，如用Pro/E或UG等3D软件绘制3D图，借助3D打印机，打印出实物模型，如塑料模具，供学生组装学习，是提高空间想象力的好办法。正如科研有实验方法和仿真方法一样，数值模拟技术迅猛发展，大大促进了虚拟仿真技术的进步。

3 结束语

模具教学中虚实结合，甚至推广到其他课程中实现虚实互动，虚要以实际、实物为原型，实物实际若虚化为立体模型，将促进教学进步，教师和学生能够从中获得成就感，将模具知识融合成有机整体。再结合课堂教学、MOOC或SPOOC等在线课程，给传统课堂注入新鲜活力。