在大型发电装备制造车间,查看车间的设备布局、设备模型、设备运行情况,并按照要求进行发电机轴的工艺规划设计……在上海理工大学装备制造虚拟仿真实验教学中心杜宝江老师的“机械虚拟设计与制造”课上,同学们“走进”工厂、操纵设备、加工大型零件,而特别的是,这些操作过程是120余位学生各自在家通过“云端”实现的。

今年,受疫情影响,上海理工大学春季学期教学工作“线上”启航,而对于实践要求很高的理工科学子,学校也自有办法,及时依托虚拟仿真教学资源,推出了涵盖机械工程、能源与动力工程、环境工程、经济管理等多学科的“线上实验课”,让同学们“宅”在家里也一样能够动手做实验。

打破时空限制 让学生动手实操成为可能

“疫情期间在家也能做实验真是太棒了!以往就算进工厂实习参观也大多是‘走马观花’,几乎没有‘上手’的机会,在虚拟仿真平台上,我就可以‘直接’操作机器来制造零件。”机械工程学院蔡俊同学在完成“大型零件加工生产认知实验”后感叹道。

其实,即便不受疫情影响,虚拟仿真实验在日常教学中也能“大显身手”。就拿发电机轴的设计和加工来说,这类大型零件有的长度约十几米,制作周期可能也要数月之久。即使同学们去了工厂,也只能看到庞大的、冷冰冰的零件摆在自己面前,根本无法全程参与。然而,虚拟仿真实验整合了计算机、虚拟现实、数据库等新技术,采用立体视觉、人机交互等手段,构建起高度逼真的虚拟仿真教学资源,打破时空条件限制,让学生动手实操成为可能。

5月15日晚上,150余位中外学子通过直播观看了管理学院唐俏老师讲授的“外贸综合实训”课程,同学们只需要登录进网络平台,通过扮演出口商、进口商、供应商、出口地银行、进口地银行等角色进行日常贸易活动,从而熟悉贸易流程和掌握各项进出口业务技能。远在塔吉克斯坦的马斯同学虽然无法返校,却在家乡和小伙伴们一起做起了实验,他感慨道:“通过这样的一个虚拟仿真软件,我可以很好地了解中国企业的进出口贸易流程、中国进出口相关的法律法规,将之前课堂所学知识应用到实践中。”

马斯在塔吉克斯坦的家里远程做实验。采访对象供图

保障安全且高效 助力“新工科”人才培养

哪些材料能被用作大飞机的机翼?如何把核能、太阳能、地热能组成一个系统的分布式能源?如何对污染的农田进行化学测试并改良?在理工科的很多实验中,存在着高耗能、高危险、不可逆等情况,此时就需要虚拟仿真技术来助力。

虚拟仿真实验中的工厂车间。采访对象供图

“我们采用虚拟仿真技术,为同学们搭建了大型零件机加工生产的虚拟实验环境,更容易再现实验室环境下所达不到的工程实际,为学生提供安全、经济的虚拟实验环境,突破了传统实验教学的时间和空间限制。”杜宝江说道。当学生在设定好实验参数后,就可以进行零件加工模拟校验,在反复的实验中,既降低了“试错成本”,也避免了在真实环境下操作的危险性问题。

“虚拟仿真实验教学是学科专业与信息技术深度融合的产物,针对手工计算困难、工程实用性强的专业问题开设,提高同学们的实践和创新能力,助力‘新工科’人才培养。”上海理工大学装备制造虚拟仿真实验教学中心主任丁晓红教授说道。

校企携手研发 合力推动行业技术进步

早在2017年,上海理工能源与动力工程学院的徐洪涛副教授就联合广东省特种设备检测研究院东莞检测院,历时两年多开发了一套“基于VR技术的工业锅炉3D信息集成网络系统”,并获得了2019年首届锅炉科学技术奖二等奖。该系统可以实现5种典型工业锅炉3D整体与部件的展示、工业锅炉规范标准内容搜索、锅炉设计在线计算、VR视频展示、案例警示等功能。今年疫情期间,这一系统“大有用武之地”,重庆大学、上海理工大学等高校能源与动力工程相关专业的学子通过网络开展了相关虚拟实验学习,并且陆续有更多的学校“闻讯”前来寻求使用这个“给力”的系统。

在徐洪涛看来,虚拟仿真实验系统除了运用于课堂教学、服务人才培养外,在提升行业人员技能水平上也展示出了良好的应用前景。比如当点击需要使用的某部件时,该部件相关的国家和行业规范标准就会显示在页面右边,而以往则需要企业员工一个个去搜索查询,85个与工业锅炉有关的国家与行业标准规范数据库的植入,大大提高了企业设计和研发的效率。“目前,我们已经完成了工业锅炉的3D集成网络系统开发工作。我们也正在与东莞院开发更复杂的电站锅炉3D信息集成系统,争取早日‘搬上网’。项目始终坚持公益性的原则,希望为我国特种设备行业培养更多的人才,推动整个行业的技术进步。”徐洪涛谈道。