“機械設(shè)計”課程的真實實驗與虛擬實驗對比分析

王順 王麗慧

摘 要：自虛擬實驗（Virtual Experiment）在大學(xué)工科 “機械設(shè)計”課程實驗教學(xué)中使用以來，遇到了諸多問題與爭議。文章結(jié)合機械設(shè)計內(nèi)容分析了真實實驗（Physical Experiment）和虛擬實驗各自的特點。分析表明，在保持真實實驗在機械設(shè)計實驗教學(xué)基礎(chǔ)地位不變的前提下，虛擬實驗是真實實驗的必要補充和擴展，能夠促進教學(xué)模式向“以學(xué)生為中心”轉(zhuǎn)變，是機械設(shè)計實驗教學(xué)適應(yīng)科技進步與教學(xué)模式轉(zhuǎn)變的重要手段。結(jié)合“機械設(shè)計”課程內(nèi)容，針對兩類實驗在實驗教學(xué)中的運用提出建議。

關(guān)鍵詞：機械設(shè)計；實驗教學(xué)；真實實驗；虛擬實驗

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2018）06-0026-03

工科大學(xué)機械類“機械設(shè)計”課程的教學(xué)基本目標是，通過對材料、信息及能量的運用與控制，使學(xué)生具備設(shè)計能夠有效工作且可靠的通用機械零部件的知識和能力[1]，并掌握典型機械零部件實驗方法。這要求學(xué)生不僅掌握理論知識，還要有一定的動手實驗?zāi)芰?，并最終著眼于工程實際設(shè)計與實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)，也是合格工程師必備的基本條件之一。傳統(tǒng)的工科教育，學(xué)生獲取理論知識主要通過課堂學(xué)習(xí)，實踐知識和實際能力的培養(yǎng)主要通過實驗環(huán)節(jié)完成，這里的實驗指的是真實實驗。課堂教學(xué)基本采用“粉筆（ppt）+講授”的注入方式，實驗教學(xué)包括學(xué)生對實際零部件模型操作或測量的動手實驗和教師演示學(xué)生觀察的演示實驗。這些教學(xué)方式通常是以“教師為中心”的模式為主導(dǎo)。面對社會對工程人才要求知識面廣、綜合實踐能力強以及具備創(chuàng)新意識的狀況下，這種傳統(tǒng)的教學(xué)方式越來越不適應(yīng)工科大學(xué)機械工程教育的發(fā)展[2]，尤其是機械設(shè)計實驗教學(xué)的發(fā)展。

科技的進步，特別是“信息+網(wǎng)絡(luò)”技術(shù)的快速發(fā)展，給大學(xué)各課程的實驗教學(xué)改革提供了新的方式方法[3-5]，比如，遠程網(wǎng)絡(luò)實驗、虛擬實驗等[6]。近年來“互聯(lián)網(wǎng)+實驗”的虛擬實驗持續(xù)升溫，人們對此褒貶不一。一種觀點認為，虛擬實驗是一種先進高效的實驗教學(xué)手段，適合國內(nèi)大規(guī)模本科培養(yǎng)，也有利于教學(xué)模式向“以學(xué)生為中心”轉(zhuǎn)變[7-8]。另一種觀點認為“能實不虛”，虛擬實驗的效果低于真實實驗。

本文結(jié)合“機械設(shè)計”課程，就真實實驗和虛擬實驗各自的特點展開論述。分析兩種類型實驗在教學(xué)實踐中的應(yīng)用。另外，結(jié)合 “機械設(shè)計”課程的具體內(nèi)容，通過實例闡明如何合理有效地利用兩類實驗。

一、真實實驗的特點及其作用

（一）真實實驗的優(yōu)點及其作用

“機械設(shè)計”真實實驗對學(xué)生理解書本知識、增強對通用零部件的感性認知、培養(yǎng)結(jié)構(gòu)拆裝及零部件測量等動手能力及實踐經(jīng)驗，起到非常重要的作用，至今沿用。即便基于數(shù)學(xué)和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐漸發(fā)展起來的虛擬實驗或遠程實驗已經(jīng)走進實驗教學(xué)多年，傳統(tǒng)真實實驗仍然是機械設(shè)計實驗教學(xué)的主導(dǎo)方式和基礎(chǔ)。相對于虛擬實驗，幾個優(yōu)點決定了它在“機械設(shè)計”實驗教學(xué)中具有不可替代的作用。

1.培養(yǎng)如何設(shè)計實驗的能力。包括選用儀器和工

具、操作、現(xiàn)象觀察、數(shù)據(jù)收集及解釋等。2.長于培養(yǎng)學(xué)生動手技能和實踐能力。能培養(yǎng)學(xué)生正確使用儀器、傳感器或軟件等工具測量零件性能參數(shù)。比如構(gòu)建組裝零部件、機械故障排除、傳感器安置、電路連接以及儀器標定或調(diào)零等，這些是工程實踐必備的一個基本技能。3.能夠利用觸覺感知對理論知識獲得感性認識，理解理論模型預(yù)測能力及其局限。4.通過處理實驗中遇到的不可預(yù)測問題，真實實驗使學(xué)生感受到研究的復(fù)雜性，并

有機會培養(yǎng)處理技巧。比如，在齒輪參數(shù)測量實驗中的誤差問題，能夠讓學(xué)生認識到測量的隨機性和不完美性，學(xué)習(xí)準確測量的規(guī)程及技巧。在這方面，真實實驗具有虛擬實驗無法比擬的優(yōu)勢。5.參與真實實驗，能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生的工程興趣、鍛煉交流及團隊合作等，對增強學(xué)生的能力大有裨益，這一特點往往是最容易被忽略的。

（二）真實實驗的局限性

盡管真實實驗具有諸多優(yōu)點，但隨著工業(yè)科技及社會人才需求的不斷發(fā)展，大學(xué)本科培養(yǎng)的變化，傳統(tǒng)真實實驗的局限性也逐漸顯露。首先，一些真實實驗成本高、耗時長、效率低。比如，機械零件磨損量實驗，真實實驗在一兩個學(xué)時內(nèi)往往無法得到較為完整的磨損三階段曲線，哪怕是跨階段的磨損曲線也是比較耗時的。其次，實驗參數(shù)也不容易改變，要開展更加豐富的實驗十分困難。像動壓滑動軸承實驗，若開展不同潤滑油對軸承性能影響絕非易事。可見，真實實驗要改變實驗條件，獲取更多實驗結(jié)果的時間成本和經(jīng)濟成本高昂。加之國內(nèi)院校本科生培養(yǎng)規(guī)模龐大，實驗儀器生均比例低，真實實驗的這一缺點愈發(fā)突出。再次，現(xiàn)有真實實驗教學(xué)阻礙了教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變。近些年來，由于教學(xué)激勵機制等問題，學(xué)校和教師缺乏對“機械設(shè)計”實驗課在經(jīng)費、時間和精力上的投入，實踐性教學(xué)條件嚴重不足[9]，學(xué)生很少有機會有條件認真做實驗，久而久之實驗課變成了應(yīng)付、走過場，嚴重影響了學(xué)生科學(xué)實驗興趣培養(yǎng)和研究技能的增強，更談不上“以學(xué)生為中心”的教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變。最后，機械設(shè)計教學(xué)雖然強調(diào)了科學(xué)技術(shù)與工程實踐相結(jié)合，實際上絕大部分學(xué)校幾乎不具備將科技知識與工程實踐相結(jié)合的師資條件和能力，缺乏能夠?qū)⒗碚摮浞謶?yīng)用于實踐的真實實驗?？梢?，真實實驗難以在本科規(guī)模化培養(yǎng)過程中更進一步發(fā)揮作用，勢必要在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及手段方面進行革新。

二、虛擬實驗的特點及作用

（一）虛擬實驗的優(yōu)點及其作用

虛擬實驗是利用理論模型、數(shù)值方法、信息網(wǎng)絡(luò)和計算機技術(shù)，將真實的物理現(xiàn)象或過程模型化，在計算機上以圖片、視頻、動畫或曲線等直觀形式展現(xiàn)，并通過網(wǎng)絡(luò)共享使用。相對于真實實驗，有如下優(yōu)點。

1.容易改變實驗條件參數(shù)。虛擬實驗中，學(xué)生能夠輕松改變實驗參數(shù)，實現(xiàn)不同條件下的實驗研究，使實驗變得簡單易行。此外，還可以通過排除次要信息的混淆干擾，實現(xiàn)重要參數(shù)對結(jié)果影響的研究，獲得實驗的關(guān)鍵信息。比如，僅僅通過修改時間得到不同時長下的實驗結(jié)果，分析時間尺度的影響。

2.可以開展真實實驗難以甚至無法觀察的實驗現(xiàn)

象，對于需要進行交互方式研究難以觀察的現(xiàn)象，優(yōu)勢更明顯。將理論知識或模型方程與物理現(xiàn)象或零件應(yīng)用直接聯(lián)系、對比和擴展。比如，微觀尺度下的許多實驗，真實實驗難以實現(xiàn)，更不要說通過交互式方式研究實驗現(xiàn)象隨參數(shù)變化。

3.虛擬實驗受客觀條件限制相對較小，效率高于真實實驗。虛擬實驗可以提供短時間甚至某一瞬間的更多的實驗結(jié)果，使學(xué)生完成更多的實驗并獲取更多的結(jié)果信息，計算機也能夠記錄學(xué)生實驗的全過程。學(xué)生可以多次重復(fù)實驗，且?guī)缀醪皇軙r間、地點等客觀條件的限制。

4.理解概念性知識，虛擬實驗可以代替真實實驗。理解這些知識并不需要觸覺信息參與。虛擬實驗?zāi)軌蚍奖恪⒏咝?、透徹地讓學(xué)生理解知識。

（二）虛擬實驗的局限性

由于虛擬實驗的實際功效依賴于數(shù)學(xué)、信息、網(wǎng)絡(luò)和計算機等一系列理論知識和技術(shù)條件，加之機械設(shè)計課程內(nèi)容的特點，不可避免存在一些問題。這主要包括以下幾點。

1.最大的問題是如何精確模擬真實物理過程。由于理論基礎(chǔ)、技術(shù)條件或主觀認識等原因，設(shè)計虛擬實驗時可能漏掉實際當(dāng)中的一些重要因素，導(dǎo)致一定的偏差，甚至錯誤結(jié)果。因此，設(shè)計虛擬實驗時，要明確實驗?zāi)繕思捌渲饕痛我绊懸蛩?，客觀衡量實驗室所具備的技術(shù)能力和條件。例如，若無法合理模擬零件之間的接觸，對機械零件拆裝虛擬的真實感就會差很多。

2.有限的預(yù)設(shè)的輸入和輸出會限制學(xué)生的創(chuàng)造性。虛擬平臺把學(xué)生限制在預(yù)設(shè)的環(huán)境中，影響了他們的學(xué)習(xí)激情和好奇心。當(dāng)然，這方面隨著信息網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，會不斷改善。

3.模擬的適用性和效率取決于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和軟件標

準。虛擬實驗的開展，難免會遇到大量學(xué)生同時上網(wǎng)實驗的情況，容易造成網(wǎng)絡(luò)擁堵，硬件計算能力不足的情況，導(dǎo)致實驗無法正常開展。因此，具備足夠容量和計算能力的硬件條件，是虛擬實驗取得應(yīng)有效果的基本前提條件。

4.虛擬實驗導(dǎo)致學(xué)生忽視操作安全規(guī)則和實驗倫

理問題。這些是真實實驗必須要考慮的[10]。虛擬實驗無論怎樣操作都不會涉及安全和實驗倫理問題，學(xué)生往往會忽略掉這些實際上十分重要的內(nèi)容。這也是虛擬實驗無法代替真實實驗的一個重要原因。

可見，就像軟件不能代替實際系統(tǒng)模型一樣，虛擬實驗不能完全替代真實實驗，無法提供完全真實的實驗。我們在教學(xué)過程中運用虛擬實驗時，應(yīng)該時刻牢記這一點。

三、真實實驗與虛擬實驗在“機械設(shè)計”中的運用

吉林大學(xué)的“機械設(shè)計”課程包括[11]：疲勞強度、摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識和通用零部件的結(jié)構(gòu)類型及特點、失效形式、材料及熱處理、應(yīng)用及調(diào)整維護等基本知識，以及通用零部件的設(shè)計計算。

疲勞強度和接觸強度部分，主要涉及應(yīng)力、疲勞壽命和摩擦磨損等基礎(chǔ)知識的理解。這些概念有些屬于微觀尺度下真實實驗難以觀察的物理量，有些實驗周期長，比如，零件三個磨損階段實驗，采用虛擬實驗顯然要更加合適。但是，磨損虛擬實驗的難點在于磨損系數(shù)等參數(shù)需要大量的真實實驗結(jié)果分析研究確定。而實現(xiàn)這些微觀尺度下的虛擬實驗需要數(shù)學(xué)、物理、摩擦學(xué)、接觸力學(xué)及材料學(xué)等多學(xué)科綜合，需要較強計算能力和圖像顯示功能的硬件設(shè)施，吉林大學(xué)“機械設(shè)計”教師在這方面做了一些初步嘗試。帶傳動教學(xué)的主要目的是通過研究帶傳動效率理解打滑和彈性滑動的特點與區(qū)別。該實驗涉及儀器設(shè)備調(diào)平衡、加載并讀取載荷，同時觀察皮帶打滑現(xiàn)象，虛擬實驗的真實感不強，實現(xiàn)起來難度很大，真實實驗就非常合適。齒輪傳動實驗中齒輪精度實驗，顯然真實實驗更為合適。目前對測量誤差模型化還需要進一步的科學(xué)研究，不具備虛擬的理論條件。而且零件尺寸測量的真實實驗也能夠培養(yǎng)學(xué)生操作測量工具的能力和技巧，虛擬實驗無法使學(xué)生感受到測量工具與被測零件接觸力度的大小對測量結(jié)果的影響。滾動軸承軸系部件設(shè)計實驗，可以采用虛實結(jié)合方式。學(xué)生先在虛擬平臺上預(yù)習(xí)和練習(xí)，并根據(jù)給定要求設(shè)計軸系。然后到實驗室現(xiàn)場組裝設(shè)計的軸系，并測量零部件尺寸，最后畫出裝配圖。實踐表明，這樣大大提升了實驗效率和效果，教學(xué)效果非常好。當(dāng)然，軸系設(shè)計虛擬實驗時，若能夠?qū)⒘慵g的接觸也加入，學(xué)生通過電腦操作拆裝零件也能夠感受到零件之間的接觸，將極大提升虛擬實驗的真實感[12]。對液體動壓徑向滑動軸承摩擦實驗，亦可以運用虛實結(jié)合的原則。吉林大學(xué)已有實驗臺完全可以實現(xiàn)確定潤滑油類型和滑動軸承結(jié)構(gòu)尺寸下的壓力和溫度測量。利用我們開發(fā)的液體動壓向心滑動軸承虛擬平臺，可以輕松實現(xiàn)改變潤滑油黏度、軸瓦材料、偏心距、軸承結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)的實驗研究，大幅度增加了實驗獲得的信息量。

順便指出，“能實不虛”并不意味著有了真實實驗，就沒必要進行虛擬實驗。對某一實驗而言，尤其實驗中遇到設(shè)計復(fù)雜、微觀或者參數(shù)難以測量的問題時，虛擬實驗顯然是更好的選擇。虛擬平臺更容易做到將真實實驗向理論知識和工程實踐兩個方向上拓展，可以在不過多增加實驗教學(xué)學(xué)時和學(xué)生負擔(dān)的情況下，最大限度實現(xiàn)理論與工程實踐的結(jié)合和綜合，還可以幫助學(xué)生對真實實驗的理解[13]，達到擴展知識面和眼界、提升能力的目的。在多年的教學(xué)實踐中，我們將機械設(shè)計課程實驗中的一部分，開發(fā)了虛擬平臺，與真實實驗配合使用，取得了良好的效果。

四、結(jié)論

在機械設(shè)計實踐教學(xué)中，真實實驗在培養(yǎng)學(xué)生實驗設(shè)計、動手技能、隨機處理、團隊合作與交流以及操作規(guī)程和倫理等方面，發(fā)揮重要的作用。但也存在耗時多、效率低、成本高等缺點。特別是在大規(guī)模本科生培養(yǎng)條件下，完全采用真實實驗的實驗教學(xué)顯然已經(jīng)無法適應(yīng)課程實驗教學(xué)的需求。隨著科技的不斷發(fā)展，虛擬實驗會越來越接近真實實驗的效果，特別是在概念性理解、難以觀察的實驗現(xiàn)象或微觀尺度現(xiàn)象等方面可以替代真實實驗。而且虛擬實驗可以根據(jù)需要合理地更加形象化地甚至夸張地表現(xiàn)一些實驗現(xiàn)象，以便于學(xué)生理解。虛擬實驗效率高、耗時低的優(yōu)點使其應(yīng)用前景廣闊，在推進機械設(shè)計實驗教學(xué)向“以學(xué)生為中心”模式改革進程中必將發(fā)揮越來越重要的作用。但也要避免“一切實驗都可虛擬”的錯誤觀念，而忽視真實實驗基礎(chǔ)性地位和重要作用。

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