虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)研究

王曉暄

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054）

實驗、實踐環(huán)節(jié)是工科專業(yè)教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生動手能力、應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力和解決工程實際問題的重要手段，傳統(tǒng)的實驗設(shè)置需要各種儀器設(shè)備，很多儀器設(shè)備又存在價格高、功能單一、利用率低的問題。另一方面隨著辦學(xué)規(guī)模的擴大，資金不足，設(shè)備老化、短缺的問題也日益突出。為解決以上問題我學(xué)院建立了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與設(shè)施虛擬仿真實驗教學(xué)中心（簡稱虛擬實驗中心）。

虛擬實驗中心所開設(shè)實驗主要分為在線實驗和離網(wǎng)實驗。在線實驗以現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備實驗教學(xué)中心所建網(wǎng)站為平臺，通過注冊可以進(jìn)行相應(yīng)的實驗項目；離網(wǎng)實驗是通過專用實驗設(shè)備進(jìn)行仿真實驗。虛擬實驗中心從內(nèi)容上分為：數(shù)字化機械創(chuàng)新設(shè)計仿真平臺、數(shù)控仿真教學(xué)平臺、電氣控制系統(tǒng)虛擬仿真平臺和電機學(xué)網(wǎng)上實驗預(yù)習(xí)系統(tǒng)4 部分。

經(jīng)過幾年的建設(shè)和實踐，學(xué)院注重虛擬實驗室建設(shè)，完成了一批基于虛擬軟件的仿真實驗項目建設(shè)，虛擬仿真實驗教學(xué)已經(jīng)形成了比較完整的實驗教學(xué)體系，在實踐教學(xué)中發(fā)揮了良好的作用。

1 虛擬仿真實驗教學(xué)資源

1.1 數(shù)字化機械創(chuàng)新設(shè)計仿真平臺

數(shù)字化機械創(chuàng)新設(shè)計仿真平臺利用我校在農(nóng)業(yè)工程裝備領(lǐng)域的學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢，結(jié)合中收農(nóng)牧機械有限公司和新疆機械研究院股份有限公司的開發(fā)實力和支持服務(wù)能力，整合數(shù)字化、信息化的實驗教學(xué)資源，以培養(yǎng)學(xué)生在農(nóng)業(yè)工程裝備領(lǐng)域的綜合設(shè)計和創(chuàng)新能力。數(shù)字化機械創(chuàng)新設(shè)計仿真平臺已建立了16個實驗項目。

數(shù)字化機械創(chuàng)新設(shè)計仿真平臺針對不同年級的本科學(xué)生，開設(shè)有三個層次的實驗，初級是以三維數(shù)字化建模設(shè)計為主的基礎(chǔ)型實驗；中級是綜合設(shè)計、分析與制造型實驗；高級是創(chuàng)新研究型實驗。分層次教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置，可適應(yīng)不同知識層次學(xué)生的需求。通過實驗教學(xué)方法、手段，實驗考核方法等的改革創(chuàng)新，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)的主動性和積極性，使學(xué)生對課程內(nèi)容的認(rèn)識加深，實驗技能（實驗理論、實驗方法和動手能力）顯著提高。

1.2 數(shù)控仿真教學(xué)平臺

數(shù)控仿真教學(xué)平臺的功能是在理論學(xué)習(xí)之后，通過仿真系統(tǒng)的操作掌握數(shù)控加工設(shè)備操作和編程的能力。

數(shù)控仿真教學(xué)平臺初期采用宇龍數(shù)控仿真系統(tǒng)、Mastercam、UG（數(shù)控三維建模），2015 年又購進(jìn)了8套德國DMG 實訓(xùn)操作系統(tǒng)，2018 年購進(jìn)4 套SIEMENS 系統(tǒng)數(shù)控仿真實驗平臺。宇龍仿真軟件主要用于課堂教學(xué)，具有較強的互動功能，可以進(jìn)行車床、銑床和加工中心的機床和數(shù)控編程操作。Mastercam 具有強大穩(wěn)定的造型功能，可設(shè)計出復(fù)雜的曲線、曲面零件，具有強大的曲面粗加工及靈活的曲面精加工功能?？赡M零件加工的整個過程，模擬中能顯示刀具和夾具，還能檢查出刀具和夾具與被加工零件的干涉、碰撞情況，真實反映加工過程中的實際情況。主要用于學(xué)生數(shù)控實訓(xùn)和設(shè)計的深入學(xué)習(xí)提高階段。UG 仿真軟件主要用于數(shù)控零件的三維建模和加工。

1.3 電氣控制系統(tǒng)虛擬仿真平臺

電氣控制系統(tǒng)平臺由單片機課程設(shè)計仿真模塊、虛擬電子技術(shù)實驗?zāi)K和虛擬可編程控制實驗?zāi)K三部分組成。

1.3.1 單片機課程設(shè)計仿真模塊

單片機課程設(shè)計仿真模塊主要體現(xiàn)在以下兩個方面：（1）注重對學(xué)生動手能力的培養(yǎng)，給學(xué)生創(chuàng)造更多實踐的機會；（2）充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，調(diào)動他們創(chuàng)造性思維，注意創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1.3.2 虛擬電子技術(shù)實驗?zāi)K

虛擬電子技術(shù)實驗?zāi)K以LabVIEW 為開發(fā)平臺，采用NI USB-6259 數(shù)據(jù)采集卡，運用虛擬儀器及其相關(guān)技術(shù)于多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)建虛擬示波器、信號發(fā)生器設(shè)計傳統(tǒng)電子實驗項目。

實驗項目包括基本儀器使用、共射級放大電路、射極輸出器、差動放電電路、集成運算電路、負(fù)反饋放大電路、低頻功放電路、信號產(chǎn)生電路、穩(wěn)壓電源電路等必做實驗項目。利用虛擬儀器平臺的靈活性，學(xué)生在老師的指導(dǎo)下自主設(shè)計實驗項目。

1.3.3 虛擬可編程控制實驗?zāi)K

虛擬可編程控制實驗?zāi)K通過相應(yīng)實驗項目的視頻，使學(xué)生通過視頻教材在進(jìn)入實驗室前對實驗?zāi)康摹嶒炘O(shè)備及元件、實驗的詳細(xì)操作過程、及注意事項等有一個整體的認(rèn)識。

實驗項目包括：電機控制實驗、混合液體實驗、交通燈控制實驗、刀具庫實驗、步進(jìn)電機控制實驗、電梯實驗等實驗項目。利用虛擬儀器平臺，通過相應(yīng)的實驗項目的視頻，達(dá)到實驗前使學(xué)生對該實驗項目的整體認(rèn)識，帶著問題進(jìn)入實驗室。

1.4 電機學(xué)網(wǎng)上實驗預(yù)習(xí)系統(tǒng)

電機學(xué)實驗預(yù)習(xí)系統(tǒng)中，每位教師都可以自己建立實驗項目，并負(fù)責(zé)管理該實驗項目的學(xué)習(xí)資源，可以方便地不斷更新。學(xué)生可以通過校園網(wǎng)隨時進(jìn)入實驗預(yù)習(xí)系統(tǒng)，學(xué)習(xí)實驗原理、了解實驗內(nèi)容、觀看實驗操作示范，進(jìn)一步提高實驗教學(xué)質(zhì)量。

實驗預(yù)習(xí)系統(tǒng)包含學(xué)生實驗須知和實驗項目，每個實驗項目由實驗原理、實驗內(nèi)容與步驟、實驗思考、注意事項和實驗操作演示視頻五個模塊組成。所有的實驗項目都有對應(yīng)的多媒體課件，實驗室的所有儀器儀表都有介紹其使用方法的視頻課件，這些課件設(shè)計合理、制作精細(xì)、質(zhì)量優(yōu)良，實現(xiàn)了視、聽、像結(jié)合，聲、文、圖并茂。

2 虛擬仿真在線實驗教學(xué)平臺的運行與安全

2.1 在線實驗教學(xué)平臺的安全

在線實驗教學(xué)及管理主要有三類重要角色：系統(tǒng)管理員，任課老師，學(xué)生，不同角色擁有不同的權(quán)限，以保證網(wǎng)絡(luò)與信息的安全。

管理員可以進(jìn)行用戶權(quán)限管理，如審用戶核注冊信息，添加/刪除分組、添加/刪除班級、添加/刪除課程，對已有實驗課程進(jìn)行查看、修改。

系統(tǒng)管理員在課程管理模塊中可以對實驗課程進(jìn)行添加、修改和刪除管理，可以進(jìn)行授課安排即為某個班級的某門實驗課程設(shè)定授課老師。只有設(shè)定的授課老師可以對該班級的學(xué)生布置實驗任務(wù)，進(jìn)行教學(xué)管理中的實驗安排。

在教學(xué)論壇中，系統(tǒng)管理員可以對論壇進(jìn)行管理操作，包括創(chuàng)建、修改和刪除討論區(qū)和增加一個新的版塊到討論區(qū)中，也可以修改或刪除目前存在的版塊，還可以為版塊設(shè)定和刪除版主；同時可以對論壇中的帖子進(jìn)行修改、刪除和鎖定操作。

2.2 在線實驗教學(xué)平臺的運行

利用在線實驗教學(xué)平臺，教師可以建立典型實驗作為實驗任務(wù)布置給學(xué)生，可以對典型實驗進(jìn)行添加、發(fā)布、試做、修改、刪除、導(dǎo)入和導(dǎo)出，可以對成績進(jìn)行查詢統(tǒng)計。

利用在線實驗教學(xué)平臺，學(xué)生可以在實驗任務(wù)列表中查看學(xué)生所在班級所有老師發(fā)布的實驗，學(xué)生做完實驗進(jìn)行提交，當(dāng)教師批改完實驗并發(fā)布成績后，學(xué)生可以進(jìn)入實驗批改成績界面，查看實驗名稱，實驗成績，教師評語等。學(xué)生可通過“新建自主實驗”，對自己感興趣的實驗進(jìn)行嘗試。

無論教師用戶還是學(xué)生用戶都可以接收站內(nèi)消息，在教學(xué)論壇中查看帖子，并在感興趣的欄目中發(fā)表個人見解。

3 應(yīng)用情況

經(jīng)過幾年的建設(shè)和實踐，虛擬仿真實驗教學(xué)的各個層次已經(jīng)形成了比較完整的實驗教學(xué)體系，并獲得了良好的效果。具體體現(xiàn)在教學(xué)實踐、學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)和大學(xué)生學(xué)科競賽3 個方面。

3.1 教學(xué)實踐

（1）虛擬仿真實驗教學(xué)中心的4 個虛擬仿真平臺面向全校6 個專業(yè)的20 余門課程開設(shè)近100 項實驗，每年接納學(xué)生1 000 余人，實驗人時數(shù)達(dá)到8 萬余人時。

（2）在畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)中機械類專業(yè)學(xué)生依靠數(shù)字化機械創(chuàng)新平臺、數(shù)控仿真教學(xué)平臺對機具運動狀態(tài)進(jìn)行運動仿真；電器類專業(yè)學(xué)生依靠電氣控制系統(tǒng)虛擬仿真平臺進(jìn)行電氣系統(tǒng)設(shè)計與性能分析，從而提高了畢業(yè)設(shè)計的水平。

3.2 大學(xué)生創(chuàng)新

（1）實驗教學(xué)中心每年舉辦大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計的相關(guān)活動，以項目的形式開展由教師指導(dǎo)的本科生科研創(chuàng)新活動，每年能夠資助的大學(xué)生近100 人。大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計主要以產(chǎn)品三維參數(shù)化建模、運動學(xué)動力學(xué)仿真分析，以及關(guān)鍵部件的有限元分析等為主要內(nèi)容，以提高大學(xué)綜合設(shè)計和創(chuàng)新能力。近幾年年均立項國家級和自治區(qū)級大學(xué)生創(chuàng)新項目近10 項，校級大學(xué)生創(chuàng)新項目近20 項。

（2）依托數(shù)字化機械創(chuàng)新設(shè)計仿真平臺建立了三維數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計興趣小組，依托數(shù)控仿真教學(xué)平臺建立了數(shù)控技術(shù)興趣小組，依托電氣控制系統(tǒng)虛擬仿真平臺建立了電氣興趣小組。

3.3 大學(xué)生學(xué)科競賽

每年實驗教學(xué)中心組織相關(guān)教師積極準(zhǔn)備“全國三維數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計大賽”的工作。推薦優(yōu)秀的選手參加自治區(qū)的復(fù)選，最后參加全國的數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計大賽。先后有10 屆學(xué)生參加《全國三維數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計大賽》獲全國1 等獎2 次，全國2 等獎4 次，全國3等獎3 次，新疆賽區(qū)特等獎8 次，1 等獎4 次，2 等獎8 次，3 等獎3 次。獲全國大學(xué)生工業(yè)設(shè)計大賽獲三等獎1 項、優(yōu)秀獎4 項，第十三屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽校級選拔賽獲一等獎1 項、二等獎2 項、三等獎1 項、優(yōu)秀獎2 項。