多維協(xié)同虛擬仿真創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建

王志瓊， 劉廣武， 劉津彤， 劉繼明， 黃 瑩， 周淑紅

（吉林大學(xué)機(jī)械與航空航天工程學(xué)院，長春 130022）

0 引 言

“新工科”需要進(jìn)行科學(xué)、人文與工程的交叉融合，需要以培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才為目標(biāo)，需要從經(jīng)驗(yàn)主義轉(zhuǎn)向?qū)嵅賹?shí)訓(xùn)，從學(xué)習(xí)結(jié)果（即考試成績）走向能力養(yǎng)成［1-3］。而在機(jī)械與航空航天專業(yè)傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)體系中，存在著實(shí)驗(yàn)對象多為復(fù)雜機(jī)械機(jī)構(gòu)但實(shí)驗(yàn)學(xué)時與模型數(shù)量有限、大型和高成本設(shè)備無法廣泛應(yīng)用、開放性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)占比較低、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)存在安全隱患等問題。這些問題表明傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)模式難以滿足“新工科”對高校人才培養(yǎng)提出的新要求，無法跟上高校“新工科”建設(shè)的步伐，急需轉(zhuǎn)型。

虛擬仿真是繼“互聯(lián)網(wǎng)＋教育”之后的“智能＋教育”技術(shù)，是一種新的教育生產(chǎn)力。信息技術(shù)、智能技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合可破解高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)中的老大難問題，解決原先“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的問題［4］。

近幾年，國內(nèi)高校各個學(xué)科領(lǐng)域積極響應(yīng)教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》文件精神，著力于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與建設(shè)［5-12］。我校機(jī)械與航空航天工程學(xué)院在原來國家級機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化組合，組建機(jī)械虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，并開發(fā)設(shè)計了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。中心2015年入選為國家級機(jī)械虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心。為進(jìn)一步拓寬實(shí)踐教學(xué)的深度和廣度，持續(xù)提高學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，讓學(xué)生早接觸早了解現(xiàn)代信息新技術(shù)，中心購置多種虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)，如何開發(fā)“新工科”背景下的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)并應(yīng)用于本科教學(xué)，成為急需解決的問題。應(yīng)這樣的教學(xué)需求建立了多維協(xié)同虛擬仿真創(chuàng)新實(shí)踐課程群，構(gòu)建了多維協(xié)同虛擬仿真創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系，為學(xué)生適應(yīng)現(xiàn)代社會發(fā)展需求及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)奠定良好基礎(chǔ)。

1 創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建思路

根據(jù)“新工科”多元化、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)理念，結(jié)合新版本科教育培養(yǎng)方案和機(jī)械工程學(xué)科特點(diǎn)，實(shí)施以“創(chuàng)新模式、重構(gòu)體系、筑建平臺、逐級提升”為主線的一系列實(shí)踐教學(xué)改革。

依托兩個國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心和科研平臺，以機(jī)械工程專業(yè)主干學(xué)科的核心課程為體系主線，以機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)踐教學(xué)的系列課程為建設(shè)核心，開發(fā)基于工程類“工程圖學(xué)（大一）、機(jī)械原理（大二）、機(jī)械設(shè)計（大三）、機(jī)械精度設(shè)計基礎(chǔ)（大三）、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)（大三）”5大理論課程所要求學(xué)歷水準(zhǔn)的“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)、虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)、開放創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”四位一體的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)課程體系，如圖1所示。

圖1 創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系依托平臺

應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺和DVS3D虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)，搭建虛擬仿真創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)平臺，構(gòu)建培養(yǎng)階段3層次“基礎(chǔ)→專業(yè)→創(chuàng)新”、課程層級遞進(jìn)式“1→2→3→4級”、教學(xué)方式混合式“虛擬仿真→虛擬現(xiàn)實(shí)→物理空間”的多維協(xié)同虛擬仿真創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系，如圖2所示。該體系旨在拓寬學(xué)生視野，優(yōu)化知識結(jié)構(gòu)，提高學(xué)生應(yīng)用新技術(shù)的能力，綜合設(shè)計能力和創(chuàng)新能力，為國家培養(yǎng)基礎(chǔ)理論扎實(shí)的創(chuàng)新型人才。

圖2 創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建思路

2 遞進(jìn)式實(shí)踐課程群建設(shè)

圖3 實(shí)踐課程群梯級建設(shè)方案

按照創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建思路，以典型零部件為載體，構(gòu)建4層級遞進(jìn)式的6項(xiàng)虛擬仿真創(chuàng)新實(shí)踐實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，如圖3所示。從三維構(gòu)圖、設(shè)計方案解析、系統(tǒng)性能測試、加工制造過程、制造工藝到裝配精度的機(jī)電產(chǎn)品自然設(shè)計流程，以多維度的專業(yè)視角，借助CAD／CAM和虛擬仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，協(xié)同多項(xiàng)現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和信息技術(shù)，設(shè)計開發(fā)獨(dú)立設(shè)課的機(jī)械工程綜合實(shí)驗(yàn)Ⅴ實(shí)踐課程群，同時開設(shè)開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過增加選修課程和開放性創(chuàng)新項(xiàng)目的內(nèi)容及數(shù)量，深化和擴(kuò)展實(shí)踐教學(xué)資源，提高教學(xué)維度和深度，培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代社會發(fā)展需求、具有扎實(shí)理論基礎(chǔ)和寬廣專業(yè)視野的工程專業(yè)人才。

制定實(shí)踐課程群內(nèi)涵建設(shè)大綱，包括實(shí)踐課程層級、典型實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目名稱、編號、學(xué)時、開設(shè)年級、教學(xué)方式、服務(wù)理論課程、培養(yǎng)目標(biāo)等信息，如表1所示。通過進(jìn)一步確立實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，撰寫實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，使其成為整個教學(xué)培養(yǎng)方案中的一個訓(xùn)練模塊，具有完整性、先進(jìn)性、綜合設(shè)計性，自成體系。

表1 實(shí)踐課程群內(nèi)涵建設(shè)大綱

2.1 實(shí)踐課程群1級內(nèi)涵建設(shè)

實(shí)踐課程群的第1級為運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的機(jī)械零件三維剖析實(shí)驗(yàn)。其建設(shè)內(nèi)涵為遵循工程圖學(xué)的認(rèn)知規(guī)律，把投影與視圖、形體分析與構(gòu)型設(shè)計結(jié)合。開發(fā)典型機(jī)械零件的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對典型機(jī)械零件三維模型的任意剖切、展示剖面等功能?；谔摂M仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺設(shè)計制作機(jī)械零件多角度剖面及投影虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，建立機(jī)械零件的教學(xué)數(shù)據(jù)庫，利用虛擬仿真軟件系統(tǒng)完成二維圖形和三維零件剖切面的對應(yīng)，讓學(xué)生在數(shù)據(jù)庫中快速找到與二維圖形有關(guān)的三維零件，并進(jìn)行多角度剖切面的觀察對比。

實(shí)踐課程群1級建設(shè)使學(xué)生了解機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，輔助掌握工程圖學(xué)課程中的難點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生對虛擬仿真平臺的操作能力，增加學(xué)習(xí)的積極性和主動性，克服教學(xué)模型無法大量剖切和數(shù)量有限的弊端。

2.2 實(shí)踐課程群2級內(nèi)涵建設(shè)

(1)常用典型機(jī)械機(jī)構(gòu)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。參照模型等素材，應(yīng)用計算機(jī)完成常用典型機(jī)械機(jī)構(gòu)的3D數(shù)字化設(shè)計方案，構(gòu)建數(shù)字模型，并進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)特性做出定性及定量的分析評價。

(2)摩托車發(fā)動機(jī)虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)。如圖4所示，以摩托車發(fā)動機(jī)總成為對象和載體，依據(jù)理論和實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)平臺、發(fā)動機(jī)展示與拆裝平臺，建立一系列發(fā)動機(jī)典型零部件的拆裝實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬拆裝、三維立體環(huán)境虛擬拆裝、現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)拆裝相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，做到虛實(shí)結(jié)合，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果［13］。網(wǎng)絡(luò)虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)學(xué)生自主選擇拆裝工具、設(shè)計拆裝方法、自主拆裝，了解典型零部件的基本結(jié)構(gòu)及組成關(guān)系。三維立體環(huán)境使學(xué)生切身融入虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，運(yùn)用3D交互系統(tǒng)進(jìn)行典型零部件的虛擬拆裝，設(shè)置零部件的拆裝順序及拆裝路徑，通過三維立體環(huán)境增強(qiáng)學(xué)生的三維立體感。最后學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)摩托發(fā)動機(jī)，選擇典型機(jī)構(gòu)進(jìn)行真實(shí)拆裝實(shí)驗(yàn)［14］。

圖4 摩托車發(fā)動機(jī)虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)

實(shí)踐課程群2級建設(shè)采用虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，提升學(xué)生對復(fù)雜機(jī)械零件的綜合認(rèn)知，加強(qiáng)機(jī)構(gòu)拆解和裝配的綜合能力，克服復(fù)雜機(jī)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)、整機(jī)拆裝過程講解難，實(shí)驗(yàn)效果受限于模型數(shù)量、學(xué)時不足等難題。

2.3 實(shí)踐課程群3級內(nèi)涵建設(shè)

(1)汽車曲軸虛擬設(shè)計實(shí)驗(yàn)。深入了解虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生能夠利用虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行汽車曲軸的虛擬設(shè)計，并在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行數(shù)據(jù)修改和設(shè)計方案優(yōu)化。

(2)汽車分動器DVS3D虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)。如圖5所示，在DVS3D虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)上，建立JCF2015型汽車分動器的精確裝配數(shù)模的拆解和裝配。學(xué)生進(jìn)入DVS3D“虛擬真實(shí)”的分動器三維虛擬世界，進(jìn)行多視角觀摩、空間剖切、虛擬拆裝，直觀了解和研究產(chǎn)品級的數(shù)字化分動器的功能和結(jié)構(gòu)。讓學(xué)生鞏固理論課程所學(xué)知識，研究探索產(chǎn)品級汽車分動器的精確數(shù)字化開發(fā)技術(shù)，高效地掌握機(jī)械工程常用零部件及模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作過程、裝配及加工制造工藝。

圖5 汽車分動器DVS3D虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)

通過1、2級基礎(chǔ)培養(yǎng)階段的訓(xùn)練，實(shí)踐課程群3級建設(shè)讓學(xué)生初步掌握虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生產(chǎn)品級、專業(yè)級、數(shù)字化開發(fā)設(shè)計能力，提高綜合實(shí)踐能力與自主創(chuàng)新意識。

2.4 實(shí)踐課程群4級內(nèi)涵建設(shè)

實(shí)踐課程群的第4級為機(jī)構(gòu)虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)字化創(chuàng)意設(shè)計新技術(shù)實(shí)驗(yàn)。建設(shè)的內(nèi)涵主要為結(jié)合工程圖學(xué)、機(jī)械原理及虛擬樣機(jī)技術(shù)課程基本理論知識，創(chuàng)造性地設(shè)計模型機(jī)構(gòu)、探索其運(yùn)行規(guī)律，訓(xùn)練學(xué)生的綜合設(shè)計能力和創(chuàng)新能力，為后續(xù)課程及今后從事實(shí)際工作奠定良好的基礎(chǔ)。學(xué)生自主設(shè)計機(jī)構(gòu)方案（方案來源于生活、社會需求、圖書資料、互聯(lián)網(wǎng)等），在計算機(jī)上利用三維設(shè)計軟件CATIA、ADAMS進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)動學(xué)分析、仿真及試驗(yàn)組裝等工程實(shí)際設(shè)計。在DVS3D虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)上，通過動態(tài)觀察組裝機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動情況，包括工作到位情況、運(yùn)行軌跡情況、速度變化情況等方面，做出定性的分析和評價。進(jìn)而根據(jù)評價結(jié)果對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重組調(diào)整，直到模型機(jī)構(gòu)運(yùn)行靈活、動作可靠，充分滿足預(yù)先設(shè)計要求［15-16］。

實(shí)踐課程群4級建設(shè)實(shí)現(xiàn)了“3D虛擬真實(shí)”環(huán)境下的機(jī)械零部件和產(chǎn)品虛擬設(shè)計、裝配、剖切、展示、評價的一體化流程，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立解決復(fù)雜工程問題的能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力，全面服務(wù)于大學(xué)生的創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)實(shí)踐活動。

3 實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用及示范輻射

3.1 實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用

遵照大學(xué)生多維協(xié)同虛擬仿真創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建思路，2016年中心面向機(jī)械工程專業(yè)獨(dú)立設(shè)課、單獨(dú)記學(xué)分的機(jī)械工程綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)課程，該實(shí)驗(yàn)課程目前包含5個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，已經(jīng)連續(xù)授課4年，每年約有350人受益。結(jié)合校教務(wù)處開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)要求，中心面向全校學(xué)生開設(shè)了開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。同時中心面向南嶺校區(qū)6個學(xué)院所有工科類學(xué)生開設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程。系列實(shí)驗(yàn)將物理空間實(shí)踐教學(xué)導(dǎo)入DVS3D虛擬現(xiàn)實(shí)的平臺環(huán)境中，全面貫徹了“基礎(chǔ)→專業(yè)→創(chuàng)新”3層次培養(yǎng)理念、輔以遞進(jìn)式“實(shí)踐教學(xué)體系重構(gòu)”的虛擬仿真課程建設(shè)思想，教學(xué)效果良好。

3.2 示范輻射

（1）基于國家級機(jī)械虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺，虛擬仿真創(chuàng)新實(shí)踐課程群依托校園網(wǎng)絡(luò)，面向全校師生，實(shí)行全覆蓋、全天候的開放。同時對有合作關(guān)系的院校有條件的開放，進(jìn)行交流學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)資源共享。

（2）近年來，DVS3D虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室接待了20余所院?？萍既藛T及師生參觀、學(xué)習(xí)與交流。

（3）機(jī)械工程綜合實(shí)驗(yàn)Ⅴ的3個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目案例入選了教育部高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)委員會的“高校本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)典型案例匯編”，已于2019年1月出版發(fā)行［17-18］。

（4）通過實(shí)踐，逐步摸索并總結(jié)出“創(chuàng)新模式，重構(gòu)體系，筑建平臺，逐級提升”的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)管理平臺建設(shè)思路和方略，為學(xué)校國家級機(jī)械虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)提供了前期項(xiàng)目試點(diǎn)的實(shí)踐基礎(chǔ)。

4 結(jié) 語

多維協(xié)同虛擬仿真創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建，堅(jiān)持以問題和需求為導(dǎo)向，把解決高校傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)存在的突出問題作為深化高等教育“新工科”建設(shè)、教學(xué)改革的著力點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)課程與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，將教改課題和科研課題的研究成果引入到本科教學(xué)，自主開發(fā)基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺和虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)的多維協(xié)同虛擬仿真創(chuàng)新實(shí)踐課程群，豐富課程、創(chuàng)新教法、改進(jìn)內(nèi)容，推進(jìn)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)緊密結(jié)合，使學(xué)生掌握先進(jìn)的學(xué)科前沿技術(shù)，強(qiáng)化學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐意識，力爭培養(yǎng)具有較強(qiáng)工程實(shí)踐能力的創(chuàng)新型工程人才。