基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

徐春明 周艷 蔣國(guó)璋 李公法 黨章

[摘 要]教育部于2019 年3月發(fā)布了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知，開(kāi)啟了新一輪的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。實(shí)驗(yàn)課程是幫助學(xué)生塑造工程意識(shí)、增強(qiáng)動(dòng)手能力的重要環(huán)節(jié)，機(jī)械原理作為機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)的核心課程，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生將理論知識(shí)運(yùn)用于工程實(shí)際有著至關(guān)重要的作用。為了順應(yīng)當(dāng)下高校實(shí)驗(yàn)教育改革的需要，文章分析了當(dāng)前機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)與高校培養(yǎng)高質(zhì)量工程技術(shù)人才的目標(biāo)，對(duì)機(jī)械原理開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)理念、課程建設(shè)、教學(xué)成果等方面進(jìn)行了探討，明確了實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革對(duì)高校教學(xué)質(zhì)量的重要性，得出了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)勢(shì)在必行的結(jié)論。

[關(guān)鍵詞]虛擬現(xiàn)實(shí);機(jī)械原理;實(shí)驗(yàn)教學(xué);人才培養(yǎng);實(shí)驗(yàn)改革

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642.423 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2022）02-0103-04

機(jī)械原理課程的教學(xué)目的是增強(qiáng)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)和機(jī)器的了解，對(duì)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)以及機(jī)構(gòu)和機(jī)器的動(dòng)力學(xué)原理進(jìn)行研究和學(xué)習(xí)，更注重的是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和對(duì)機(jī)械學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣，在教學(xué)形式上采用課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及課程設(shè)計(jì)等方式進(jìn)行。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（virtual reality，VR）系統(tǒng)從根本上說(shuō)是一種高級(jí)人機(jī)交互接口，它可以同時(shí)給予用戶視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等各種直觀而又自然的實(shí)時(shí)感知。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)采用計(jì)算機(jī)建模與仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)及可視化技術(shù)，模擬整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，可使學(xué)生在高沉浸感的虛擬環(huán)境下進(jìn)行機(jī)械原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。因此，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)不失為一種有效的教學(xué)策略和教學(xué)方法[1]。本文將從機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)?zāi)壳按嬖诘膯?wèn)題、如何建設(shè)新型實(shí)驗(yàn)課堂及教學(xué)效果三個(gè)方面來(lái)進(jìn)行探討。

一、機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題

（一）實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)備條件欠佳、更新過(guò)慢，實(shí)驗(yàn)質(zhì)量有待提高

因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室設(shè)備及條件不夠良好，機(jī)械原理課程很多關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)都無(wú)法完整進(jìn)行甚至無(wú)法進(jìn)行，而其中某些關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)被用一些現(xiàn)成的數(shù)據(jù)和公式替代掉，這些缺少的步驟恰恰能在未來(lái)對(duì)學(xué)生的思維發(fā)散造成積極影響。陳舊的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和關(guān)鍵機(jī)器的匱乏導(dǎo)致學(xué)生實(shí)驗(yàn)的效率極低。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)班的學(xué)生會(huì)被分成若干個(gè)小組，每個(gè)小組的人數(shù)至少5人，當(dāng)輪到該小組做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，組員們往往并非每人都有機(jī)會(huì)進(jìn)行實(shí)踐操作。不引進(jìn)新的設(shè)備就無(wú)法進(jìn)行新的操作方法教學(xué)，使學(xué)生的整個(gè)實(shí)驗(yàn)知識(shí)體系相對(duì)較為落后。

（二）實(shí)驗(yàn)性質(zhì)多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺乏創(chuàng)新

傳統(tǒng)的機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)授課形式大多仍為理論課，實(shí)驗(yàn)的目的只是驗(yàn)證理論的正確性，鞏固所學(xué)的理論知識(shí)，加深學(xué)生的印象。目前，理工科高校大部分課程的實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)都是冰冷的、枯燥無(wú)味的，學(xué)校所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)都是演示性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)新性和綜合性的實(shí)驗(yàn)較少。在進(jìn)行機(jī)械原理課程實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)校發(fā)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)詳細(xì)寫(xiě)明了實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理以及實(shí)驗(yàn)步驟，在做實(shí)驗(yàn)之前，教師一般會(huì)先演示實(shí)驗(yàn)的操作步驟，學(xué)生按照教師的步驟逐步操作即可，這樣的實(shí)驗(yàn)失去了實(shí)驗(yàn)原有的意義，沒(méi)有給學(xué)生留下思考和創(chuàng)造的空間，沒(méi)有起到提高學(xué)生創(chuàng)新能力和想象力的作用，久而久之還會(huì)對(duì)學(xué)生的深度鉆研形成阻礙。

（三）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容缺少關(guān)聯(lián)性，虛擬實(shí)驗(yàn)的人機(jī)交互性較差

實(shí)驗(yàn)課程所安排的實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目大多是獨(dú)立的，缺乏整體性，忽視了每個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之間的相互關(guān)聯(lián)，學(xué)生只是為了完成任務(wù)而做實(shí)驗(yàn)，并沒(méi)有真正意義上學(xué)到知識(shí)。人機(jī)交互（Human-Computer Interaction，簡(jiǎn)寫(xiě)HCI）是指人與計(jì)算機(jī)之間使用某種對(duì)話語(yǔ)言，以一定的交互方式，為完成確定任務(wù)進(jìn)行的人與計(jì)算機(jī)之間的信息交換過(guò)程。傳統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)無(wú)論是在界面、信息容量還是教學(xué)過(guò)程上都有所欠缺，學(xué)生在學(xué)習(xí)中很難有切身體會(huì)，對(duì)知識(shí)理解起來(lái)存在一定障礙[2]。

（四）考核制度不夠完善，實(shí)驗(yàn)課程對(duì)學(xué)生約束力不夠

機(jī)械原理課程的最終考核方式大多以理論課筆試成績(jī)?yōu)橹?，因而并沒(méi)有注重機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊，實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)少，學(xué)生所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)數(shù)量和質(zhì)量都達(dá)不到要求，很難實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的目的。而實(shí)驗(yàn)的考核方式不完善，大部分實(shí)驗(yàn)成績(jī)還是和理論課的成績(jī)掛鉤，沒(méi)有單獨(dú)形成一個(gè)體系，這使學(xué)生對(duì)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程重視程度不夠，無(wú)法保證實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)質(zhì)量。

隨著世界經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國(guó)邁入知識(shí)經(jīng)濟(jì)與技術(shù)經(jīng)濟(jì)并行的新時(shí)代，而為新時(shí)代發(fā)展提供源源不竭動(dòng)力的是各行各業(yè)的人才。高等學(xué)校培養(yǎng)出來(lái)的人才質(zhì)量和素養(yǎng)水平，特別是工程專(zhuān)業(yè)的人才培養(yǎng)，對(duì)于一個(gè)國(guó)家的科技實(shí)力和綜合國(guó)力影響深遠(yuǎn)，國(guó)家需要高質(zhì)量、高素養(yǎng)、高技能、高知識(shí)儲(chǔ)備的優(yōu)秀專(zhuān)業(yè)人才[3]。因此，在教育教學(xué)中培養(yǎng)和提高學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)，促進(jìn)和鞏固學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的掌握與應(yīng)用是鍛煉人才能力、提高人才質(zhì)量的有效方法。

對(duì)于機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生而言，無(wú)論是在研究學(xué)習(xí)還是在以后的工作中，動(dòng)手能力和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)缺一不可。因此，機(jī)械院校更應(yīng)該把學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的充分吸收與掌握運(yùn)用作為實(shí)踐類(lèi)課程的重點(diǎn)，培養(yǎng)社會(huì)工業(yè)和國(guó)家科技所需要的理論基礎(chǔ)扎實(shí)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)充足的應(yīng)用型高素質(zhì)人才。只有這樣，學(xué)生才能走出學(xué)校，步入需要全面系統(tǒng)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的社會(huì)，才能在未來(lái)工作中滿懷自信、游刃有余[4]。

二、機(jī)械原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)

針對(duì)當(dāng)今機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的問(wèn)題和目前市場(chǎng)對(duì)人才需求的類(lèi)型，為了改變現(xiàn)狀，切實(shí)提高高校的產(chǎn)出，我們提出的合理措施就是把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合起來(lái)。如果能將VR技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械原理的實(shí)驗(yàn)中，很多目前傳統(tǒng)手段無(wú)法解決的問(wèn)題就會(huì)迎刃而解。

（一）VR與機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)的結(jié)合

下面將介紹虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械原理教學(xué)的主要思路。隨著信息化技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用，虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專(zhuān)業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)工作堅(jiān)持“科學(xué)規(guī)劃、共享資源、突出重點(diǎn)、提高效益、持續(xù)發(fā)展”的指導(dǎo)思想，以全面提高機(jī)械工程系學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為宗旨，以共享優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為核心，以建設(shè)信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為重點(diǎn)，分年度建設(shè)一批具有示范、引領(lǐng)作用的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，持續(xù)推進(jìn)各學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)。若要在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用好虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，一定要建設(shè)合理的虛擬仿真平臺(tái)和教學(xué)團(tuán)隊(duì)[5]。

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由硬件和軟件組成。主要的硬件設(shè)備有計(jì)算機(jī)、跟蹤設(shè)備、觸覺(jué)器與運(yùn)動(dòng)反饋設(shè)備等。主要的軟件有操作系統(tǒng)和窗口系統(tǒng)，還有圖形圖像處理與開(kāi)發(fā)、語(yǔ)言識(shí)別系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)處理等工具軟件。系統(tǒng)在虛擬環(huán)境準(zhǔn)備就緒后，用戶和外部受監(jiān)控對(duì)象通過(guò)跟蹤設(shè)備、語(yǔ)音設(shè)備等設(shè)備給計(jì)算機(jī)發(fā)出指令[6]。計(jì)算機(jī)通過(guò)指令更新當(dāng)前虛擬環(huán)境并通過(guò)傳感器將信息傳送給用戶，系統(tǒng)組成基本上就包含這些部分。

結(jié)合武漢科技大學(xué)機(jī)械原理課程運(yùn)用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，發(fā)揮專(zhuān)業(yè)、課程優(yōu)勢(shì)，積極利用企業(yè)的開(kāi)發(fā)實(shí)力和支持服務(wù)能力，充分整合學(xué)校信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，以培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)認(rèn)知、綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力為出發(fā)點(diǎn)，在虛擬仿真平臺(tái)內(nèi)搭建基礎(chǔ)認(rèn)知類(lèi)實(shí)驗(yàn)、參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)、原理驗(yàn)證類(lèi)實(shí)驗(yàn)和綜合訓(xùn)練類(lèi)實(shí)驗(yàn)等教學(xué)內(nèi)容，從而提高教師教學(xué)能力，拓展實(shí)踐領(lǐng)域，豐富教學(xué)內(nèi)容，降低成本和風(fēng)險(xiǎn)，開(kāi)展綠色實(shí)驗(yàn)教學(xué)[7]。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例

1.齒輪加工實(shí)驗(yàn)

在機(jī)械原理教學(xué)中，有若干核心的實(shí)驗(yàn)，其中就包括齒輪加工實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)的齒輪范成加工實(shí)驗(yàn)都是通過(guò)齒輪范成儀，結(jié)合手工描線，最終做出一張齒輪輪廓圖，這樣的輪廓圖明顯具有誤差大、效率低、操作難度高等缺點(diǎn)。這里我們就以VR齒輪范成加工的實(shí)驗(yàn)為例，為大家簡(jiǎn)要介紹引入VR技術(shù)后的實(shí)驗(yàn)流程。

如圖1所示，學(xué)生端在開(kāi)始界面可以選擇齒輪類(lèi)型：標(biāo)準(zhǔn)齒輪（[x=0]）或者變位齒輪（[x=xmin]）。如果選擇標(biāo)準(zhǔn)齒輪，則需要輸入分度圓直徑[d]與模數(shù)m，例如輸入[d=340mm]，m20，那么系統(tǒng)會(huì)直接開(kāi)始演示齒條刀具加工齒輪的過(guò)程，最終形成齒輪的輪廓，如圖2所示。值得注意的是，如果通過(guò)其他參數(shù)進(jìn)行操作，在輸入的齒數(shù)值Z<17時(shí)，系統(tǒng)提示會(huì)出現(xiàn)根切現(xiàn)象，如果繼續(xù)生成模型，最終會(huì)形成產(chǎn)生根切的齒輪。對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，這非常直觀地反映了在齒輪加工過(guò)程中的注意事項(xiàng)，也為后面的學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)。

在選擇變位齒輪時(shí)，相比標(biāo)準(zhǔn)齒輪多了一步，計(jì)算并選擇合理變位系數(shù)，學(xué)生需要充分利用所學(xué)理論知識(shí)，主要用到的原理有：

在進(jìn)行充分準(zhǔn)備和計(jì)算后，最終用自己的數(shù)據(jù)將齒輪“加工”出來(lái)時(shí)，學(xué)生普遍會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的成就感，在生動(dòng)的VR實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將理論知識(shí)鞏固加深，并對(duì)齒輪的基本參數(shù)及范成加工流程了然于胸。

2.連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

接下來(lái)簡(jiǎn)單介紹機(jī)械原理中另一個(gè)基礎(chǔ)且核心的實(shí)驗(yàn)：連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)選擇到的虛擬仿真平臺(tái)是SOLIDWORKS 2016，它可以對(duì)課本上的平面連桿機(jī)構(gòu)做到全面且透徹的建模與仿真分析。

首先是建模環(huán)節(jié)，如圖3所示，我們建立基座1。然后加入連桿1，如圖4。這里需要注意的是連桿上的孔和基座上的軸尺寸必須配合恰當(dāng)。

我們將基座1與連桿1裝配連接起來(lái)，如圖5所示。然后相繼加入連桿2、連桿3和基座2，并將它們一一裝配起來(lái)，其過(guò)程分別如圖6、7、8所示。

這里值得注意的是，三個(gè)連桿的尺寸是在提前計(jì)算好的情況下才開(kāi)始建模的，桿長(zhǎng)必須滿足最基本的運(yùn)動(dòng)條件，學(xué)生對(duì)于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)在何種條件下形成必須十分清楚，如果學(xué)生沒(méi)有提前做準(zhǔn)備，很有可能建立的機(jī)構(gòu)最后在仿真時(shí)無(wú)法動(dòng)起來(lái)。

在建模和裝配的過(guò)程中，常常會(huì)遇到各種問(wèn)題，此時(shí)學(xué)生可以回想前面的步驟是否出現(xiàn)過(guò)問(wèn)題或錯(cuò)誤操作，然后反復(fù)嘗試，最終基本都能在不借助教師的幫助下獨(dú)立完成所有步驟。

完成建模的最終模型如圖9所示，這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。接下來(lái)我們對(duì)這個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真且對(duì)主要連桿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡分析，幫助學(xué)生更深刻地理解連桿機(jī)構(gòu)的組成和運(yùn)動(dòng)方式，驗(yàn)證理論知識(shí)的正確性。

我們?cè)谶B桿1與基座1的節(jié)點(diǎn)處添加馬達(dá)，選擇好馬達(dá)的種類(lèi)和旋轉(zhuǎn)角度，編輯好相移，就可以開(kāi)始運(yùn)動(dòng)仿真，其過(guò)程可見(jiàn)圖9、10。

我們對(duì)連桿1與2之間的節(jié)點(diǎn)和連桿2與3之間的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行軌跡追蹤，如圖11和圖12，可以清晰地看到整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中曲柄和搖桿的運(yùn)動(dòng)軌跡。這種直觀的呈現(xiàn)對(duì)學(xué)生對(duì)平面連桿機(jī)構(gòu)的學(xué)習(xí)和理解有極大幫助，使學(xué)生日后的作圖能力和分析計(jì)算能力顯著提高。

這樣的教學(xué)使課后的反饋極佳。大多數(shù)學(xué)生在最終上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)，一改以前抄襲嚴(yán)重的狀況，連實(shí)驗(yàn)心得都主動(dòng)詳細(xì)地表達(dá)出來(lái)，與教師的互動(dòng)也更加頻繁，課堂效果改觀顯著。在統(tǒng)計(jì)學(xué)生的反饋意見(jiàn)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)學(xué)生都對(duì)新的實(shí)驗(yàn)形式和教學(xué)手段表示肯定，并有不少學(xué)生表示想申請(qǐng)進(jìn)行第二次實(shí)驗(yàn)。由此可見(jiàn)其對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性這方面的提升作用明顯。

仿真與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的最大不同之處在于學(xué)生可以不受限制地去嘗試，遇到困難后對(duì)實(shí)驗(yàn)的畏難心理自然會(huì)大大減少，而且仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果往往等價(jià)于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果。

三、教學(xué)效果

實(shí)驗(yàn)教學(xué)和理論教學(xué)是一個(gè)整體，兩者密切相關(guān)，重視理論課程的同時(shí)也要重視實(shí)驗(yàn)課程。我校通過(guò)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，取得了豐碩的教學(xué)成果，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課上十分活躍，才思涌動(dòng)，幾乎每個(gè)人都有自己獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)見(jiàn)解。學(xué)生通過(guò)動(dòng)手實(shí)際操作證明了自己的想法，在不斷的思考之中學(xué)習(xí)，創(chuàng)新創(chuàng)造能力得到了極大的提高。學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性由被動(dòng)逐漸變?yōu)橹鲃?dòng)，參加機(jī)械創(chuàng)新大賽和科技比賽的種類(lèi)、次數(shù)增多。學(xué)生不僅僅有機(jī)會(huì)參加高校聯(lián)盟舉辦的競(jìng)賽，還有機(jī)會(huì)參加大型企業(yè)舉辦的科技競(jìng)賽，比如機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新大賽、全國(guó)3D大賽、全國(guó)大學(xué)起重機(jī)大賽等一系列全國(guó)性的大賽，比賽成果頗豐，數(shù)次獲得一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。此外，學(xué)生還積極申報(bào)各種機(jī)械創(chuàng)新方面的專(zhuān)利，在教師的指導(dǎo)下，已成功申請(qǐng)數(shù)十項(xiàng)實(shí)用新型專(zhuān)利和發(fā)明專(zhuān)利。一些企業(yè)看中了某畢業(yè)生的實(shí)力，直接對(duì)其進(jìn)行錄用，使學(xué)生的就業(yè)率提高了2個(gè)百分點(diǎn)。為了響應(yīng)國(guó)家對(duì)創(chuàng)新型人才的需求，我們要堅(jiān)持以創(chuàng)新為中心，通過(guò)教學(xué)改革以及現(xiàn)代化教學(xué)手段，不斷培養(yǎng)高素質(zhì)技能型人才。

不得不承認(rèn)的是，VR技術(shù)尚未完全成熟，很多關(guān)鍵的問(wèn)題也亟待解決。首先，其安全性目前尚不能確認(rèn)，長(zhǎng)期使用VR設(shè)備沉浸在虛擬世界中，學(xué)生可能產(chǎn)生疲勞、眩暈、惡心等癥狀（尤其是3D眩暈人群），如此會(huì)帶來(lái)短暫性健康問(wèn)題，至于長(zhǎng)期健康影響目前尚不明確;其次，在虛擬現(xiàn)實(shí)的教學(xué)課堂中，教師其實(shí)很難掌控教學(xué)過(guò)程的開(kāi)展，難以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況對(duì)教學(xué)方案做出實(shí)時(shí)調(diào)整，缺乏有效的學(xué)習(xí)評(píng)估和監(jiān)控工具;最后，虛擬現(xiàn)實(shí)教育環(huán)境下學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷會(huì)明顯增加，多項(xiàng)研究表明，VR世界的豐富內(nèi)容和逼真情景會(huì)影響學(xué)習(xí)者的認(rèn)知能力，從而干擾其對(duì)重點(diǎn)內(nèi)容的判斷。這就要求，學(xué)校要專(zhuān)門(mén)構(gòu)建沉浸性學(xué)習(xí)空間，充分考慮學(xué)生的認(rèn)知和學(xué)習(xí)特點(diǎn)，避免信息過(guò)載，將學(xué)習(xí)軟件與休閑娛樂(lè)的游戲空間區(qū)分開(kāi)來(lái)，以凸顯教育的目的。

四、結(jié)論

將VR技術(shù)引入中國(guó)教育事業(yè)之中，是一個(gè)大膽的嘗試，也是響應(yīng)目前習(xí)近平總書(shū)記創(chuàng)新改革號(hào)召的有力舉措。引進(jìn)最新科學(xué)技術(shù)，創(chuàng)建基于虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，結(jié)合先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，深化課程教學(xué)改革，可全面提升課堂教學(xué)水平和人才培養(yǎng)質(zhì)量。我們采用多種系統(tǒng)建模技術(shù)相結(jié)合，以達(dá)到機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果最優(yōu)化;強(qiáng)調(diào)提高虛擬實(shí)驗(yàn)室“自適應(yīng)性”和協(xié)作性，充分融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)。系統(tǒng)能從環(huán)境中獲取信息，并自動(dòng)改善其性能，實(shí)時(shí)進(jìn)行更新。考慮到科學(xué)實(shí)驗(yàn)的協(xié)作性，我們采取了基于協(xié)作虛擬原型的協(xié)同設(shè)計(jì)方法作為協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的思路;通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬實(shí)驗(yàn)真實(shí)場(chǎng)景，讓學(xué)生進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作，對(duì)零件、機(jī)構(gòu)、漸開(kāi)線齒輪范成原理和減速器的拆裝等都有了充分的認(rèn)識(shí);積極利用企業(yè)的開(kāi)發(fā)實(shí)力和支持服務(wù)能力，建設(shè)校企資源共享平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力[8]。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 洪炳榮，蔡則蘇，唐好選.虛擬現(xiàn)實(shí)及其應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

[2] Su Zhuan. Research on Teaching Innovation of Art Design Based on Virtual Reality Technology[C]. Proceedings of 2019 International Conference on Management， Education Technology and Economics，2019.

[3] 陳容容，孫益頂，魏東盛，等.多媒體虛擬仿真教學(xué)法在微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015（11）：194-196，200.

[4] 徐春明，周艷，孫瑛，等.機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐[J]. 大學(xué)教育， 2018（12）：57-59.

[5] 何玉林.“機(jī)械原理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀分析與改革[J].高教論壇，2014（10）：25-27.

[6] 楊卓娟，楊曉東.機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程內(nèi)容分類(lèi)及其對(duì)應(yīng)教學(xué)方法[J]. 中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2016（4）：40-43.

[7] 王樹(shù)國(guó).面向創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育 深化工程教育改革[J].中國(guó)高教研究，2016（1）：48-49.

[8] 徐春明，周艷，孫瑛，等.機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].大學(xué)教育，2018（11）：89-91.

[收稿時(shí)間]2020-07-21

[基金項(xiàng)目]武漢科技大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目：虛擬仿真平臺(tái)在機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究（2019X051）。

[作者簡(jiǎn)介]徐春明（1973—），男，湖北人，碩士，工程師，研究方向：機(jī)械工程。

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