虛擬仿真技術(shù)在機(jī)械類專業(yè)人才培養(yǎng)中的應(yīng)用研究

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 張藝 張淼 孫鉑 馬志凱 李昕

《國家中長期教育改革和發(fā)展綱要（2010-2020）》中明確提出高校應(yīng)注重人才培養(yǎng)質(zhì)量，加大教學(xué)投入，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，著力培養(yǎng)知識豐富、本領(lǐng)過硬的人才。強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動性，養(yǎng)成良好學(xué)風(fēng)。機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)是一門理論性、實(shí)踐性和設(shè)計性均較強(qiáng)的機(jī)械類及近機(jī)類專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課，對培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)械設(shè)計與制造、實(shí)踐應(yīng)用能力等方面具有不可代替的重要作用[1]。

機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程教學(xué)存在學(xué)生課堂參與度較低，相關(guān)概念抽象難懂，學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)受實(shí)驗(yàn)、課設(shè)條件限制不宜提高等問題。虛擬仿真技術(shù)，簡稱VR技術(shù)，也稱為虛擬現(xiàn)實(shí)。采用計算機(jī)圖形技術(shù)、計算機(jī)仿真技術(shù)等為基礎(chǔ)，搭建一種虛擬環(huán)境，使用戶借助一定的I/O 設(shè)備，與虛擬世界中的物體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行交互[2]。國內(nèi)外學(xué)者對VR 技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用做出了許多研究。張俊等[3]采用虛擬技術(shù)搭建了機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，實(shí)現(xiàn)了齒輪泵、二級圓柱齒輪減速器和RV 減速器的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)。徐兵等[4]進(jìn)行了虛擬仿真技術(shù)在數(shù)控技術(shù)課程中的應(yīng)用研究，取得了較好的教學(xué)效果。Luzanin 等[5]提出了一種基于概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的手勢識別系統(tǒng)，通過使用數(shù)據(jù)手套實(shí)現(xiàn)了虛擬裝配與維護(hù)仿真。可見，虛擬仿真技術(shù)可將虛擬環(huán)境與實(shí)踐動手結(jié)合起來，突破傳統(tǒng)“教室”的邊界，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和便捷性，優(yōu)化教學(xué)效果。

1 課程教學(xué)中存在的問題

機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程的相關(guān)知識專業(yè)性較高，概念較抽象不直觀，加之學(xué)生為初次接觸，其在學(xué)習(xí)時普遍感覺吃力，理解識記困難。教師進(jìn)行理論講授時，單純地進(jìn)行概念講授，存在教學(xué)資源不足、概念過于抽象等問題，必須輔以實(shí)驗(yàn)或?qū)嵺`教學(xué)。傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)受實(shí)驗(yàn)課時、授課地點(diǎn)等的限制，學(xué)生接觸機(jī)械實(shí)物的機(jī)會少、時間短，不利于強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐應(yīng)用能力。同時實(shí)驗(yàn)受設(shè)備硬件條件限制，參數(shù)設(shè)置的數(shù)據(jù)點(diǎn)較少，相關(guān)規(guī)律展示不明顯。

利用虛擬仿真技術(shù)將各種實(shí)驗(yàn)參數(shù)化、虛擬化，既可以使結(jié)構(gòu)、規(guī)律形象直觀地顯示，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性。又可以把教學(xué)引入學(xué)生的手機(jī)端、電腦端，突破傳統(tǒng)授課方式在時間、空間、硬件條件等方面的限制，增加實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)時長，助力提高學(xué)生實(shí)踐動手能力。

2 虛擬仿真技術(shù)在課程教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 錄屏虛擬機(jī)械的拆裝過程，豐富教學(xué)資源

多媒體技術(shù)利用文字、圖片、視頻等相結(jié)合的方式向?qū)W生演示知識點(diǎn)，在現(xiàn)代教學(xué)中發(fā)揮著不可代替的作用。機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程需要講授多種機(jī)構(gòu)，例如齒輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)等的工作原理，還需講授一些復(fù)雜機(jī)械，例如齒輪減速箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及運(yùn)動原理。傳統(tǒng)教學(xué)方式利用簡單的圖片和文字解釋進(jìn)行授課，機(jī)構(gòu)和復(fù)雜機(jī)械的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不能進(jìn)行直觀展示，機(jī)械及機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程也不能動態(tài)地進(jìn)行演示，學(xué)生對機(jī)構(gòu)、機(jī)械的運(yùn)動特征理解較為困難，掌握程度差，學(xué)習(xí)難度高。

可將VR 技術(shù)與多媒體技術(shù)相結(jié)合，授課前，利用VR 教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺提供的錄屏功能，將機(jī)構(gòu)、機(jī)械的爆炸分解及其運(yùn)動過程制作成實(shí)時錄像。在課堂教授時播放錄像，使學(xué)生可以看到機(jī)構(gòu)及機(jī)械內(nèi)部的詳細(xì)拆裝過程，并可直觀觀察機(jī)構(gòu)、機(jī)械的運(yùn)動特征，將抽象的文字描述變?yōu)楦蜗笊鷦拥匿浵裼^看，使學(xué)生學(xué)習(xí)難度大大降低，學(xué)習(xí)興趣大大提升。通過錄制機(jī)構(gòu)、機(jī)械的爆炸拆裝錄像，既豐富了課程的教學(xué)資源，又將抽象概念變?yōu)橹庇^演示，改善了枯燥抽象的教學(xué)形式，直觀動態(tài)演示了機(jī)構(gòu)、機(jī)械等的內(nèi)部構(gòu)造，便于學(xué)生理解。

2.2 虛擬與現(xiàn)實(shí)結(jié)合，VR 技術(shù)助力實(shí)驗(yàn)教學(xué)

將VR 技術(shù)用于機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的預(yù)習(xí)教學(xué)，依托桌面式、頭盔式等多種VR 硬件設(shè)備，利用實(shí)驗(yàn)平臺自帶軟件及課程資源，搭建VR 實(shí)訓(xùn)室，為學(xué)生提供逼真、安全的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生在虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，自己動手操作虛擬實(shí)訓(xùn)平臺，360°立體直觀地虛擬操作機(jī)構(gòu)、機(jī)械，完成機(jī)構(gòu)的運(yùn)動觀察和復(fù)雜機(jī)械的爆炸拆解，并發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，鍛煉其實(shí)踐動手能力。該虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)置于正式實(shí)物實(shí)驗(yàn)之前，用作機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的繪制、減速器拆裝等實(shí)驗(yàn)的預(yù)實(shí)驗(yàn)。通過增設(shè)虛擬預(yù)實(shí)驗(yàn)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并使其對相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行簡單的預(yù)習(xí)。通過虛擬預(yù)實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高了學(xué)生實(shí)踐操作熟練程度，同時還可降低因誤操作或操作不當(dāng)造成實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損耗。

傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖測繪實(shí)驗(yàn)教學(xué)，由30 名同學(xué)共同使用一整套教學(xué)設(shè)備，全套設(shè)備共分為6 組，每組含三至四個不同的機(jī)構(gòu)模型。實(shí)驗(yàn)時，將學(xué)生分為5 人一組，使用一組實(shí)驗(yàn)設(shè)備，學(xué)生只需完成自己組內(nèi)機(jī)構(gòu)模型的運(yùn)動簡圖繪制。受實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)時長的影響，學(xué)生只能完成自己組內(nèi)機(jī)構(gòu)模型的運(yùn)動簡圖測繪，并不能對全套30 個機(jī)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動進(jìn)行測繪和觀察。但使用虛擬實(shí)訓(xùn)平臺后，學(xué)生可在實(shí)訓(xùn)平臺完成所有機(jī)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動觀察，極大地豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，顯著地提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。學(xué)生使用虛擬平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程如圖1 所示。

圖1 學(xué)生使用虛擬平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)

2.3 利用網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)訓(xùn)平臺，突破了傳統(tǒng)教學(xué)的空間及時間限制

網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺可提供凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計、齒輪嚙合傳動過程、圓柱齒輪參數(shù)計算、齒輪傳動設(shè)計計算等內(nèi)容。通過將凸輪、齒輪機(jī)構(gòu)等參數(shù)化、虛擬化、云端化，實(shí)現(xiàn)了凸輪及齒輪設(shè)計從傳統(tǒng)的教室教學(xué)到電腦端、手機(jī)端教學(xué)的突破。云端虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)一方面突破了傳統(tǒng)教學(xué)在時間、空間等方面的限制，使學(xué)生可在線上隨時進(jìn)行凸輪、齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計，無形中延長了學(xué)生的實(shí)訓(xùn)時長，提升學(xué)習(xí)主動性。另一方面，學(xué)生可在實(shí)訓(xùn)平臺輸入多樣化的齒輪機(jī)構(gòu)參數(shù)，實(shí)訓(xùn)平臺可利用圖形、動畫等方式將學(xué)生輸入的多樣化參數(shù)進(jìn)行實(shí)時展示，使學(xué)生可直觀觀察到設(shè)計參數(shù)對齒輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動的影響規(guī)律，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的難度。同時由于網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺隨時對學(xué)生開放，學(xué)生還可根據(jù)自己的情況，隨時在手機(jī)端或電腦端查看虛擬實(shí)訓(xùn)平臺的其他實(shí)驗(yàn)?zāi)K，將網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)用作理論學(xué)習(xí)的補(bǔ)充，真正做到理論與實(shí)踐相結(jié)合，改善理論授課效果。

機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)的課程設(shè)計是培養(yǎng)鍛煉學(xué)生設(shè)計能力的重要環(huán)節(jié)。學(xué)生在進(jìn)行課程設(shè)計時，由于初次進(jìn)行復(fù)雜機(jī)械的設(shè)計，經(jīng)驗(yàn)不足，可能存在諸多問題，例如初期參數(shù)選擇不當(dāng)，導(dǎo)致最終設(shè)計結(jié)果累計誤差過大；初期設(shè)計計算錯誤未及時發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致課設(shè)末期需要進(jìn)行設(shè)計大修但時間過短等問題。利用網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺，學(xué)生可在課程設(shè)計時使用齒輪傳動設(shè)計模塊，在平臺中輸入相關(guān)設(shè)計參數(shù)，自動得出相關(guān)齒輪傳動設(shè)計結(jié)果，一方面可幫助其檢查設(shè)計計算結(jié)果的正確性，避免學(xué)生在設(shè)計早期出現(xiàn)設(shè)計錯誤，提高課程設(shè)計的一次性成功率。另一方面，學(xué)生在設(shè)計過程中如對某些參數(shù)進(jìn)行修改，后續(xù)環(huán)節(jié)的設(shè)計結(jié)果也會隨之變化，更改方便快捷，提高了設(shè)計更改效率。圖2 所示為學(xué)生進(jìn)行課程設(shè)計的過程。

圖2 學(xué)生進(jìn)行課程設(shè)計的過程圖

2.4 線上線下混合教學(xué)，學(xué)習(xí)過程透明化管理

機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課堂授課內(nèi)容繁多復(fù)雜，單純依靠課堂聽講，學(xué)生難以當(dāng)堂全部掌握。在傳統(tǒng)課堂授課的同時使用相關(guān)網(wǎng)絡(luò)授課工具及虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)平臺進(jìn)行線上教學(xué)，采用線上、線下混合的方式進(jìn)行教學(xué)，教師將授課內(nèi)容發(fā)布在云端，學(xué)生可通過手機(jī)端，在相關(guān)平臺自主進(jìn)行相關(guān)知識的提前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)。教師將傳統(tǒng)紙質(zhì)作業(yè)按知識點(diǎn)進(jìn)行編輯，上傳至相關(guān)平臺，在平臺端按時發(fā)放、收取及批改作業(yè)，最后由平臺根據(jù)每個學(xué)生所有作業(yè)監(jiān)測點(diǎn)的完成情況給出學(xué)生作業(yè)部分的綜合評分，可作為學(xué)生平時成績評定的重要依據(jù)之一。此外，線上教學(xué)平臺還可實(shí)現(xiàn)對非主觀題的自動評分，降低教師的作業(yè)批改工作量。

線上教學(xué)平臺還可提供課堂實(shí)時小測、到課率統(tǒng)計等功能，教師可利用課堂實(shí)時小測，迅速了解學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握情況，實(shí)時調(diào)整授課進(jìn)度，切實(shí)做到以學(xué)生為中心，真正貫徹OBE 教學(xué)理念。同時平臺會記錄學(xué)生在整個線上線下混合教學(xué)過程中的各種日常狀態(tài)，包括作業(yè)完成度、課堂小測完成度、到課率等。教師可通過設(shè)置各個環(huán)節(jié)的相應(yīng)權(quán)重，最終由平臺自動計算得出每個同學(xué)的平時成績，形成較為客觀的過程考核結(jié)果，作為學(xué)生的平時成績。學(xué)生平時成績生成流程如圖3 所示。

圖3 學(xué)生平時成績生成流程圖

3 結(jié)語

為提高高校人才培養(yǎng)質(zhì)量，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，增強(qiáng)實(shí)踐技能培養(yǎng)，筆者將VR 技術(shù)在機(jī)械類人才培養(yǎng)中進(jìn)行應(yīng)用。通過將機(jī)構(gòu)機(jī)械拆裝、運(yùn)動等的VR 錄像引入理論教學(xué)，提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；通過沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)鍛煉學(xué)生實(shí)踐動手能力，利用網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)訓(xùn)平臺助力學(xué)生課程設(shè)計，提升了學(xué)生設(shè)計能力；通過輔以線上線下混合教學(xué)完成各教學(xué)環(huán)節(jié)全程監(jiān)控，給出了較為全面客觀的平時成績。通過一系列措施，使課程學(xué)習(xí)的沉浸感明顯，直觀性增強(qiáng)，操作感強(qiáng)，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性，同時為學(xué)生自學(xué)提供了便捷性，使學(xué)習(xí)突破了傳統(tǒng)教室的界限，學(xué)生自主性提高，顯著地改善了本課的教學(xué)效果。

理論和實(shí)踐相結(jié)合對于機(jī)械類人才培養(yǎng)至關(guān)重要，高質(zhì)量機(jī)械人才的培養(yǎng)更需要扎實(shí)的實(shí)踐技能培養(yǎng)，而虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教育作為虛擬仿真技術(shù)在高等教育領(lǐng)域的應(yīng)用，為機(jī)械類人才的實(shí)踐技能提升提供了重要的技術(shù)支撐，是高校在固有硬件條件下提升學(xué)生實(shí)踐技能培養(yǎng)的重要方法和手段。