基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的機(jī)械類教學(xué)理論與實(shí)踐研究

蘇春建，韓寶坤，王 瑞

（山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590）

引言

多數(shù)高等院校都開(kāi)設(shè)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生能夠直觀、形象地看到機(jī)械的組成與運(yùn)動(dòng)操作，理解和掌握機(jī)械知識(shí)。然而，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式需要較多的儀器和設(shè)備，這些儀器和設(shè)備普遍價(jià)值昂貴、體積大，并且結(jié)構(gòu)單一、固定，無(wú)法充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性和主觀能動(dòng)性，難以滿足目前的機(jī)械類教學(xué)要求，因此，研究新的機(jī)械類實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系顯得尤為重要［1-2］。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，用虛擬系統(tǒng)模仿一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的虛擬仿真技術(shù)不斷趨于成熟，應(yīng)用也日益廣泛，把虛擬仿真技術(shù)作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要方式，已經(jīng)成為教學(xué)工作人員探討的重點(diǎn)。山東科技大學(xué)以提高機(jī)械類教學(xué)水平為目標(biāo)，以培養(yǎng)高素質(zhì)人才為目的，提出應(yīng)積極探索基于虛擬仿真技術(shù)的機(jī)械類實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，并將虛擬仿真技術(shù)更多地應(yīng)用于機(jī)械類教學(xué)實(shí)踐中，通過(guò)虛實(shí)結(jié)合、理論與實(shí)踐相結(jié)合，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)在有限的資源和設(shè)備下發(fā)揮更大的作用，使學(xué)生可以更加直觀、簡(jiǎn)單地獲取機(jī)械知識(shí)，同時(shí)提高教學(xué)質(zhì)量。

一、傳統(tǒng)的機(jī)械類實(shí)驗(yàn)教學(xué)概述

機(jī)械類教學(xué)具有非常強(qiáng)的抽象性和實(shí)踐性，學(xué)生不易掌握其內(nèi)容，因此實(shí)驗(yàn)成為機(jī)械類教學(xué)的主要環(huán)節(jié)和重要手段。實(shí)驗(yàn)教學(xué)能讓學(xué)生更加直觀、形象地了解相關(guān)機(jī)械知識(shí)，是提高學(xué)生動(dòng)手操作能力、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的主要方式。然而，傳統(tǒng)的機(jī)械類實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本是直接對(duì)實(shí)物進(jìn)行操作。近年來(lái)，高等院校人數(shù)不斷增加（山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院現(xiàn)有本科生近3000名，碩士研究生、博士研究生180余名），傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的問(wèn)題不斷顯現(xiàn)。

（一）實(shí)驗(yàn)資金緊缺

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要較多的儀器設(shè)備、原材料和大量物資，這些設(shè)備和儀器普遍占用空間大、價(jià)值昂貴，需要投入大量的物力、財(cái)力。例如我校的機(jī)械類實(shí)驗(yàn)室，占地2800平方米，設(shè)備有116臺(tái)，設(shè)備的總價(jià)值約1500萬(wàn)元。而多數(shù)學(xué)校的資金來(lái)源相對(duì)單一，實(shí)驗(yàn)資金緊缺，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室陳舊，設(shè)備不足，老化嚴(yán)重，甚至部分實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行，難以滿足目前的機(jī)械類教學(xué)要求。

（二）實(shí)驗(yàn)條件不夠完善

目前，部分高校的實(shí)驗(yàn)室建制、資源配置不合理，用于實(shí)驗(yàn)的儀器設(shè)備明顯不足，并且低水平重復(fù)、技術(shù)落后、更新速度慢，不論是從數(shù)量上還是從先進(jìn)程度上都無(wú)法與機(jī)械類教學(xué)目標(biāo)相適應(yīng)。多數(shù)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中無(wú)法實(shí)際動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，從而難以掌握和理解機(jī)械類的相關(guān)知識(shí)。

（三）實(shí)驗(yàn)存在安全問(wèn)題

在機(jī)械類專業(yè)中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。在教師方面，一些實(shí)驗(yàn)教師未接受過(guò)系統(tǒng)的安全培訓(xùn)，在一定程度上缺乏足夠的安全技能和安全經(jīng)驗(yàn)。另外，由于實(shí)驗(yàn)教師數(shù)量不足，學(xué)生人數(shù)較多，在實(shí)驗(yàn)中指導(dǎo)教師難以全面關(guān)注每位學(xué)生的操作過(guò)程，在安全方面埋下了隱患；在學(xué)生方面，由于缺乏安全意識(shí)和自我保護(hù)意識(shí)，操作不謹(jǐn)慎和不規(guī)范也會(huì)誘發(fā)安全事故［3］。

二、基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的機(jī)械類教學(xué)理論

（一）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)概述

虛擬仿真實(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)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種新型的教學(xué)形式，其依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，其視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官，容易接受、處理、反饋和學(xué)習(xí)相關(guān)信息，以達(dá)到教學(xué)大綱要求的教學(xué)效果［4］。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)是機(jī)械類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，其任務(wù)是在涉及高?；驑O端環(huán)境、不可及或不可逆的操作，以及高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等情況時(shí)，提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能。山東科技大學(xué)建設(shè)了先進(jìn)制造技術(shù)研究中心，其機(jī)械工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目包含煤礦安全開(kāi)采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心等，設(shè)有“礦山機(jī)械”“采掘機(jī)械”等課程，通過(guò)配置、連接、調(diào)節(jié)和使用虛擬實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，按照安全生產(chǎn)規(guī)程，構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程與三維場(chǎng)景，掌握各環(huán)節(jié)的安全生產(chǎn)要素。

（二）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在機(jī)械類教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的機(jī)械類實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中占有諸多優(yōu)勢(shì)。首先，在機(jī)械類教學(xué)中利用虛擬仿真技術(shù)，可以在有限的資源和設(shè)備條件下對(duì)學(xué)生進(jìn)行機(jī)械組成與運(yùn)動(dòng)操作的展示，既可以幫助學(xué)生理解機(jī)械知識(shí)，又能有效地降低教學(xué)成本，提高教學(xué)的便利性與有效性。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間靈活，且不受地域等方面的限制［5］。其次，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能讓學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中反復(fù)操作練習(xí)，提高實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考能力。山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院的CAD/CAE機(jī)房，就是通過(guò)引進(jìn)虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備的改進(jìn)和替代，學(xué)生通過(guò)上機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)，更好地理解和掌握了相關(guān)的機(jī)械知識(shí)，使得教學(xué)效率和質(zhì)量有了明顯提高。最后，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在高等學(xué)校大力推行，可以促進(jìn)教育信息化發(fā)展，教師可以運(yùn)用最新的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)輔助教學(xué)，參與相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程虛擬化的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，這樣不僅能極大地豐富教學(xué)資源，還能提升教師應(yīng)用信息化教學(xué)的素養(yǎng)［6］。

總的來(lái)說(shuō)，將虛擬仿真技術(shù)更好地應(yīng)用到機(jī)械類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，能夠豐富原有的教學(xué)媒體，突破原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件的限制，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)仿真學(xué)習(xí)環(huán)境，充分發(fā)揮學(xué)生的動(dòng)手操作能力和自主學(xué)習(xí)能力，并提高教學(xué)質(zhì)量。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)作為一種新型的教育教學(xué)技術(shù)，必將在機(jī)械類教學(xué)中發(fā)揮更加重要的作用。

三、基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的機(jī)械類教學(xué)實(shí)踐研究

（一）整合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源，推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)

建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是采用虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求設(shè)計(jì)出應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、虛擬環(huán)境、虛擬儀器設(shè)備等。因此，要發(fā)揮學(xué)科專業(yè)的優(yōu)勢(shì)，充分整合學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，提高教學(xué)能力，降低成本和風(fēng)險(xiǎn)。山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院建立了煤礦安全開(kāi)采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，涉及采礦、測(cè)繪、地質(zhì)、機(jī)電、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科資源，按照專兼結(jié)合的原則，推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)，豐富教學(xué)內(nèi)容。

（二）充分利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)本科人才的創(chuàng)新培養(yǎng)

山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院一直非常重視對(duì)本科生的創(chuàng)新培養(yǎng)，在培養(yǎng)過(guò)程中，充分利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，引導(dǎo)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。表1為2019—2021年山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院的本科生在各類創(chuàng)新比賽中取得的成績(jī)。可以看出，學(xué)生的比賽成績(jī)?cè)絹?lái)越好，其創(chuàng)新能力在不斷上升，學(xué)團(tuán)工作也取得了可喜可賀的成績(jī)。如山東科技大學(xué)智能海洋機(jī)器人創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)獲評(píng)2019年度“小平科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”稱號(hào)，山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院的學(xué)生陳天祥獲評(píng)“第十屆中國(guó)青少年科技創(chuàng)新獎(jiǎng)”、楊揚(yáng)獲得2017年度“中國(guó)電信獎(jiǎng)學(xué)金·飛Young獎(jiǎng)”暨“踐行社會(huì)主義核心價(jià)值觀先進(jìn)個(gè)人”榮譽(yù)稱號(hào)等。

表1 2019—2021年山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院本科生在各類創(chuàng)新比賽中取得的成績(jī)

（三）建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開(kāi)放式利用與共享

為了實(shí)現(xiàn)學(xué)校內(nèi)外、多地區(qū)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享，合理管理機(jī)械類實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，滿足更廣泛地區(qū)對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求，搭建具有擴(kuò)展性、兼容性、前瞻性的共享平臺(tái)，建立可持續(xù)發(fā)展的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)支撐體系［7］。目前學(xué)校網(wǎng)絡(luò)存在一份多儲(chǔ)、資源分布不均且只有一種存儲(chǔ)方法等問(wèn)題，故在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，建設(shè)覆蓋無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)障礙連接和超大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。為了建立校園網(wǎng)信息安全立體防護(hù)體系，不僅采取路由器、防火墻加密等方法，還在分域分級(jí)控制、物理層隔離、信息流向控制等方面進(jìn)行了相關(guān)操作，構(gòu)建安全的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)鏈接，建立多個(gè)地區(qū)、多個(gè)學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的合理利用和開(kāi)放共享。表2為虛擬平臺(tái)共享資源列表。

表2 虛擬平臺(tái)共享資源

（四）加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)師資建設(shè)，努力提高教師的業(yè)務(wù)水平

基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的機(jī)械類教學(xué)需要打造一支兼?zhèn)淇蒲小⒔虒W(xué)、技術(shù)人員，以及具備穩(wěn)定、核心骨干的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)，形成具有先進(jìn)理念、較高學(xué)術(shù)、專注科研、不斷創(chuàng)新的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍。山東科技大學(xué)重點(diǎn)培養(yǎng)和引進(jìn)虛擬仿真復(fù)合型人才，合理配置學(xué)科專業(yè)教師與信息技術(shù)研發(fā)人員；注重對(duì)青年教師的培養(yǎng)，通過(guò)積極參加機(jī)械類的培訓(xùn)學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)教師專業(yè)水準(zhǔn)的提升；加強(qiáng)國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)交流，定期選派中心教師到國(guó)外著名大學(xué)進(jìn)行學(xué)習(xí)交流。山東科技大學(xué)依托機(jī)械類學(xué)科建設(shè)，打造高水平實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)，通過(guò)不斷引進(jìn)和培養(yǎng)優(yōu)秀人才，打造了一支以教授為主體，以中青年博士為骨干，學(xué)歷結(jié)構(gòu)、年齡結(jié)構(gòu)和職稱結(jié)構(gòu)更加合理，具有豐富實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的高水平實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍。

結(jié)語(yǔ)

機(jī)械類專業(yè)具有很強(qiáng)的抽象性和實(shí)踐性，傳統(tǒng)的機(jī)械類教學(xué)需要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，同時(shí)無(wú)法保證學(xué)生安全地學(xué)習(xí)機(jī)械類基礎(chǔ)知識(shí)。為了培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)樂(lè)趣，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)造能力和實(shí)踐能力，根據(jù)虛擬仿真技術(shù)搭建虛擬環(huán)境和對(duì)象，在機(jī)械類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行具體實(shí)踐，讓學(xué)生在高度虛擬的環(huán)境中實(shí)踐，積累知識(shí)，達(dá)到了很好的教學(xué)效果。因此，積極研究基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的機(jī)械類教學(xué)理論與實(shí)踐，具有深遠(yuǎn)的理論和價(jià)值意義。