虛擬實(shí)驗(yàn)室在機(jī)械課程中的作用

摘要：從學(xué)校的實(shí)踐教學(xué)背景出發(fā)，結(jié)合基于工作過程課程改革及機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程的自身特點(diǎn)，深入分析了虛擬實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的及在課程中的作用，并就如何建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)室，提出建設(shè)的內(nèi)容和設(shè)想。

關(guān)鍵詞：機(jī)械基礎(chǔ)；虛擬實(shí)驗(yàn)室；作用多

中圖分類號(hào)：G420 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-7661（2012）09-213-02

《機(jī)械知識(shí)》、《機(jī)械基礎(chǔ)》、《液壓傳動(dòng)》是我校機(jī)械類專業(yè)的多門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，與生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合緊密，這些課程不僅含有大量的機(jī)械基礎(chǔ)知識(shí)和抽象的概念，還涉及多種工業(yè)零件，同時(shí)還包含有大量的要求學(xué)員理解的圖形與計(jì)算。而作為機(jī)械類課程教學(xué)中占有非常重要地位的“機(jī)械知識(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)”，由于儀器設(shè)備，配套設(shè)施，場(chǎng)地等實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制以及資金等問題，與我們現(xiàn)有的教學(xué)需求還存在一定差距，給我們的教學(xué)造成了諸多局限。同時(shí)，為更好的滿足基于工作過程系統(tǒng)化的教學(xué)改革需要，在教學(xué)中要求“教、學(xué)、作”于一體，這就對(duì)學(xué)員的實(shí)際動(dòng)手能力，解決、分析問題的能力提出了更高的要求。而事實(shí)上，在我們所面對(duì)的教學(xué)對(duì)象中，多數(shù)的學(xué)員文化基礎(chǔ)不扎實(shí)，底子較薄，在學(xué)習(xí)過程中，難以直接形成理性認(rèn)識(shí)，嚴(yán)重制約了學(xué)員的學(xué)習(xí)效果，影響到后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。因此，這就需要在教學(xué)過程中，引入豐富的教學(xué)手段，并輔以更為直觀、交互性更強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來提升學(xué)員學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)員形成感性認(rèn)識(shí)，從而最終達(dá)成教學(xué)目的。

一般說來，對(duì)于現(xiàn)代化條件下的教學(xué)，需要考慮四個(gè)域，既物理域、信息域、認(rèn)知域和社會(huì)域，其相互關(guān)系見圖1。而虛擬實(shí)驗(yàn)室研究的系統(tǒng)集理論與實(shí)踐于一體，改變了單一的理論教學(xué)形式。采用動(dòng)態(tài)仿真、人機(jī)交互幫助學(xué)員認(rèn)知相關(guān)零部件和設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作原理，理解各種機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程和抽象概念，模擬各種機(jī)械傳動(dòng)和液壓傳動(dòng)的工作過程，培養(yǎng)學(xué)員的實(shí)際動(dòng)手能力和分析、解決問題的能力。并通過結(jié)合生活和工作實(shí)例使學(xué)員加深理解、應(yīng)用。力求在學(xué)時(shí)減少的前提下，提高教學(xué)質(zhì)量，增加學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)為后續(xù)的專業(yè)課學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。為此，機(jī)械基礎(chǔ)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)具有以下教學(xué)作用。

圖1 信息時(shí)代下教學(xué)的四個(gè)域

一、變教員主導(dǎo)的“說教式”課堂為學(xué)員主導(dǎo)的“疑問式”課堂

機(jī)械基礎(chǔ)虛擬實(shí)驗(yàn)室是集理論、實(shí)驗(yàn)與研究于一體的教研仿真系統(tǒng)。借助計(jì)算機(jī)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、參數(shù)化建模技術(shù)，在進(jìn)行理論講授的過程中，采用動(dòng)畫仿真，實(shí)驗(yàn)演示，形象地說明機(jī)械基礎(chǔ)知識(shí)中的各種抽象概念、動(dòng)態(tài)過程及工作原理（見圖2）。并且虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供可供學(xué)員裝配、操作的人機(jī)交互界面，為學(xué)員實(shí)際操作，更加深入的了解機(jī)械的內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了可能；學(xué)員可在上機(jī)實(shí)際裝配操作中，發(fā)現(xiàn)問題，尋找解決問題的途徑中得到鍛煉提高。這種教學(xué)模式改變了傳統(tǒng)的以教員主導(dǎo)、學(xué)員被動(dòng)接受的教學(xué)弊端，在教員層面上，豐富了教學(xué)形式和內(nèi)容；學(xué)員層面上，增加了學(xué)員動(dòng)手機(jī)會(huì)，方便學(xué)員直接形成感性認(rèn)識(shí)，使課堂教學(xué)變得生動(dòng)有趣，同時(shí)也大大提高了學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣。

圖2 仿真實(shí)驗(yàn)室主界面

二、變局部、封閉的教學(xué)系統(tǒng)為整體、開放的教研系統(tǒng)

局部分析是研究的基礎(chǔ)，整體性分析才是研究的目標(biāo)。由于機(jī)械相關(guān)知識(shí)是一個(gè)復(fù)雜龐大的體系，涉及我校多個(gè)系、專業(yè)，在我校多年的發(fā)展過程中，涉及機(jī)械知識(shí)的有關(guān)專業(yè)各自開發(fā)過一些獨(dú)立的教學(xué)課件，但這些課件缺少一定的縱向延續(xù)性和橫向貫穿性，從而造成了資源的浪費(fèi)和開發(fā)的重復(fù)性；為了更加凸顯“教、學(xué)、作”一體的教學(xué)指導(dǎo)思想，更加緊貼裝備，緊貼專業(yè)，緊貼實(shí)際；因此虛擬實(shí)驗(yàn)室可充分考慮該系統(tǒng)的實(shí)用性和開放性，采用動(dòng)態(tài)聯(lián)編的方式，為各專業(yè)預(yù)留接口，充分實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可重用、可修改和可擴(kuò)充的要求。

三、變演示實(shí)踐性教學(xué)為操作實(shí)踐性教學(xué)

為了使機(jī)械類專業(yè)的學(xué)員，畢業(yè)后在任職第一線能勝任實(shí)際工作，必須在學(xué)校學(xué)習(xí)過程中加強(qiáng)實(shí)踐能力的培養(yǎng)，實(shí)踐性教學(xué)的目的就是使學(xué)員能夠綜合地應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)解決實(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)員的實(shí)際動(dòng)手操作能力。

過去的機(jī)械知識(shí)實(shí)踐性教學(xué)，通常是到工廠車間進(jìn)行參觀，認(rèn)知各種零部件、機(jī)構(gòu)，觀看各種傳動(dòng)形式，這樣就具有一定的局限性，不只是時(shí)間和空間上的局限性，還缺少實(shí)際動(dòng)手操作的訓(xùn)練，因而限制了實(shí)踐性教學(xué)的內(nèi)容，影響了教學(xué)效果。機(jī)械基礎(chǔ)虛擬實(shí)驗(yàn)室則可以解決上述問題。虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)包含兩大部分，分別是：機(jī)械基礎(chǔ)知識(shí)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)室和工程創(chuàng)新與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室。學(xué)員可以進(jìn)入機(jī)械基礎(chǔ)知識(shí)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)室，認(rèn)知各種零部件、液壓元件及典型產(chǎn)品；同時(shí)學(xué)員也可以進(jìn)入工程創(chuàng)新與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室，在里面進(jìn)行各種機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案拼接組合及液壓基本回路搭接，因此它可以作為我們實(shí)踐性教學(xué)的素材庫。這種以虛擬制造環(huán)境為背景的教學(xué)模式，有利于激發(fā)學(xué)習(xí)者的觀察力、發(fā)現(xiàn)力、想象力、邏輯聯(lián)想力，有利于認(rèn)知思維深化與發(fā)展，增強(qiáng)了培養(yǎng)分析與工程實(shí)踐能力的力度，開闊了學(xué)員的視野，極大提高了學(xué)習(xí)的趣味性與教學(xué)效率。

四、變昂貴永久型設(shè)備為節(jié)約發(fā)展型設(shè)備

實(shí)踐是機(jī)械類學(xué)員學(xué)習(xí)中的非常重要的一環(huán)，在學(xué)員的整個(gè)學(xué)習(xí)階段起著舉足輕重的作用，而傳統(tǒng)實(shí)踐操作需要借助于具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在實(shí)際操作中，一些實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴，損耗大，實(shí)驗(yàn)成本高，財(cái)力投入大，而機(jī)械基礎(chǔ)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中的虛擬設(shè)備不存在磨損、破壞、可反復(fù)使用、反復(fù)拆裝。因此可以節(jié)約教學(xué)資源、彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、場(chǎng)地的不足，徹底打破時(shí)間、空間的限制，教學(xué)方式靈活，實(shí)驗(yàn)自主性強(qiáng)。同時(shí)，由于武器裝備的不斷更新?lián)Q代，以往而用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不少設(shè)備處于淘汰行列，不能滿足于教學(xué)的需要。本實(shí)驗(yàn)室中的虛擬設(shè)備和儀器則緊跟實(shí)際教學(xué)需要，緊貼實(shí)際工作實(shí)例，同時(shí)它還可以不斷的更新、補(bǔ)充最新前沿技術(shù)，即能滿足教學(xué)要求，又能提高辦學(xué)效益。

五、應(yīng)用前景展望

虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)對(duì)象、實(shí)驗(yàn)過程是可創(chuàng)造、可重復(fù)、可再生的，與實(shí)驗(yàn)室相比，可節(jié)省大量人力、物力和財(cái)力，并能實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的充分共享，促進(jìn)教學(xué)資源的開發(fā)與建設(shè)。

機(jī)械工程虛擬實(shí)驗(yàn)室注重實(shí)驗(yàn)操作的交互性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的仿真性，學(xué)員可以全面了解機(jī)械原理、機(jī)械零件以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的工作原理以及實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡葍?nèi)容，可以完成實(shí)驗(yàn)操作，所取得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果等效于甚至優(yōu)于真實(shí)環(huán)境中所取得的結(jié)果，起到培養(yǎng)學(xué)員學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)員的創(chuàng)新能力的作用。

依托校園網(wǎng)或軍網(wǎng)均可完成機(jī)械工程虛擬實(shí)驗(yàn)室提供的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，突破了時(shí)間和空間的限制，為學(xué)員的自主學(xué)習(xí)、部隊(duì)的干部戰(zhàn)士繼續(xù)教育和軍隊(duì)的工程技術(shù)人員的再學(xué)習(xí)、研究提供了條件，為開展遠(yuǎn)程教學(xué)提供了平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

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（上接212頁）面積推導(dǎo)印象十分深刻，

教師在使用教材時(shí)要根據(jù)學(xué)生的實(shí)際，通過多種方式呈現(xiàn)教材，引導(dǎo)學(xué)生把靜態(tài)的知識(shí)結(jié)論建立在動(dòng)態(tài)的思考之上，把抽象的數(shù)學(xué)概念、規(guī)則建立在形象的感知之上，將教材內(nèi)容生活化、動(dòng)態(tài)化、情境化、形象化，以使學(xué)生體驗(yàn)知識(shí)的發(fā)生和發(fā)展過程。

三、適當(dāng)補(bǔ)充，使教材內(nèi)容更加全面完整

做為教師，我們要尊重教材，但是不能“唯教材，要?jiǎng)?chuàng)造性的的使用教材，要依據(jù)學(xué)生的自身情況，突出個(gè)性化。在使用教材的過程中，要依據(jù)學(xué)生的自身情況而定，這是創(chuàng)造性地使用教材的核心。每位學(xué)生的基礎(chǔ)不同，對(duì)問題的看法也有所不同。真正的數(shù)學(xué)課堂，是不受“結(jié)論”束縛的，不受預(yù)定“程序”干擾的，在處理教材時(shí)，要尊重學(xué)生的理解，不能只用教材上的方法，有時(shí)學(xué)生想到的方法不一定是最優(yōu)的，但可能是最適合他的。

例如：四下“三角形、梯形面積”公式推導(dǎo)中，教材都是采用以舊引新的方法，利用兩個(gè)完全一樣的三角形（或梯形）經(jīng)過旋轉(zhuǎn)，拼成一個(gè)平行四邊形，從而得出三角形（或梯形）面積是和它等底等底高的平行四邊形面積的一半。很多教師根據(jù)教材上出示的方法來教學(xué)，都會(huì)在課前讓學(xué)生準(zhǔn)備兩個(gè)完全一樣的三角形（或梯形），學(xué)生所準(zhǔn)備材料的影響，大都會(huì)用教材中的方法順利的得出公式。但這樣的教學(xué)缺少變化，不利于學(xué)生思維的發(fā)展。

對(duì)于教材較單一的方法，教師可以對(duì)本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充：以小組合作的形式來推導(dǎo)公式，（每個(gè)小組有一個(gè)平行四邊形，一個(gè)直角三角形，一個(gè)等腰三角形，一個(gè)鈍角三角形和1個(gè)銳角三角形）學(xué)生在材料限制的情況下，能開動(dòng)腦筋，積極思考，會(huì)想出課本以外的其它方法：

1、將一個(gè)平行四邊形沿對(duì)角線剪開，然后重合證實(shí)兩個(gè)三角形完全一樣，恢復(fù)原樣之后，學(xué)生容易發(fā)現(xiàn)平行四邊形的底和高同三角形底和高的關(guān)系，從而順利地推出三角形面積的計(jì)算公式。

2、把一個(gè)等腰三角形沿著底邊上的高，從中間剪開成兩個(gè)三角形拼成一個(gè)長方形。 拼成的長方形的長就是原三角形的高，長方形的寬是原三角形的底邊的一半。所以長方形面積=底×高÷2也就是三角形的面積。所以三角形面積=底×高÷2

3、把一個(gè)直角三角形的一條高對(duì)折后剪開，把剪下的小三角形補(bǔ)在一邊，拼成長方形。

4、把一個(gè)三角形沿著兩邊的中點(diǎn)對(duì)折，然后把兩邊多余部分往里折，折成一個(gè)2層的長方形。折成的長方形的長是原三角形底邊的一半，寬也是原三角高的一半，所以長方形面積=底÷2×高÷2。而這樣的長方形有2個(gè)，所以三角形面積=底÷2×高÷2×2，變形后得：三角形面積=底×高÷2

新課標(biāo)要求教師“要根據(jù)學(xué)生的具體情況，對(duì)教材再加工，有創(chuàng)造地設(shè)計(jì)教學(xué)過程。也就是提倡從“教教材”變?yōu)椤坝媒滩慕獭薄Ｖv究要把教材用好、用活。這樣的設(shè)計(jì)更有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，更適合學(xué)生自主、合作、探索的方式學(xué)習(xí)，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的探索意識(shí)和創(chuàng)新精神。也為后面推導(dǎo)梯形的面積和圓的面積打下了好的基礎(chǔ)，在下面幾個(gè)圖形的面積推導(dǎo)公式中學(xué)生就不會(huì)只局限于教材的方法。

我國著名的教育家葉圣陶先生曾經(jīng)說：“教材只能作為教課的依據(jù)，要教好，使學(xué)生受益，還要老師的善于運(yùn)用。”教材是實(shí)施教學(xué)的工具，而不是惟一的標(biāo)準(zhǔn)。這就要求我們要立足新課標(biāo)，以學(xué)生發(fā)展為本，全面研讀教材，認(rèn)真按教材的編寫意圖，大膽進(jìn)行處理。只有這樣，才能使教材“唯我所用”，而不是教師上課的唯一標(biāo)準(zhǔn)。這樣才能使我們的課堂能更好的發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，更好的啟迪學(xué)生的思維，使我們的課堂教學(xué)更有實(shí)效。