提升學生機械產品創新設計能力的教學改革

白瑀 吳慶云 喬虎 姚慧

摘 要：針對目前學生創新能力不足的問題，本文對機械產品創新設計實驗的教學方法進行研究。首先，探討在基于實驗的教學中，學生創新能力的體現方面；在此基礎上，利用虛擬現實技術，構建機械產品創新設計虛擬仿真平臺。然后，與一般的實驗情況進行比較，分析實驗的改進地方。最后，根據基于虛擬現實技術的實驗教學取得的效果，總結實驗教學改革的意義。

關鍵詞：機械產品；創新設計；虛擬現實；教學改革

在機械工程、工業工程和工業設計等專業的教學中，機械產品創新設計實驗是一個關鍵的教學環節。在這個過程中，機械產品的運動原理、幾何結構可以被學生熟知。并且，在實驗過程中，還可以培養學生進行創新設計的能力。在當前信息化和智能化的制造背景下，傳統的教學模式已難以滿足培養創新人才的要求。因此，急需一種新的實驗教學方法，以便更好的培養創新型人才。

機械產品創新設計實驗包含很多方面，在虛擬平臺的搭建方面，周曉玲[1]等進行了平面機構創意組合實驗改革，利用虛擬仿真技術搭建實驗平臺，提供運動仿真模塊。田力[2]等對機構拼接與運動學仿真實驗進行平臺搭建，給學生一個直觀的操作界面。周世杰[3]等建設了虛擬仿真實驗教學中心，使優質的實驗資源可以實現共享。傅招國[4]等針對特種設備領域的特殊性，用虛擬現實技術在虛擬環境中還原特種設備，以便學員可以切實地觀察機械的結構。可見，在工程、教學和特種設備等領域，虛擬現實技術被廣泛的采用，這項技術已得到廣泛認可。

上述的教學改革方法中，都采用了虛擬仿真技術，將實驗器材、實驗對象以及實驗條件在計算機中模擬。本文在當前的實驗教學條件情況下，以提高學生的產品創新設計能力為目的。基于虛擬現實技術對實驗教學方法進行改革。首先，探討在基于實驗的教學中，學生創新能力的體現方面；在此基礎上，利用虛擬現實技術，構建機械產品創新設計虛擬仿真平臺。然后，與一般的實驗情況進行比較，分析實驗的改進地方。最后，根據基于虛擬現實技術的實驗教學取得的效果，總結實驗教學改革的意義。

1 基于虛擬現實技術的機械產品創新設計實驗

虛擬現實（Virtual Reality，VR）是一項基于計算機的先進技術。形象、逼真地三維空間可以通過虛擬現實技術在計算機中模擬出來，同時滿足用戶在視覺、聽覺和觸覺等感官的反饋。用戶通過外置設備（VR眼鏡、數據手套）的使用，可以在計算機中有一種身臨其境的感受。[5]

在外置設備的幫助下，基于虛擬現實技術的實驗，可以部分或整體地代替當前的一般實驗。這可以提高實驗人員的實驗效率，并且節省實驗時間和擴大實驗空間。使得實驗人員在實驗過程中盡可能地釋放自己的創新能力。[6]本文依據實驗教學中學生創新能力的體現方面，并結合學校實驗室現有的實驗條件，在虛擬實驗平臺上搭建機械產品創新設計平臺，而且改良虛擬現實環境中的實驗條件。實驗實施方法如下：

（1）根據學生能力特長不同，以最大限度地激發學生的創新能力為目的，將學生進行合適地分組。學生在上機實驗前，以組為單位，討論自己實驗構想，提出對機械產品需要改進的地方，并進行可行性分析。將討論結果書面展示給指導教師。

（2）教師結合學生的討論結果報告，對虛擬現實環境中的實驗條件進行設定，并且將學生所需模型類似或功能相似的零部件也調入到實驗平臺。這就可以滿足實驗過程中學生對創新設計的需求，最大可能地完成機械產品創新設計。

（3）學生上機實驗時，第一步，先熟悉實驗儀器，體驗虛擬環境的感官變化。第二步，熟悉機械產品實驗創新設計平臺。第三步，在PC機上，通過VR眼鏡和數據手套，完成自己的創新設計設想，并且觀看動畫效果，以判斷是否達到自己的所需設計意圖。

（4）在課后，學生可以針對自己的創新設計想法，將所需的資源打包，以APP的形式在手機中安裝虛擬實驗平臺，借助手機盒子和藍牙手柄實現機械產品的構建和運動模擬。

基于虛擬現實技術的實驗平臺，可以最大限度的滿足學生對實驗條件的要求，而且在感官上配合學生，從而激發學生的創新能力。重要地是，在新鮮的環境中，學生的學習激情會提高，對知識獲取也會增大需求。這相對于一般的實驗條件，學生的創新能力的提高是顯著的。同時，也為機械產品創新實驗開創了一種新的實驗方法，解決目前機械產品創新設計實驗教學存在的各種問題與不足。圖1和圖2是基于虛擬現實技術的機械產品創新實驗現場圖。

2 實驗教學改革的意義

根據實驗教學改進的地方，可以從教師的教學效果和學校的實驗教學環境、學生的自主學習能力，還有學生的創新潛質等方面總結其改革意義。

2.1 改善了教師的教學效果和學校的實驗教學環境

采用虛擬現實技術的實驗教學，在教師的指導下，學生可以通過網絡資源拓展自己的眼見，豐富自己的專業知識，因此，教師的教學效果會有顯著提升。另一方面，基于虛擬現實技術，可以豐富實驗設備資源，讓實驗課的開設不在受實驗儀器的約束，一定程度上緩解了學校經費緊張的問題。同時，實驗教學環境也會得到改善。

2.2 提高學生的自主學習能力

基于虛擬現實技術的實驗，其實驗構想是開源的。在虛擬現實實驗環境中，學生進行設計創新能得到有效保證。比如，學生可以在虛擬實驗平臺上大膽的設計桿組組件，平時在課本上學習的基本原理可以在實驗平臺上得到驗證，讓所學的知識不在是書本上固定不變的定理，而是轉變為虛擬環境中的物體。這不但可以幫助學生理解枯燥的幾何理論知識，重要地是，可以激發學生的學習興趣，提高學生的自主學習能力。

2.3 激發學生的創新潛質

隨著實驗教學環境的改善和學生的自主學習能力的提高，學生在創新設計方面的能力就會展現出來。良好的基礎條件是創新的必備因素。基于虛擬現實技術的實驗，保障了學生在機械產品創新時的基礎條件，可以為學生提供豐富地實驗設備資源和廣泛地科學知識，還有與行業專家探討的交流機會。因此，通過這些條件，學生的創新潛質會被激發，創新能力會大大地提高。

3 結語

基于虛擬現實技術的機械產品創新設計實驗，打破傳統的實驗方法，用戶可以不受時間、空間的約束隨時進行機械產品創新設計實驗，具有便捷性。通過實驗教學改革，學生可以將自己大膽的設計構想進行實驗驗證，滿足學生好奇心的同時，還能夠激發創新潛能，使得學生的創新設計能力提升。

參考文獻：

[1]周曉玲，汪中厚.基于虛擬仿真技術的平面機構創意組合實驗的教學改革[J].上海理工大學學報（社會科學版），2017.39（1）：79-82.

[2]田力，范秀敏，劉振峰，等.創新機構拼裝與運動學仿真虛擬實驗平臺研究[J].實驗技術與管理，2015.32（2）：131-135.

[3]周世杰，吉家成，王華.虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐[J].計算機教育，2015（9）：5-11.

[4]傅招國，王天威，倪小鵬，等.基于Virtools的虛擬現實技術及在特種設備教學中的應用[J].計算機工程與科學，2012.34（6）：97-101.

[5]王辭曉，李賀，尚俊杰.基于虛擬現實和增強現實的教育游戲應用及發展前景[J].中國電化教育，2017（08）：99-107.

[6]王同聚.虛擬和增強現實（VR/AR）技術在教學中的應用與前景展望[J].數字教育，2017（01）：1-10.

基金項目：西安工業大學研究生教育教學改革研究項目（XAGDYJ170204）

作者簡介：白瑀（1975-），男，漢族，陜西西安人，西安工業大學，副教授，博士，研究方向：機械系統設計，虛擬現實技術。