虛擬仿真技術(shù)在機械類課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

陳輝

摘要：虛擬仿真技術(shù)對實驗教學(xué)是一項重要的支撐技術(shù)，通過分析機械類課程的教學(xué)現(xiàn)狀，提出采用虛擬教學(xué)的方法改善現(xiàn)有實驗教學(xué)的不足，提升教學(xué)效果。并通過虛擬教學(xué)實驗中心的建設(shè)，探討虛擬仿真技術(shù)在機械類課程教學(xué)中的應(yīng)用方法。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；機械課程；虛擬教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）03-0124-02

作為高等院校的機械類專業(yè)，其人才培養(yǎng)的目標是培養(yǎng)出面向生產(chǎn)、管理、服務(wù)一線需要的高端技能型人才。機械類課程普遍具有理論和實踐相結(jié)合的特點，因此在教學(xué)過程中需要學(xué)生操作和實驗的課程較多。但是，實驗設(shè)備的更新速度和數(shù)量畢竟是有限的，難以滿足全部的教學(xué)需求，這就需要我們探索新的教學(xué)方法。

一、機械類課程教學(xué)現(xiàn)狀

機械類課程的教學(xué)，在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，理論課與實驗課是分離的，課堂與實驗室也是分離的，學(xué)生在理論課中理解不到位，而在實驗課中又容易忘記理論，這樣導(dǎo)致了學(xué)生的知識掌握不扎實。并且，一般實驗過程是按照指導(dǎo)書要求的步驟進行的，實驗參數(shù)不能任意改動，學(xué)生在動手過程中不能真正地參與到思考活動中。隨著教學(xué)改革的發(fā)展，出現(xiàn)了一些新型的教學(xué)模式，如“項目教學(xué)”“教、學(xué)、做”一體化等[1]。通過制作一些實際的機械零件，然后在上面進行安裝、試驗和調(diào)試，大大提高了學(xué)生的動手能力。但是實際操作時要受到設(shè)備數(shù)量、安全等方面的限制，而且時間長，占用課時多，成本較高。

二、虛擬教學(xué)方法概述

虛擬教學(xué)利用實物和計算機軟件共同模擬出真實的情境，讓學(xué)生在模擬的情境下進行探究和學(xué)習(xí)。虛擬教學(xué)不完全是虛擬環(huán)境，虛實結(jié)合才能更好地發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的優(yōu)勢。使虛擬教學(xué)方法生動形象，更接近現(xiàn)實工作場景，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生在短時間內(nèi)進入相應(yīng)情境，真實地體驗在現(xiàn)實生活中進行操作的感覺，以達到更快掌握知識和技能的目的[2]。而且這種教學(xué)方法可以利用計算機軟件的優(yōu)勢創(chuàng)造出靈活多樣的實驗過程，有利于加深學(xué)生對知識的理解。虛擬教學(xué)方法不僅僅是使用虛擬仿真技術(shù)進行教學(xué)，還要和其他教學(xué)活動有機地結(jié)合在一起，才能發(fā)揮虛擬教學(xué)的效果[3]。

虛擬教學(xué)以其高效率、低成本、內(nèi)容豐富、性能有效和安全等優(yōu)勢得到越來越多的應(yīng)用和推廣。有的教師將“項目教學(xué)”“教、學(xué)、做”一體化和虛擬仿真教學(xué)的方法結(jié)合起來，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點，得到更好的教學(xué)效果[4]。

虛擬教學(xué)很容易與其他先進的教學(xué)方法相結(jié)合。因此在機械類課程的教學(xué)中，將虛擬教學(xué)與其他教學(xué)方法相結(jié)合有助于提高課程教學(xué)效果，而且成本低、效率高，使學(xué)生可以不受場地與設(shè)備的限制，掌握更多的技能，在機械類課程教學(xué)中具有重要的意義[5]。

三、虛擬仿真教學(xué)實驗中心的建設(shè)

根據(jù)高等院校在機械類專業(yè)教學(xué)中的實際情況，探索一系列切實可行的虛擬教學(xué)方案。結(jié)合學(xué)校的教學(xué)要求，建設(shè)了機械工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心。實驗中心按照“設(shè)計—仿真—實踐”教學(xué)模式，將力學(xué)、機械設(shè)計、機械原理、機械制造、材料制備與仿真計算進行有機融合，訓(xùn)練學(xué)生的建模能力和計算分析能力，再通過覆蓋的實驗中心按專業(yè)要求進行實踐驗證和強化，有效地提高了學(xué)生工程實踐的水平。

1.堅持“面向工程，面向應(yīng)用”，通過數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、開放性實驗平臺，進行虛擬仿真應(yīng)用型人才培養(yǎng)。

虛擬仿真教學(xué)中心結(jié)合我校的辦學(xué)思想，在網(wǎng)絡(luò)交互式平臺上，以工程特色為本，面向行業(yè)，服務(wù)全省，培養(yǎng)虛擬仿真應(yīng)用型人才。在實際教學(xué)過程中，由于條件限制，有很多實驗都難以開出或現(xiàn)實狀況還無法再現(xiàn)，比如發(fā)動機裝配、變速箱參數(shù)化模塊化組裝實驗、機構(gòu)受力變形等，還有構(gòu)件應(yīng)力分布這些難以直觀看到的問題，通過虛擬仿真實驗的開展，以原理演示、動畫仿真、作用機理仿真、虛擬測試來解決上述問題，將工程問題通過虛擬的場景再現(xiàn)，創(chuàng)造一個虛擬真實的環(huán)境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新潛力。

2.堅持以項目為驅(qū)動的虛擬仿真教學(xué)，鼓勵學(xué)生自主研發(fā)和創(chuàng)新設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生團隊協(xié)作和工程素養(yǎng)。

學(xué)生的任何一個綜合實驗項目都是一個準工程性的課題，即以工程項目的形式對學(xué)生進行綜合虛擬仿真教學(xué)和要求。面對實際的工程問題，學(xué)生更能激發(fā)創(chuàng)新思維和學(xué)習(xí)動力，通過學(xué)科競賽和創(chuàng)新學(xué)分，鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計和創(chuàng)新，以學(xué)生團隊和導(dǎo)師負責(zé)制相結(jié)合的方式，全面提升大學(xué)生團隊合作精神和工程意識。同時，中心組織對軟件開發(fā)有興趣的教師和學(xué)生，組建一支團結(jié)年輕有朝氣的虛擬仿真開發(fā)團隊，對新的實驗項目進行開發(fā)，并與企業(yè)保持良好合作渠道，自主研發(fā)適合本校學(xué)科發(fā)展需要的專業(yè)化仿真軟件。同時，通過這個途徑，鼓勵學(xué)生進行大膽創(chuàng)新，敢想、敢做，從硬、軟兩個方面訓(xùn)練了學(xué)生工程實踐能力，培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)，樹立工程觀念。

3.堅持“教—學(xué)—研—用”結(jié)合，為學(xué)生提供工程實踐應(yīng)用平臺。一方面，通過科研項目、學(xué)科競賽和綜合創(chuàng)新訓(xùn)練項目，運用虛擬實驗平臺，引導(dǎo)學(xué)生進行大膽創(chuàng)新，引入?yún)?shù)化設(shè)計和模塊化設(shè)計理念，在虛擬環(huán)境下對設(shè)計作品或產(chǎn)品進行設(shè)計評估和改進，在獲得實驗驗證的基礎(chǔ)上，進行工程制造、裝配、調(diào)試。學(xué)生設(shè)計的作品有的搬上了教學(xué)講臺進行示范教學(xué)，有的通過申報專利正在進行知識成果的轉(zhuǎn)換，因此，虛擬化教學(xué)過程在這種教研轉(zhuǎn)換中扮演了舉足輕重的角色。另一方面，中心通過虛擬實驗平臺，鼓勵和引導(dǎo)師生開展互換性、裝配、測試測量技術(shù)的虛擬研究，對動力機械相關(guān)產(chǎn)品的測試檢測工作，例如內(nèi)燃機、水泵機器等，向外輻射，對外服務(wù)，也讓學(xué)生在虛擬學(xué)習(xí)中了解實際工程的需要和技術(shù)要求。這些舉措是虛擬仿真教學(xué)緊跟時代和工程企業(yè)的實際需求，使學(xué)生所學(xué)具有鮮明的工程應(yīng)用特征。

四、結(jié)語

教學(xué)的核心，在于充分鼓勵學(xué)生親自動手進行探索與實踐。而實驗是培養(yǎng)創(chuàng)造性思維，傳播科學(xué)思想和科學(xué)的有效方法。以往由于實驗室各種軟硬條件的限制，這一點往往是最難實現(xiàn)或者代價最大的。而采用虛擬仿真技術(shù)進行的虛擬實驗，可以節(jié)約成本，突破實驗教學(xué)在時間和空間上的限制，提高學(xué)習(xí)者的自主性和創(chuàng)新性，充分發(fā)揮計算機技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，成為對傳統(tǒng)教學(xué)方式的有力補充。同時降低誤操作的危害與損失，為學(xué)生提供實用的知識與技能?？傊摂M仿真技術(shù)在機械專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用前景十分廣闊，通過網(wǎng)絡(luò)，學(xué)生可以隨時進行實驗。并且隨著技術(shù)的發(fā)展，資源共享，更多的學(xué)生都能享受到虛擬技術(shù)帶來的教學(xué)體驗。

參考文獻：

[1]吳涓.東南大學(xué)機電綜合虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)規(guī)劃思路與進展[J].實驗技術(shù)與管理，2014，10（31）：5-9.

[2]廖潔丹，婁華冼，瓊珍，蓋作啟，唐陸平，顧萬軍.構(gòu)建虛擬仿真實驗教學(xué)中心 促進實踐教學(xué)創(chuàng)新人才培養(yǎng)[J].教育教學(xué)論壇，2017，（35）：276-278.

[3]陳萍，創(chuàng)新性、前沿性、工程性的虛擬仿真教學(xué)體系。周會超，周虛.構(gòu)建虛擬仿真實驗平臺，探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式[J].實驗技術(shù)與管理，2011，28（03）：277-280.

[4]杜一寧.虛擬實驗的研究現(xiàn)狀以及在教學(xué)中的意義[J].浙江海洋學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，4（29）：390-393.

[5]王曉迪.虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)中八項關(guān)系的理解與探討[J].實驗技術(shù)與管理，2014，8（31）：9-11.