虛擬實(shí)驗平臺在“機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)”實(shí)踐環(huán)節(jié)中的應(yīng)用研究

[摘 要] “機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)”是高等院校非機(jī)械類專業(yè)以及機(jī)電類專業(yè)開設(shè)的一門非常重要的技術(shù)基礎(chǔ)課。實(shí)驗是機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)的一個重要組成部分。提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，有利于幫助學(xué)生深入理解理論知識。通過對虛擬實(shí)驗平臺應(yīng)用于“機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)”的實(shí)踐環(huán)節(jié)，獲得很好的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞] 虛擬實(shí)驗平臺;機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ);實(shí)踐環(huán)節(jié)

[基金項目] 本文系2016年國家自然科學(xué)基金青年項目“固體氧化物燃料電池連接體合金/涂層界面的電致擴(kuò)散機(jī)理研究”（51601173）資助

[作者簡介] 張文穎（1986—），女，湖北武漢人，工學(xué)博士，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）機(jī)械與電子信息學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事固體? ? ? 氧化物燃料電池研究。

[中圖分類號] G642.0 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2020）34-0145-02 ? ? [收稿日期]2019-09-20

一、“機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)”實(shí)踐環(huán)節(jié)的現(xiàn)狀

“機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)”是高等院校非機(jī)械類專業(yè)以及機(jī)電類專業(yè)的基礎(chǔ)課程。該課程具有內(nèi)容多、概念多、符號多、公式多的特點(diǎn)，而近機(jī)類和非機(jī)類專業(yè)的學(xué)生接觸機(jī)械相關(guān)課程比較少，缺乏認(rèn)知，因此學(xué)生理解起來非常困難。

實(shí)驗是機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)的一個重要組成部分，是學(xué)生理論知識與實(shí)踐的一個有機(jī)結(jié)合。通過實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生能夠充分發(fā)揮其主體的作用，進(jìn)一步深刻理解復(fù)雜理論知識，提升課堂教學(xué)質(zhì)量。

但傳統(tǒng)的實(shí)驗受制于實(shí)驗室場地的大小、設(shè)備多少，在很大程度上影響到教師講授和學(xué)生學(xué)習(xí)的質(zhì)量。因此，結(jié)合“機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)”課程的實(shí)驗需要，虛擬實(shí)驗平臺對于突破傳統(tǒng)實(shí)驗室在時間空間的限制是很有必要的[1，2]。再者，老師進(jìn)行實(shí)物教學(xué)之前，學(xué)生通過虛擬實(shí)驗平臺進(jìn)行模擬實(shí)驗有利于理解相關(guān)的知識點(diǎn)和操作步驟，以期獲得更好的教學(xué)效果。

二、“機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)”的虛擬實(shí)驗平臺

虛擬實(shí)驗平臺首先必須滿足實(shí)驗教學(xué)的需要，這有利于學(xué)生借助虛擬實(shí)驗對象更快速有效地學(xué)習(xí)實(shí)驗原理、掌握試驗方法以及熟悉實(shí)驗技能，從而提高實(shí)驗教學(xué)效率和學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力[3]。其次可以作為課堂實(shí)驗教學(xué)的延伸。課堂的實(shí)驗教學(xué)受限于時間和地點(diǎn)等客觀條件，而虛擬環(huán)境的使用能夠讓學(xué)生不受時間和地點(diǎn)的限制隨時隨地在網(wǎng)頁或者移動端實(shí)現(xiàn)對平臺內(nèi)各虛擬實(shí)驗室中的設(shè)備及對象進(jìn)行操作，以達(dá)到課堂實(shí)驗教學(xué)的效果。最后，虛擬實(shí)驗可以解決實(shí)驗設(shè)備損壞未及時修復(fù)、臺數(shù)不足的問題，并一定程度上節(jié)約了實(shí)驗成本。

虛擬平臺的設(shè)計包括虛擬實(shí)驗室登錄界面和實(shí)驗系統(tǒng)界面。實(shí)驗登錄界面一方面用于防止非授權(quán)用戶進(jìn)入，另一方面便于教師查看學(xué)生實(shí)驗數(shù)據(jù)。實(shí)驗系統(tǒng)界面主要包括實(shí)驗選擇、實(shí)驗教學(xué)管理和幫助。實(shí)驗選擇按照機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)實(shí)驗主要包括典型機(jī)構(gòu)認(rèn)知實(shí)驗、機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖測繪實(shí)驗、典型機(jī)械零件認(rèn)知實(shí)驗、軸系零件的搭接實(shí)驗以及減速器拆裝實(shí)驗等。虛擬實(shí)驗的實(shí)現(xiàn)：借助3D模型。針對機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)中若干個具有代表性的機(jī)構(gòu)或機(jī)器模型，運(yùn)用軟件的三維建模功能使得機(jī)構(gòu)或機(jī)器模型能夠在計算機(jī)中虛擬實(shí)驗平臺中展示。以減速器的拆裝實(shí)驗為例，其中需要包含減速器的功能說明、工作原理以及實(shí)際應(yīng)用介紹;減速器的各零部件展示以及文字提示，如名稱、功能以及設(shè)計原則;借助交互性以實(shí)現(xiàn)減速器裝配和拆卸的實(shí)驗過程，如安裝邏輯順序、糾錯提示等。最后還要包含實(shí)驗方法的說明或者幫助、實(shí)驗報告填寫以及生成，以及線下實(shí)驗預(yù)約和實(shí)驗安排等功能。實(shí)驗教學(xué)管理一方面提供教師進(jìn)行實(shí)驗報告評閱、成績評價、在線反饋和答疑以及總結(jié)的功能，另一方面管理員具有對新教師和新學(xué)生的注冊，以及新實(shí)驗?zāi)K的審批的授權(quán)功能。

虛擬實(shí)驗平臺的實(shí)現(xiàn)利用Solid works和3D Max進(jìn)行高仿真建模，隨后將模型導(dǎo)入Unity 3D中利用Unity 3D進(jìn)行場景搭建和動畫仿真。接著通過Unity 3D自帶的語言編輯系統(tǒng)，建立人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗操作和操作介紹等功能。最后優(yōu)化程序以及人機(jī)交互界面，投放至電腦端或者移動端即可在實(shí)現(xiàn)對減速虛擬實(shí)驗的相應(yīng)實(shí)驗操作。虛擬實(shí)驗具有很大的靈活性，不需要依賴于實(shí)驗硬件，可以隨時隨地進(jìn)行實(shí)驗，這節(jié)省了人力、物力，極大提高了實(shí)驗的效果[4]。

三、虛擬實(shí)驗平臺在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的作用

（一）改善實(shí)踐教學(xué)手段

受到各種條件的限制，往往面臨實(shí)驗設(shè)備匱乏的問題，這就導(dǎo)致很多機(jī)械設(shè)計的實(shí)驗無法在實(shí)驗室內(nèi)進(jìn)行，而理論教學(xué)又太過于抽象枯燥，這時就需要運(yùn)用虛擬實(shí)驗技術(shù)。在計算機(jī)上建立一個虛擬的實(shí)驗平臺，學(xué)生可以隨時在計算機(jī)上模擬各種實(shí)驗。虛擬實(shí)驗操作簡潔明快，豐富的人機(jī)交互以及動畫演示可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

以機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖測繪實(shí)驗為例：通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕可實(shí)現(xiàn)各種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動;通過鼠標(biāo)拖拽可以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的視角的變換和放大與縮小;通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊測量按鈕可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件運(yùn)動尺寸的測量;通過畫板功能按照運(yùn)動副的位置和一定的比例繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖，最后進(jìn)行機(jī)構(gòu)自由度的計算和報告輸出。實(shí)驗者能夠在所設(shè)計的虛擬實(shí)驗平臺中進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的觀察、構(gòu)件運(yùn)動尺寸的測量、機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖繪制、機(jī)構(gòu)自由度計算和報告輸出等功能。

虛擬實(shí)驗平臺不僅可以完美展示機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，還可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗數(shù)據(jù)的測量和簡圖的繪制，并且系統(tǒng)具有報錯提示的功能，學(xué)生可以根據(jù)相關(guān)提示信息不斷反復(fù)的深入理解相關(guān)知識點(diǎn)，直到順利地完成實(shí)驗。

（二）創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式

傳統(tǒng)的實(shí)驗教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生往往在老師的指導(dǎo)下按部就班地完成實(shí)驗，完全處于被動狀態(tài)，這種教學(xué)模式根本無法激發(fā)學(xué)生主動參與實(shí)驗過程的積極性，并且不能將所學(xué)的機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)理論知識點(diǎn)與機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)實(shí)驗項目有效結(jié)合起來。在整個實(shí)驗教學(xué)中，教學(xué)模式不具備創(chuàng)新性，學(xué)生更是沒有機(jī)會開展自主探究式學(xué)習(xí)，這樣的教學(xué)模式對培養(yǎng)學(xué)生的綜合創(chuàng)新設(shè)計能力并沒有實(shí)質(zhì)性的幫助。而完全依靠虛擬實(shí)驗平臺教學(xué)的方式，又難免讓學(xué)生缺少激勵和鞭策而自我懈怠。

因此，采用實(shí)物實(shí)驗和虛擬實(shí)驗相結(jié)合的教學(xué)模式進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)將極大地提高教學(xué)的有效性。虛擬實(shí)驗安排在實(shí)物實(shí)驗的之前，有利于學(xué)生進(jìn)行模擬實(shí)驗開展有效的預(yù)習(xí)，從而保證實(shí)物教學(xué)的高效性;實(shí)物實(shí)驗后再一次進(jìn)行虛擬實(shí)驗，則有利于課下學(xué)生以加深理解和鞏固所學(xué)的知識點(diǎn)。

四、虛擬實(shí)驗平臺在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的意義

虛擬實(shí)驗平臺改變傳統(tǒng)的實(shí)驗教學(xué)手段，對教師改進(jìn)教學(xué)方法、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、提升課堂的有效性具有重要意義;虛擬實(shí)驗平臺彌補(bǔ)實(shí)驗硬件和軟件的不足，優(yōu)化了教學(xué)資源的配置，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)資源的共享;虛擬實(shí)驗平臺豐富了教學(xué)資源。為學(xué)生提供更加形象生動直觀的學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣;虛擬實(shí)驗平臺有利于學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

五、結(jié)語

虛擬實(shí)驗平臺對機(jī)械類、近機(jī)械類和非機(jī)械類本科生的實(shí)踐教學(xué)具有很大的應(yīng)用價值。不僅有利于教師和學(xué)生更加靈活的安排實(shí)驗時間，還有助于學(xué)生利用該虛擬平臺進(jìn)行相關(guān)知識點(diǎn)的預(yù)習(xí)，減少教學(xué)時間成本，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，并且通過與軟件預(yù)先設(shè)定的功能進(jìn)行必要的人機(jī)互動，進(jìn)一步起到深刻理解知識點(diǎn)的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]常金光，顧若陽，孟麗麗，郭帥，李鵬.基于Unity 3D的機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)虛擬實(shí)驗平臺設(shè)計[J].機(jī)械工程師，2017（2）：95-97.

[2]郭帥，孟麗麗，常金光，顧若陽，李鵬，任方超.基于web的虛擬實(shí)驗平臺的設(shè)計[J].黑龍江科技信息，2016（28）：105-106.

[3]梁俊斌，蔣嬋.利用虛擬實(shí)驗培養(yǎng)獨(dú)立學(xué)院學(xué)生創(chuàng)新思維的研究[J].廣西教育，2011（4）：27-28.

[4]徐春明，周艷，孫瑛，蔣國璋，李公法.機(jī)械設(shè)計實(shí)驗教學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐[J].大學(xué)教育，2018（12）：49-51.