“新工科”背景下工程機械類虛擬仿真實驗教學資源建設

劉 磊，張嘉鷺

（1.徐州工程學院 機電學院，江蘇 徐州 221000；2.江蘇師范大學 軌道交通信息與控制國家級虛擬仿真實驗教學中心，江蘇 徐州 221000）

實驗教學是“新工科”專業培養創新型人才的重要途徑，云計算、“互聯網+”、虛擬現實等現代信息技術為“新工科”實驗教學提供了全新的教學手段[1-3]。2017年4月，教育部高教司發布的《“新工科”建設行動路線（“天大行動”）》中明確指出：“充分利用虛擬仿真等技術創新工程實踐教學方式”，由此可見，基于現代信息技術的虛擬仿真實驗資源已成為高校實踐教學的重要組成部分，并在“新工科”專業建設中發揮著越來越重要的作用。

工程機械專業傳統實驗方法存在成本高、耗時長、效率低等問題，學生難以在短時間內對大型工程機械的結構特征形成感觀認知，更難以掌握工程機械復雜的運用方式、檢修工藝和設計方法[4]。因此，在“新工科”背景下，如何借助虛擬仿真技術建設實驗教學資源，進而提升實驗教學質量，成為當前工程機械專業建設和發展過程中亟需解決的問題。

1 建設意義

建設工程機械類虛擬仿真實驗教學資源并在線開放，可有效推進現代信息技術融入工程機械專業實驗教學，進而拓展實驗教學的廣度和深度、延伸實驗教學的時間和空間[5-8]，對改進現有實驗教學方法具有較大意義。具體體現在以下3個方面。

（1）降低實驗教學成本。工程機械專業實體實驗設備極為昂貴，安裝、維護過程繁瑣，且不能模擬異常工況。而參照高精度工程圖紙建設工程機械類虛擬仿真實驗教學資源，可有效緩解實驗設備購置經費短缺、實驗用房緊張等問題[9]。且實驗資源的更新換代僅須在服務器中重新部署軟件即可，可以顯著降低實驗教學成本[10]。

（2）優化實驗教學資源。基于 B/S架構建設的工程機械類虛擬仿真實驗教學資源，可在根本上解決 C/S架構資源僅能單機使用的問題，所有實驗項目均可遠程在線學習、操作和考核，學生不必受制于實驗設備、實驗時間和實驗分組等，借助計算機和互聯網即可完成實驗。學習者還可通過網絡共享平臺實現復雜困難實驗的異地分布式多人協同作業，達到了實驗教學資源優化與開放共享的目的[10-12]。

（3）提高實驗教學效果。工程機械體積龐大，零部件數以萬計，若通過實體實驗設備進行教學，則存在內部結構不易觀察、裝配關系難以理解、異常工況無法再現等問題，教學效果難以保證。而通過虛擬仿真技術建立的工程機械交互式三維模型可輕松實現復雜設備透視化、裝配關系動態化，并通過參數變換功能實現不可及、不可逆工況的模擬[13]。

2 建設內容

（1）構建“一心四環”的教學資源體系。本實驗教學資源立足工程機械領域，采用數字虛擬仿真、人機交互等先進的教育信息化技術，以“工程機械實驗資源”為中心，構建模擬操作、結構裝配、液壓原理和性能測試4個方面的虛擬仿真實驗教學資源，單個教學資源又可分為若干實驗項目，形成“一心四環”的實驗教學體系，如圖1所示。

圖1 虛擬仿真教學資源體系

（2）搭建基于“互聯網+”的共享機制。本實驗教學資源基于Web GL技術開發，以Unity 3D為三維引擎，通過 B/S架構將虛擬仿真實驗教學軟件部署在服務器上，配合 SQL Server、Oracle等數據庫軟件，用戶僅需安裝瀏覽器（如火狐、谷歌瀏覽器等）即可通過互聯網訪問服務器內的教學資源。由于所有客戶端均統一為Web瀏覽器，因此在無須安裝任何其他軟件的前提下即可進行虛擬仿真實驗，最大程度上實現資源共享的功能。網絡共享機制如圖2所示。

圖2 網絡共享機制

（3）建立“三位一體”的網絡共享平臺。依托我校“工程機械檢測與控制”江蘇省高校重點實驗室，搭建開放共享的網絡教學平臺，對所建設的虛擬仿真實驗教學資源加以整合及數據接入。依次建立針對學生的實驗教學平臺、針對企業職工的實踐培訓平臺和針對教師的科研服務平臺。3個平臺功能聯動、相輔相成，形成一體化相互推動關系。同時，優化平臺技術體系，建立統一的接口標準，促進虛擬仿真共享平臺和實驗項目的無縫對接與互相支撐。共享平臺架構如圖3所示。

圖3 共享平臺架構

（4）探索“優化再生、持續提升”的管理模式。首先，搭建科學的績效評價體系和完善的服務支撐體系，依托虛擬仿真網絡共享平臺，對在線開放的虛擬仿真實驗教學項目實施動態評價制度；其次，采用有償使用原則，引入市場力量探索“互補互利、成本均攤、服務有償、收益共享”的運行模式[14]，以促進實驗教學資源優化再生和持續提升；最后，在主管部門指導下，采取“統一管理、統籌規劃、資源共享、有效利用”的管理模式，實現工程機械虛擬仿真實驗教學資源的科學高效管理。運行與管理機制架構如圖4所示。

圖4 運行與管理機制架構圖

3 建設成果

近3年，我校已開發工程機械類虛擬仿真實驗教學資源共計7套。本文以“挖掘機驅動系統虛擬仿真實驗教學資源”為例進行介紹。該資源共包含“挖掘機模擬操作”“挖掘機結構裝配”“挖掘機液壓系統搭建”及“挖掘機性能測試”等4個虛擬仿真項目。

（1）挖掘機模擬操作。該實驗主要考查學生對挖掘機基本操作的掌握程度，以及手柄操作方向與挖掘機相應動作的對應關系，使學生能靈活根據需要完成挖掘機的復合動作。為使學生習慣交互式操作界面，特別設置了練習模式和考核模式。考核模式界面如圖 5所示，在圖中上方紅框區域內，有操作時間計時、操作步驟計數及當前的實驗分數，學生綜合操作左操作手柄和操縱桿，完成挖掘機的沙土裝料、運輸、倒料和回原位等工作。

圖5 模擬操作實驗界面

（2）挖掘機結構裝配。該實驗項目主要考查學生對挖掘機結構和關鍵元件安裝位置的了解。實驗的操作分數主要以元件放置位置的準確性和操作時間來評價。交互界面上有時間進度條，在平均時間以內完成的，成績合格，時間越短分數越高；反之，在平均時間以上的，建議返回“實驗內容”重新學習。實驗界面如圖6所示。

圖6 結構裝配實驗界面

（3）挖掘機液壓系統搭建。該實驗項目主要考查學生對挖掘機各工作機構的液壓控制回路的掌握，加強學生對液壓元件圖形符號、作用及液壓基本回路的認識和使用。該實驗的評價采用操作準確性和操作時間來判定，界面上方有時間進度條。另外，為了避免單純的元件拖動帶來的枯燥感，當學生完成一個回路操作后，系統會根據學生操作準確度，給予一定的分數或五角星獎勵，并隨機出現鼓勵語言，增加趣味性。液壓系統建模交互界面如圖7所示。

圖7 液壓系統建模交互界面

（4）挖掘機性能測試。該實驗項目主要考查學生對液壓調速回路特性的掌握，以及調速回路在實際液壓設備中的應用和具體體現，學會對液壓系統的壓力信號及執行元件的位移進行采集及顯示等。該實驗分為兩部分：一部分是多路閥開口度對動臂上升速度的影響；另一部分是負載對動臂上升速度的影響。實驗操作也具有計時功能，一方面用以評價學生的實驗成績，另一方面也便于統計學生完成實驗的時間，便于后續對實驗軟件進行優化。動臂控制系統性能測試實驗界面如圖8所示。

圖8 動臂控制系統性能測試交互界面

4 結語

我校地處“中國工程機械之都”徐州，毗鄰徐工集團、卡特彼勒、海倫哲等國內外知名工程機械類企業，所建設的虛擬仿真實驗教學資源已提供給周邊高校及上述企業共享使用。3年以來，已為徐州工程學院培養畢業生 1 800余人，為中國礦業大學、徐州工業職業技術學院、徐州技師學院等周邊高校培養學生1 600余人，為徐工挖掘機事業部、裝載機事業部、起重機事業部等企業培訓職工500余人。已開出校內實驗27 000余人時數，開出校外實驗35 000余人時數。

通過對虛擬仿真實驗教學資源的深入推廣，使在校學生及新入職員工的專業技能和解決實際問題的能力得到顯著提升，實現了虛擬仿真實訓與工程實踐的無縫對接，可為“新工科”虛擬仿真實驗教學資源的建設提供參考。