多維協(xié)同虛擬仿真創(chuàng)新實踐教學體系構建

王志瓊， 劉廣武， 劉津彤， 劉繼明， 黃 瑩， 周淑紅

（吉林大學機械與航空航天工程學院，長春 130022）

0 引 言

“新工科”需要進行科學、人文與工程的交叉融合，需要以培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才為目標，需要從經(jīng)驗主義轉(zhuǎn)向?qū)嵅賹嵱枺瑥膶W習結果（即考試成績）走向能力養(yǎng)成［1-3］。而在機械與航空航天專業(yè)傳統(tǒng)實踐教學體系中，存在著實驗對象多為復雜機械機構但實驗學時與模型數(shù)量有限、大型和高成本設備無法廣泛應用、開放性和創(chuàng)新性實驗占比較低、實習實訓存在安全隱患等問題。這些問題表明傳統(tǒng)的實踐教學模式難以滿足“新工科”對高校人才培養(yǎng)提出的新要求，無法跟上高校“新工科”建設的步伐，急需轉(zhuǎn)型。

虛擬仿真是繼“互聯(lián)網(wǎng)＋教育”之后的“智能＋教育”技術，是一種新的教育生產(chǎn)力。信息技術、智能技術與實驗教學的深度融合可破解高等學校實驗、實習、實訓中的老大難問題，解決原先“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的問題［4］。

近幾年，國內(nèi)高校各個學科領域積極響應教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》文件精神，著力于虛擬仿真實驗教學平臺和虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)的設計與建設［5-12］。我校機械與航空航天工程學院在原來國家級機械基礎實驗教學示范中心的基礎上進行優(yōu)化組合，組建機械虛擬仿真實驗教學中心，并開發(fā)設計了虛擬仿真實驗教學平臺。中心2015年入選為國家級機械虛擬仿真實驗教學示范中心。為進一步拓寬實踐教學的深度和廣度，持續(xù)提高學生的自主創(chuàng)新能力，讓學生早接觸早了解現(xiàn)代信息新技術，中心購置多種虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)，如何開發(fā)“新工科”背景下的虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)并應用于本科教學，成為急需解決的問題。應這樣的教學需求建立了多維協(xié)同虛擬仿真創(chuàng)新實踐課程群，構建了多維協(xié)同虛擬仿真創(chuàng)新實踐教學體系，為學生適應現(xiàn)代社會發(fā)展需求及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)奠定良好基礎。

1 創(chuàng)新實踐教學體系構建思路

根據(jù)“新工科”多元化、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)理念，結合新版本科教育培養(yǎng)方案和機械工程學科特點，實施以“創(chuàng)新模式、重構體系、筑建平臺、逐級提升”為主線的一系列實踐教學改革。

依托兩個國家級實驗教學示范中心和科研平臺，以機械工程專業(yè)主干學科的核心課程為體系主線，以機械基礎實驗教學中心實踐教學的系列課程為建設核心，開發(fā)基于工程類“工程圖學（大一）、機械原理（大二）、機械設計（大三）、機械精度設計基礎（大三）、機械制造技術基礎（大三）”5大理論課程所要求學歷水準的“虛擬仿真實驗、虛擬現(xiàn)實實驗、虛實結合實驗、開放創(chuàng)新實驗”四位一體的創(chuàng)新實踐教學課程體系，如圖1所示。

圖1 創(chuàng)新實踐教學體系依托平臺

應用虛擬仿真實驗教學平臺和DVS3D虛擬現(xiàn)實實踐教學系統(tǒng)，搭建虛擬仿真創(chuàng)新實踐教學平臺，構建培養(yǎng)階段3層次“基礎→專業(yè)→創(chuàng)新”、課程層級遞進式“1→2→3→4級”、教學方式混合式“虛擬仿真→虛擬現(xiàn)實→物理空間”的多維協(xié)同虛擬仿真創(chuàng)新實踐教學體系，如圖2所示。該體系旨在拓寬學生視野，優(yōu)化知識結構，提高學生應用新技術的能力，綜合設計能力和創(chuàng)新能力，為國家培養(yǎng)基礎理論扎實的創(chuàng)新型人才。

圖2 創(chuàng)新實踐教學體系構建思路

2 遞進式實踐課程群建設

圖3 實踐課程群梯級建設方案

按照創(chuàng)新實踐教學體系構建思路，以典型零部件為載體，構建4層級遞進式的6項虛擬仿真創(chuàng)新實踐實驗教學項目，如圖3所示。從三維構圖、設計方案解析、系統(tǒng)性能測試、加工制造過程、制造工藝到裝配精度的機電產(chǎn)品自然設計流程，以多維度的專業(yè)視角，借助CAD／CAM和虛擬仿真、虛擬現(xiàn)實技術，協(xié)同多項現(xiàn)代工業(yè)技術和信息技術，設計開發(fā)獨立設課的機械工程綜合實驗Ⅴ實踐課程群，同時開設開放性創(chuàng)新實驗項目。通過增加選修課程和開放性創(chuàng)新項目的內(nèi)容及數(shù)量，深化和擴展實踐教學資源，提高教學維度和深度，培養(yǎng)適應現(xiàn)代社會發(fā)展需求、具有扎實理論基礎和寬廣專業(yè)視野的工程專業(yè)人才。

制定實踐課程群內(nèi)涵建設大綱，包括實踐課程層級、典型實驗教學項目名稱、編號、學時、開設年級、教學方式、服務理論課程、培養(yǎng)目標等信息，如表1所示。通過進一步確立實驗教學大綱，撰寫實驗指導書，使其成為整個教學培養(yǎng)方案中的一個訓練模塊，具有完整性、先進性、綜合設計性，自成體系。

表1 實踐課程群內(nèi)涵建設大綱

2.1 實踐課程群1級內(nèi)涵建設

實踐課程群的第1級為運用虛擬仿真實驗教學平臺的機械零件三維剖析實驗。其建設內(nèi)涵為遵循工程圖學的認知規(guī)律，把投影與視圖、形體分析與構型設計結合。開發(fā)典型機械零件的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，實現(xiàn)對典型機械零件三維模型的任意剖切、展示剖面等功能。基于虛擬仿真實驗教學平臺設計制作機械零件多角度剖面及投影虛擬仿真實驗，建立機械零件的教學數(shù)據(jù)庫，利用虛擬仿真軟件系統(tǒng)完成二維圖形和三維零件剖切面的對應，讓學生在數(shù)據(jù)庫中快速找到與二維圖形有關的三維零件，并進行多角度剖切面的觀察對比。

實踐課程群1級建設使學生了解機械零件的結構特點，輔助掌握工程圖學課程中的難點，培養(yǎng)學生對虛擬仿真平臺的操作能力，增加學習的積極性和主動性，克服教學模型無法大量剖切和數(shù)量有限的弊端。

2.2 實踐課程群2級內(nèi)涵建設

(1)常用典型機械機構虛擬仿真實驗。參照模型等素材，應用計算機完成常用典型機械機構的3D數(shù)字化設計方案，構建數(shù)字模型，并進行虛擬仿真實驗，進而對機構的運動學及動力學特性做出定性及定量的分析評價。

(2)摩托車發(fā)動機虛擬拆裝實驗。如圖4所示，以摩托車發(fā)動機總成為對象和載體，依據(jù)理論和實驗課程內(nèi)容，基于虛擬仿真實驗教學平臺、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)平臺、發(fā)動機展示與拆裝平臺，建立一系列發(fā)動機典型零部件的拆裝實驗，實現(xiàn)網(wǎng)絡虛擬拆裝、三維立體環(huán)境虛擬拆裝、現(xiàn)場實驗拆裝相結合的實驗環(huán)境，做到虛實結合，提高實驗教學效果［13］。網(wǎng)絡虛擬拆裝實驗能夠?qū)崿F(xiàn)學生自主選擇拆裝工具、設計拆裝方法、自主拆裝，了解典型零部件的基本結構及組成關系。三維立體環(huán)境使學生切身融入虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，運用3D交互系統(tǒng)進行典型零部件的虛擬拆裝，設置零部件的拆裝順序及拆裝路徑，通過三維立體環(huán)境增強學生的三維立體感。最后學生到實驗室學習摩托發(fā)動機，選擇典型機構進行真實拆裝實驗［14］。

圖4 摩托車發(fā)動機虛擬拆裝實驗

實踐課程群2級建設采用虛實結合的實驗教學方式，提升學生對復雜機械零件的綜合認知，加強機構拆解和裝配的綜合能力，克服復雜機構組成結構、整機拆裝過程講解難，實驗效果受限于模型數(shù)量、學時不足等難題。

2.3 實踐課程群3級內(nèi)涵建設

(1)汽車曲軸虛擬設計實驗。深入了解虛擬現(xiàn)實技術的體系結構，讓學生能夠利用虛擬現(xiàn)實相關設備進行汽車曲軸的虛擬設計，并在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中進行數(shù)據(jù)修改和設計方案優(yōu)化。

(2)汽車分動器DVS3D虛擬現(xiàn)實實驗。如圖5所示，在DVS3D虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)上，建立JCF2015型汽車分動器的精確裝配數(shù)模的拆解和裝配。學生進入DVS3D“虛擬真實”的分動器三維虛擬世界，進行多視角觀摩、空間剖切、虛擬拆裝，直觀了解和研究產(chǎn)品級的數(shù)字化分動器的功能和結構。讓學生鞏固理論課程所學知識，研究探索產(chǎn)品級汽車分動器的精確數(shù)字化開發(fā)技術，高效地掌握機械工程常用零部件及模塊的結構設計、工作過程、裝配及加工制造工藝。

圖5 汽車分動器DVS3D虛擬現(xiàn)實實驗

通過1、2級基礎培養(yǎng)階段的訓練，實踐課程群3級建設讓學生初步掌握虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應用，培養(yǎng)學生產(chǎn)品級、專業(yè)級、數(shù)字化開發(fā)設計能力，提高綜合實踐能力與自主創(chuàng)新意識。

2.4 實踐課程群4級內(nèi)涵建設

實踐課程群的第4級為機構虛擬現(xiàn)實數(shù)字化創(chuàng)意設計新技術實驗。建設的內(nèi)涵主要為結合工程圖學、機械原理及虛擬樣機技術課程基本理論知識，創(chuàng)造性地設計模型機構、探索其運行規(guī)律，訓練學生的綜合設計能力和創(chuàng)新能力，為后續(xù)課程及今后從事實際工作奠定良好的基礎。學生自主設計機構方案（方案來源于生活、社會需求、圖書資料、互聯(lián)網(wǎng)等），在計算機上利用三維設計軟件CATIA、ADAMS進行機構設計及運動學分析、仿真及試驗組裝等工程實際設計。在DVS3D虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)上，通過動態(tài)觀察組裝機構系統(tǒng)的運動情況，包括工作到位情況、運行軌跡情況、速度變化情況等方面，做出定性的分析和評價。進而根據(jù)評價結果對系統(tǒng)結構進行重組調(diào)整，直到模型機構運行靈活、動作可靠，充分滿足預先設計要求［15-16］。

實踐課程群4級建設實現(xiàn)了“3D虛擬真實”環(huán)境下的機械零部件和產(chǎn)品虛擬設計、裝配、剖切、展示、評價的一體化流程，培養(yǎng)學生獨立解決復雜工程問題的能力和創(chuàng)新實踐能力，全面服務于大學生的創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)實踐活動。

3 實踐教學應用及示范輻射

3.1 實踐教學應用

遵照大學生多維協(xié)同虛擬仿真創(chuàng)新實踐教學體系構建思路，2016年中心面向機械工程專業(yè)獨立設課、單獨記學分的機械工程綜合實驗實踐教學課程，該實驗課程目前包含5個實驗項目，已經(jīng)連續(xù)授課4年，每年約有350人受益。結合校教務處開放性創(chuàng)新實驗要求，中心面向全校學生開設了開放性創(chuàng)新實驗項目。同時中心面向南嶺校區(qū)6個學院所有工科類學生開設虛擬仿真實驗課程。系列實驗將物理空間實踐教學導入DVS3D虛擬現(xiàn)實的平臺環(huán)境中，全面貫徹了“基礎→專業(yè)→創(chuàng)新”3層次培養(yǎng)理念、輔以遞進式“實踐教學體系重構”的虛擬仿真課程建設思想，教學效果良好。

3.2 示范輻射

（1）基于國家級機械虛擬仿真實踐教學平臺，虛擬仿真創(chuàng)新實踐課程群依托校園網(wǎng)絡，面向全校師生，實行全覆蓋、全天候的開放。同時對有合作關系的院校有條件的開放，進行交流學習，實現(xiàn)資源共享。

（2）近年來，DVS3D虛擬現(xiàn)實實驗室接待了20余所院校科技人員及師生參觀、學習與交流。

（3）機械工程綜合實驗Ⅴ的3個實驗項目案例入選了教育部高等學校實驗教學指導委員會的“高校本科實驗教學典型案例匯編”，已于2019年1月出版發(fā)行［17-18］。

（4）通過實踐，逐步摸索并總結出“創(chuàng)新模式，重構體系，筑建平臺，逐級提升”的虛擬仿真實踐教學管理平臺建設思路和方略，為學校國家級機械虛擬仿真實驗教學示范中心建設提供了前期項目試點的實踐基礎。

4 結 語

多維協(xié)同虛擬仿真創(chuàng)新實踐教學體系的構建，堅持以問題和需求為導向，把解決高校傳統(tǒng)實踐教學存在的突出問題作為深化高等教育“新工科”建設、教學改革的著力點，通過實驗課程與生產(chǎn)實際相結合，將教改課題和科研課題的研究成果引入到本科教學，自主開發(fā)基于虛擬仿真實驗教學平臺和虛擬現(xiàn)實實踐教學系統(tǒng)的多維協(xié)同虛擬仿真創(chuàng)新實踐課程群，豐富課程、創(chuàng)新教法、改進內(nèi)容，推進理論教學和實踐教學緊密結合，使學生掌握先進的學科前沿技術，強化學生的創(chuàng)新實踐意識，力爭培養(yǎng)具有較強工程實踐能力的創(chuàng)新型工程人才。