虛擬仿真技術在機械類專業實驗教學中的應用研究

摘?要：以CNKI數據庫中19932021年的文獻為樣本，運用文獻計量學方法，分析虛擬仿真技術在機械類專業實驗教學中的應用研究文獻，揭示文獻的產出量和發文變化趨勢，探究研究內容和研究熱點演變軌跡。結果表明，2011年后由于國家政策的引導，機械專業虛擬仿真實驗教育的研究進入快速發展期;研究內容聚焦于實驗教學改革、教學體系建設、虛擬仿真實驗應用課程、虛擬仿真實驗教學技術、實驗室建設。通過定量數據分析得出的結果，有助于把握我國高校機械類專業虛擬仿真實驗教學的現狀和趨勢，為高校開展虛擬仿真實驗教學提供思路和借鑒。

關鍵詞：虛擬仿真;實驗教學;機械專業;文獻計量學分析

中圖分類號：G642.0

Review?on?theApplication?of?Virtual?Simulation?Technology

in?the?Experimental?Teaching?of?Mechanical?Engineering?Majors

Yuan?Sheng

School?of?Logistics?Engineering?Wuhan?University?of?Technology?HubeiWuhan?430063

Abstract：Based?on?the?publications?in?the?CNKI?data?base?between?1993?and?2021，this?paper?applies?bibliometric?analysis?on?evaluating?the?research?literature?of?the?application?of?virtual?simulation?technology?in?the?experimental?teaching?of?mechanical?engineering?majors.The?paper?aims?to?reveal?the?trends?in?the?publication?statistics?of?the?research?literature，and?investigate?the?evolutional?trajectory?of?the?research?topics?and?hotspots.The?results?show?that?the?research?on?virtual?simulation?based?experimental?education?in?mechanical?engineering?developed?rapidly?after?2011?because?of?national?policy?stimulus，and?the?research?focuses?include?experimental?education?reform，education?system?design，virtual?simulation?based?laboratory?courses，virtual?simulation?based?laboratory?teaching?techniques，and?laboratory?construction.The?results?obtained?by?quantitative?data?analysis?in?this?paper?will?help?illustrate?the?current?state?and?future?trends?of?the?virtual?simulation?based?experimental?teaching?of?mechanical?engineering?majors?in?China，and?provide?insight?and?reference?for?universities?to?conduct?virtual?simulation?based?experiment?teaching.

Keywords：Virtual?simulation;Experimental?teaching;Major?in?mechanics;Bibliometric?analysis

實驗教學是機械類專業人才培養過程中的不可或缺的環節，對于提升學生解決問題的能力有著重要的作用。隨著社會對大學生實踐能力和創新能力要求的逐步提高，國家對實驗教學提出了新的要求，教育部辦公廳發布了關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知[1]，要求高校深入推進信息技術與高等教育實驗教學的深度融合，不斷加強高等教育實驗教學優質資源建設與應用，著力提高高等教育實驗教學質量和實踐育人水平，高校因此紛紛開展實驗教學改革，將虛擬仿真技術融于實驗教學環節。在這一背景下，全面梳理和分析虛擬仿真技術在機械類專業實驗教學中的應用和研究情況，能夠把握我國高校實驗教學的現狀和趨勢，為高校開展實驗教學提供思路和借鑒。

一、研究方法

文獻計量學是借助文獻的各種特征、采用數學和統計方法描述、評價某領域的研究現狀和未來發展方向的一種方法，被廣泛應用于各種研究中[2]。本文以中國知網收錄的期刊論文、會議論文、學位論文為研究對象，采用文獻計量學方法，從發表時間、關鍵詞等角度對機械類專業虛擬仿真實驗教學領域的研究現狀、研究熱點、研究主題進行較為深入細致的分析，并深入梳理近年來研究主題或研究熱點隨時間的變化情況及相互關系。

二、數據來源

中國知網總庫平臺包括90%以上的中國知識資源如：期刊、學位論文、會議論文等資源類型，是國內最大的中文文獻數據庫。本文選取該平臺收錄的期刊、學位論文、會議論文，基本上能覆蓋本領域的中文研究成果，能確保研究樣本的全面性和完整性。選擇的主題詞：虛擬仿真、實驗教學、機械專業，檢索表達式：虛擬仿真AND實驗教學AND機械專業，文獻類型設定為期刊、學位論文、會議論文，檢索時間范圍不限，通過主題途徑檢索，得到檢索結果661條。為確保檢索結果的密切相關，對檢索結果進行了初篩，剔除了高校虛擬仿真實驗教學中心簡介和部分新聞報道等，最終得到期刊論文514篇，學位論文62篇，會議論文12篇，總計588篇文獻作為本文的最終研究樣本。

三、發文趨勢分析

在數據庫中檢索得知虛擬仿真技術用于實驗教學的時間可以回溯到1993年左右，而從圖1本文研究樣本的發表時間分布情況看出，文章發表最早年份是2001年，表明虛擬仿真技術用于實驗教學很早就有，而機械類課程中虛擬仿真實驗教學最早出現的時間是2001年，發文數量總體上是呈增長趨勢，2010年以前增長緩慢，2011年開始進入快速增長期，2011—2020年發文總數449篇，占全部文獻數的76.36%，2019年達到峰值，當年發文89篇。2011年以后文獻的快速增長主要歸因于國家政策的引導。教育部在2012年印發的《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》中提出：重點推進信息技術與高等教育的深度融合，促進教育內容、教學手段和方法現代化。2017年印發的《關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》，明確提出于2017—2020年在普通本科高等學校開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設工作，并統籌規劃到2020年認定1000項左右示范性虛擬仿真實驗教學項目，其中機械類認定30個項目。這兩個文件頒布后，高校紛紛開展虛擬仿真實驗教學的探索和實踐，研究者也與時俱進更多地關注虛擬仿真實驗教學的研究。當前是國家級示范性虛擬仿真實驗教學項目的建設時期，今后一段時間內定會有更多的相關研究成果出現。

四、研究內容分析

（一）研究熱點

為了更加直觀清晰地展示研究熱點和研究者關注的重點，本文使用科睿維安公司的文本挖掘工具DDA軟件繪制詞云圖，將研究主題可視化。588篇文章涉及的關鍵詞有1067個，首先對關鍵詞進行清洗和整理，比如同義詞合并、刪除個別沒有實際意義的關鍵詞，得到經過規范處理的關鍵詞855個。為了提高圖的清晰性和可讀性，本文選取出現3次以上的關鍵詞繪制詞云圖。

詞云圖中，不同的關鍵詞用顏色區分，關鍵詞出現的頻率越多，該關鍵詞的字體越大。圖2顯示，出現頻率較高的關鍵詞有實驗教學、教學改革、虛擬仿真、虛擬實驗、虛擬現實、實驗平臺、Unity3D，這些出現頻率較高的關鍵詞代表虛擬實驗教學領域的研究視角和研究熱點，表明實驗教學改革和虛擬仿真技術的運用是本領域的熱門話題。

（二）研究主題

通過對提取的關鍵詞和主題進行進一步分析，并輔以閱讀相關文獻，可知本領域的研究主要聚焦于以下幾個方面：

1.實驗教學改革

這類文獻側重于闡述機械類專業實驗教學改革的背景和必要性。機械專業需要培養學生的實際工程應用能力和創新能力，在培養過程中實驗教學占有重要地位。傳統實驗教學存在一系列弊端，實驗教學內容單一，缺少多學科交叉融合實驗，不能較好的激發學生創新思維。國家新工科建設、中國智造、卓越工程師培養計劃等一系列政策的出臺對實驗教學提出了新的要求，機械類專業實驗教學改革勢在必行，因此研究者順應改革趨勢，與時俱進，緊跟政策導向，積極研究探討改革和實踐中的問題。另一方面，新技術的不斷出現為現代信息技術與高等教育實驗教學的深度融合創造了條件，教育手段和教學模式也在不斷的改革和進步。越來越多的高校開始實驗教學改革的實踐，探索實驗教學改革的思路和方向，依托各種課程實施虛擬仿真實驗教學項目。

2.教學體系建設

在這個主題中，主要探討虛擬仿真實驗教學改革的原則、教學模式和教學內容設計。研究樣本中有9篇文章闡述實驗教學“虛實結合”的教學理念，如蒙艷玫認為虛擬實驗教學內容設置與開發遵循“系統性、層次性、工程性、交互性”和“以實為本、虛實結合、能實不虛”的原則[3]。李翠超等結合目前工程訓練實踐教學現狀及特點，提出一種虛實結合、優勢互補的實踐教學模式，并從教學原則、課程體系、教學設計、保障條件等方面探討了如何有效開展虛實結合的實踐教學[4]。劉清濤論述基于開放共享理念開展線上線下混合教學模式的實踐[5]。譚雅莉、王葉群提出了“線上+線下”融合式的實驗課教學模式[67]。虛實結合、開放共享、線上線下融合作為代表性的教學模式，將先進的信息技術融入實驗教學環節，是傳統實驗教學模式的有效補充，有利于豐富實驗教學內容，改進教學效果，提高學生解決問題的能力。

3.虛擬仿真實驗應用課程

機械工程領域已經開始虛擬仿真實驗教學的課程大致四類，一是機械制造類課程，比如《機械制造技術》《數控加工》《智能制造》《先進制造技術》《數控技術》;二是機械設計類課程，包括《機械原理》《機械設計》《機械設計基礎》《機械制圖》《工程機械設計》《虛擬樣機技術》;三是機械控制與測試，涵蓋了《機械工程控制基礎》《數控技術》《自動控制原理》《控制工程》《機械工程測試技術》;四是液壓傳動類課程，例如《液壓傳動》《流體傳動與控制》等課程。虛擬仿真實驗技術在這些課程的實驗環節將傳統的硬件實驗軟件化，有效地解決了學生多、空間小、設備不足、存在安全隱患等問題[4]，隨著虛擬仿真實驗教學項目建設的完善，相信在不久的將來，虛擬仿真技術會運用于更多的課程中。

4.虛擬仿真實驗教學技術

虛擬仿真實驗教學應用的技術較多，關鍵詞出現的頻率高低展現了目前廣泛運用的有LabVIEW、Matlab、Unity3D、Virtools、ADAMS等開發軟件;從關鍵詞出現的時間可知，虛擬仿真實驗教學應用最多的技術是以圖形化編程語言替代傳統文本編程的LabVIEW軟件，自2001年到2020年一直得到廣泛應用;其次是Matlab;Unity3D軟件在機械實驗教學領域出現時間相對較晚，但自2012年第一次出現到目前為止，因其完善靈活編輯的優點而熱度遞增，已成為當前實現虛擬仿真實驗教學的主流技術手段之一[2]。

5.實驗室建設

研究樣本中虛擬仿真實驗室建設也是關注的重點，研究者圍繞實驗室或者實驗中心建設、教學資源建設、實驗教學平臺開發展開研究。福州大學的國家級虛擬仿真實驗教學中心建設，包括虛擬仿真實驗教學資源體系建設、虛擬仿真實驗教學人才隊伍建設以及虛擬仿真實驗教學平臺建設等[8]。李小松對地方高校機電類虛擬實驗教學中心的建設成果進行了梳理和總結[9]，劉磊介紹“新工科”虛擬仿真實驗教學資源的建設成果，已開發工程機械類虛擬仿真實驗教學資源共計7套[10];長安大學、中國石油大學基于開放共享的理念構建了開放式虛擬仿真實驗教學平臺[5，11]。虛擬教學平臺具有功能集約、資源共享、開放充分的特點，突破了實驗場地和實驗課程安排的限制，能達到提高教學能力、豐富教學內容的目的，虛擬仿真實驗室建設的成果和經驗為其他高校提供了借鑒和參考價值。

五、結語

對CNKI數據庫中收錄的1993—2021年虛擬仿真技術在機械類專業實驗教學中的應用方面的研究文獻，運用文獻計量學方法進行了定量分析，分析結果表明：2010年以前研究進展緩慢，2011年后由于國家政策的引導，研究者開始更多地關注虛擬仿真實驗教學的研究，研究進入快速發展期;實驗教學改革和虛擬實驗技術的應用是研究熱點;研究內容側重于實驗教學改革、教學體系建設、虛擬仿真實驗應用課程、虛擬仿真實驗教學技術、實驗室建設。當前是國家級示范性虛擬仿真實驗教學項目的建設時期，隨著示范項目建設的完善，今后一段時間內定會有更多的相關研究成果出現，研究的深度和廣度也會得到拓展。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.教育部辦公廳關于20172020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201707/t20170721_309819.html，20170713/20210410.

[2]楊穎，肖潭，南景富，黃芹.高校虛擬仿真實驗教學發展趨勢的文獻計量分析[J].實驗技術與管理，2020，37（12）：2428+32.

[3]蒙艷玫，唐治宏，董振，陸冠成，李先旺，梁策.機械工程虛擬仿真實驗教學體系的研究與實踐[J].實驗技術與管理，2016，33（05）：109112.

[4]李翠超，凌芳.虛實結合的虛擬仿真技術在工程訓練中的應用[J].實驗室科學，2015，18（02）：128131.

[5]劉清濤，張新榮，賀朝霞.工程機械開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺建設[J].實驗技術與管理，2018，35（07）：148151.

[6]譚雅莉，鄒敏清，胡兆勇，楊繼贏.機電類虛擬仿真實驗教學模式研究與實踐[J].教育教學論壇，2020（28）：235237.

[7]王葉群，王云陽，高振鵬，李振宇，王紹金.線上線下結合的《食品機械與設備》實驗課教學模式[J].農業工程，2020，10（12）：9597.

[8]黃捷，林有希，朱曉林.裝備設計制造虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐[J].實驗技術與管理，2020，37（08）：253257.

[9]李小松，丁躍澆，周勇，李榮華，歐昌杰.地方高校機電類專業虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐[J].實驗室科學，2019，22（06）：144146+150.

[10]劉磊，張嘉鷺.“新工科”背景下工程機械類虛擬仿真實驗教學資源建設[J].實驗技術與管理，2021，38（01）：140143.

[11]王龍庭，石永軍，姜浩，徐興平，蓋永革，陸富榮.工程機械虛擬仿真實驗教學平臺設計[J].實驗技術與管理，2019，36（09）：116119.

基金項目：國家重點研發計劃（編號：2018YFC1407405）“綠色船舶和綠色港口海洋環境安全保障服務技術與標準研究”

作者簡介：袁晟（1993—?），男，湖北漢川人，碩士，武漢理工大學物流工程學院實驗中心助理實驗師，研究方向：液壓實驗教學、流體力學。