虛擬仿真技術在機械類專業人才培養中的應用研究

河北農業大學機電工程學院 張藝 張淼 孫鉑 馬志凱 李昕

《國家中長期教育改革和發展綱要（2010-2020）》中明確提出高校應注重人才培養質量，加大教學投入，加強實驗室建設，著力培養知識豐富、本領過硬的人才。強化實踐教學環節，充分調動學生學習積極性和主動性，養成良好學風。機械設計基礎是一門理論性、實踐性和設計性均較強的機械類及近機類專業的技術基礎課，對培養學生的機械設計與制造、實踐應用能力等方面具有不可代替的重要作用[1]。

機械設計基礎課程教學存在學生課堂參與度較低，相關概念抽象難懂，學生實踐能力培養受實驗、課設條件限制不宜提高等問題。虛擬仿真技術，簡稱VR技術，也稱為虛擬現實。采用計算機圖形技術、計算機仿真技術等為基礎，搭建一種虛擬環境，使用戶借助一定的I/O 設備，與虛擬世界中的物體實現進行交互[2]。國內外學者對VR 技術在教育領域的應用做出了許多研究。張俊等[3]采用虛擬技術搭建了機械基礎實驗教學平臺，實現了齒輪泵、二級圓柱齒輪減速器和RV 減速器的虛擬實驗教學。徐兵等[4]進行了虛擬仿真技術在數控技術課程中的應用研究，取得了較好的教學效果。Luzanin 等[5]提出了一種基于概率神經網絡的手勢識別系統，通過使用數據手套實現了虛擬裝配與維護仿真。可見，虛擬仿真技術可將虛擬環境與實踐動手結合起來，突破傳統“教室”的邊界，提升學生學習的主動性和便捷性，優化教學效果。

1 課程教學中存在的問題

機械設計基礎課程的相關知識專業性較高，概念較抽象不直觀，加之學生為初次接觸，其在學習時普遍感覺吃力，理解識記困難。教師進行理論講授時，單純地進行概念講授，存在教學資源不足、概念過于抽象等問題，必須輔以實驗或實踐教學。傳統的實踐教學受實驗課時、授課地點等的限制，學生接觸機械實物的機會少、時間短，不利于強化培養學生實踐應用能力。同時實驗受設備硬件條件限制，參數設置的數據點較少，相關規律展示不明顯。

利用虛擬仿真技術將各種實驗參數化、虛擬化，既可以使結構、規律形象直觀地顯示，調動學生學習的積極性、主動性。又可以把教學引入學生的手機端、電腦端，突破傳統授課方式在時間、空間、硬件條件等方面的限制，增加實踐環節教學時長，助力提高學生實踐動手能力。

2 虛擬仿真技術在課程教學中的應用

2.1 錄屏虛擬機械的拆裝過程，豐富教學資源

多媒體技術利用文字、圖片、視頻等相結合的方式向學生演示知識點，在現代教學中發揮著不可代替的作用。機械設計基礎課程需要講授多種機構，例如齒輪機構、凸輪機構、連桿機構等的工作原理，還需講授一些復雜機械，例如齒輪減速箱的內部結構及運動原理。傳統教學方式利用簡單的圖片和文字解釋進行授課，機構和復雜機械的內部結構不能進行直觀展示，機械及機構的運動過程也不能動態地進行演示，學生對機構、機械的運動特征理解較為困難，掌握程度差，學習難度高。

可將VR 技術與多媒體技術相結合，授課前，利用VR 教學實訓平臺提供的錄屏功能，將機構、機械的爆炸分解及其運動過程制作成實時錄像。在課堂教授時播放錄像，使學生可以看到機構及機械內部的詳細拆裝過程，并可直觀觀察機構、機械的運動特征，將抽象的文字描述變為更形象生動的錄像觀看，使學生學習難度大大降低，學習興趣大大提升。通過錄制機構、機械的爆炸拆裝錄像，既豐富了課程的教學資源，又將抽象概念變為直觀演示，改善了枯燥抽象的教學形式，直觀動態演示了機構、機械等的內部構造，便于學生理解。

2.2 虛擬與現實結合，VR 技術助力實驗教學

將VR 技術用于機械設計基礎課程實驗教學的預習教學，依托桌面式、頭盔式等多種VR 硬件設備，利用實驗平臺自帶軟件及課程資源，搭建VR 實訓室，為學生提供逼真、安全的實驗環境，使學生在虛擬的實驗環境中，自己動手操作虛擬實訓平臺，360°立體直觀地虛擬操作機構、機械，完成機構的運動觀察和復雜機械的爆炸拆解，并發現問題，解決問題，鍛煉其實踐動手能力。該虛擬實驗環節設置于正式實物實驗之前，用作機構運動簡圖的繪制、減速器拆裝等實驗的預實驗。通過增設虛擬預實驗，提高了學生的學習興趣，并使其對相關的實驗內容進行簡單的預習。通過虛擬預實驗與實物實驗相結合，調動了學生學習的積極性，提高了學生實踐操作熟練程度，同時還可降低因誤操作或操作不當造成實驗設備的損耗。

傳統機構運動簡圖測繪實驗教學，由30 名同學共同使用一整套教學設備，全套設備共分為6 組，每組含三至四個不同的機構模型。實驗時，將學生分為5 人一組，使用一組實驗設備，學生只需完成自己組內機構模型的運動簡圖繪制。受實驗設備及實驗時長的影響，學生只能完成自己組內機構模型的運動簡圖測繪，并不能對全套30 個機構模型的結構及運動進行測繪和觀察。但使用虛擬實訓平臺后，學生可在實訓平臺完成所有機構模型的結構及運動觀察，極大地豐富了實驗教學內容，顯著地提升了實驗教學效果。學生使用虛擬平臺進行實驗的過程如圖1 所示。

圖1 學生使用虛擬平臺進行實驗學習

2.3 利用網絡虛擬實訓平臺，突破了傳統教學的空間及時間限制

網絡虛擬仿真實訓平臺可提供凸輪機構設計、齒輪嚙合傳動過程、圓柱齒輪參數計算、齒輪傳動設計計算等內容。通過將凸輪、齒輪機構等參數化、虛擬化、云端化，實現了凸輪及齒輪設計從傳統的教室教學到電腦端、手機端教學的突破。云端虛擬實驗的教學一方面突破了傳統教學在時間、空間等方面的限制，使學生可在線上隨時進行凸輪、齒輪機構的設計，無形中延長了學生的實訓時長，提升學習主動性。另一方面，學生可在實訓平臺輸入多樣化的齒輪機構參數，實訓平臺可利用圖形、動畫等方式將學生輸入的多樣化參數進行實時展示，使學生可直觀觀察到設計參數對齒輪機構運動的影響規律，降低了學生學習的難度。同時由于網絡虛擬仿真實訓平臺隨時對學生開放，學生還可根據自己的情況，隨時在手機端或電腦端查看虛擬實訓平臺的其他實驗模塊，將網絡實訓學習用作理論學習的補充，真正做到理論與實踐相結合，改善理論授課效果。

機械設計基礎的課程設計是培養鍛煉學生設計能力的重要環節。學生在進行課程設計時，由于初次進行復雜機械的設計，經驗不足，可能存在諸多問題，例如初期參數選擇不當，導致最終設計結果累計誤差過大；初期設計計算錯誤未及時發現，導致課設末期需要進行設計大修但時間過短等問題。利用網絡虛擬仿真實訓平臺，學生可在課程設計時使用齒輪傳動設計模塊，在平臺中輸入相關設計參數，自動得出相關齒輪傳動設計結果，一方面可幫助其檢查設計計算結果的正確性，避免學生在設計早期出現設計錯誤，提高課程設計的一次性成功率。另一方面，學生在設計過程中如對某些參數進行修改，后續環節的設計結果也會隨之變化，更改方便快捷，提高了設計更改效率。圖2 所示為學生進行課程設計的過程。

圖2 學生進行課程設計的過程圖

2.4 線上線下混合教學，學習過程透明化管理

機械設計基礎課堂授課內容繁多復雜，單純依靠課堂聽講，學生難以當堂全部掌握。在傳統課堂授課的同時使用相關網絡授課工具及虛擬仿真網絡實訓平臺進行線上教學，采用線上、線下混合的方式進行教學，教師將授課內容發布在云端，學生可通過手機端，在相關平臺自主進行相關知識的提前預習和課后復習。教師將傳統紙質作業按知識點進行編輯，上傳至相關平臺，在平臺端按時發放、收取及批改作業，最后由平臺根據每個學生所有作業監測點的完成情況給出學生作業部分的綜合評分，可作為學生平時成績評定的重要依據之一。此外，線上教學平臺還可實現對非主觀題的自動評分，降低教師的作業批改工作量。

線上教學平臺還可提供課堂實時小測、到課率統計等功能，教師可利用課堂實時小測，迅速了解學生對知識點的掌握情況，實時調整授課進度，切實做到以學生為中心，真正貫徹OBE 教學理念。同時平臺會記錄學生在整個線上線下混合教學過程中的各種日常狀態，包括作業完成度、課堂小測完成度、到課率等。教師可通過設置各個環節的相應權重，最終由平臺自動計算得出每個同學的平時成績，形成較為客觀的過程考核結果，作為學生的平時成績。學生平時成績生成流程如圖3 所示。

圖3 學生平時成績生成流程圖

3 結語

為提高高校人才培養質量，強化實踐教學環節，增強實踐技能培養，筆者將VR 技術在機械類人才培養中進行應用。通過將機構機械拆裝、運動等的VR 錄像引入理論教學，提升了學生學習的積極性；通過沉浸式虛擬實驗教學鍛煉學生實踐動手能力，利用網絡虛擬實訓平臺助力學生課程設計，提升了學生設計能力；通過輔以線上線下混合教學完成各教學環節全程監控，給出了較為全面客觀的平時成績。通過一系列措施，使課程學習的沉浸感明顯，直觀性增強，操作感強，提高了學生學習的積極性、主動性，同時為學生自學提供了便捷性，使學習突破了傳統教室的界限，學生自主性提高，顯著地改善了本課的教學效果。

理論和實踐相結合對于機械類人才培養至關重要，高質量機械人才的培養更需要扎實的實踐技能培養，而虛擬仿真實訓教育作為虛擬仿真技術在高等教育領域的應用，為機械類人才的實踐技能提升提供了重要的技術支撐，是高校在固有硬件條件下提升學生實踐技能培養的重要方法和手段。