機(jī)械工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)與教學(xué)實(shí)踐研究
——以驅(qū)動(dòng)橋虛擬試驗(yàn)為例

許江濤，馮勇，閆國棟

（南京工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 211167）

隨著計(jì)算機(jī)、電子信息和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)的高速發(fā)展，社會(huì)對(duì)應(yīng)用型人才的需求不斷擴(kuò)大，加快了高等教育教學(xué)改革的步伐，促進(jìn)了教學(xué)模式的多元化。教育信息化是信息時(shí)代教育改革發(fā)展的必然要求，也是教育現(xiàn)代化的核心特征，在實(shí)踐教學(xué)中對(duì)提升學(xué)生綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力發(fā)揮了不可替代的作用。

然而目前大多數(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為主，而不是以方法為中心，在教學(xué)中仍存在直觀性差、配套服務(wù)和軟件開發(fā)不足、系統(tǒng)性差、不成體系等問題。

（1）解決實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)過程中存在的問題。

通過機(jī)械工程專利開展虛擬仿真教學(xué)的開發(fā)，旨在解決機(jī)械工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)存在的問題，解決如占空間大、存在潛在危險(xiǎn)、成本高、結(jié)果不容易詳細(xì)觀察等；基于現(xiàn)有裝備，利用虛擬仿真軟件開發(fā)虛擬測試實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，讓學(xué)生從設(shè)計(jì)者視角了解裝備本身，構(gòu)建了更完整的學(xué)習(xí)情景。

（2）促進(jìn)教學(xué)與科研密切聯(lián)系。

基于現(xiàn)有裝備開發(fā)虛擬測試實(shí)驗(yàn)，包括三維實(shí)體構(gòu)建、材料屬性和邊界約束的虛擬鏡像、模擬加載以及對(duì)結(jié)果的查看和分析。學(xué)生不僅需要熟悉裝備設(shè)計(jì)的專業(yè)知識(shí)，也要具備對(duì)結(jié)果進(jìn)行綜合分析和判斷的能力。教師不僅要提高教學(xué)能力，也要對(duì)項(xiàng)目實(shí)施效果進(jìn)行引導(dǎo)和預(yù)判，具備較高的科研水平。總之，虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)促進(jìn)教學(xué)、科研密切聯(lián)系，不僅有利于人才能力培養(yǎng)，也可促進(jìn)團(tuán)隊(duì)能力的提升和團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng)。

（3）建立教學(xué)效果考核、評(píng)價(jià)和反饋機(jī)制。

通過現(xiàn)代教育技術(shù)，改善教學(xué)手段，促進(jìn)先進(jìn)教育理念、教學(xué)模式、教學(xué)方法融入教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的管理體系建設(shè)，有助于建立激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)和提高學(xué)生創(chuàng)新能力的教學(xué)效果考核、評(píng)價(jià)和反饋機(jī)制[2]。

二人置身絕壁，乍聞此聲，只驚得魂飛魄散，扭頭一望，但見一團(tuán)碩大的陰影，正從云端飛速接近。它沖開云霧，兩只黃色的眸，像霧中的探燈，凝射著金電般的厲芒！

1 虛擬仿真實(shí)踐的內(nèi)容

2013年啟動(dòng)了國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作，將虛擬仿真技術(shù)引入本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)。隨著2015年《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》和《關(guān)于開展國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》的發(fā)布，全國各高校認(rèn)識(shí)到信息技術(shù)在教育教學(xué)過程中的地位，建設(shè)了一批虛擬化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，《教育部辦公廳關(guān)于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》的頒布，為我國本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)給出了建設(shè)要點(diǎn)。

本文根據(jù)機(jī)械工程專業(yè)情況、人才培養(yǎng)方案，制定機(jī)械工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)方案。首先根據(jù)專業(yè)的研究方向、課程群、培養(yǎng)方案確定需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的課程，然后本著“虛實(shí)結(jié)合，互為補(bǔ)充，能實(shí)不虛”的原則進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。在硬件、軟件采購方面做到統(tǒng)籌規(guī)劃、系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、管理系統(tǒng)同步設(shè)計(jì)，同時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)劃進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，制作虛擬實(shí)驗(yàn)相關(guān)的教學(xué)資源[3]，具體如下：

（1）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的架構(gòu)設(shè)計(jì)。

虛擬仿真教學(xué)的目的是以學(xué)生為中心，開發(fā)實(shí)驗(yàn)資源，突破空間和時(shí)間限制，給學(xué)生提供更多的自主性，發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新性，因此虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的頂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與科學(xué)構(gòu)建是關(guān)鍵。根據(jù)“虛實(shí)結(jié)合”與“能實(shí)不虛”融合，先進(jìn)性與安全、環(huán)保和低成本運(yùn)行融合，操作、解決實(shí)際問題、團(tuán)隊(duì)協(xié)作的遞進(jìn)式融合的要求，從頂層上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，從整體上科學(xué)指導(dǎo)、規(guī)劃新項(xiàng)目的建設(shè)。

（2）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)。

基于已有實(shí)驗(yàn)設(shè)備、現(xiàn)有的理論和實(shí)踐教學(xué)資源，基于硬件設(shè)備、工具、場地等資源，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物理在的計(jì)算機(jī)中映射，結(jié)合專業(yè)知識(shí)，通過虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果可視化展示。開發(fā)過程體現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研的有機(jī)結(jié)合，從而逐步形成集實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、設(shè)備管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源、技術(shù)交流等功能于一體的綜合性實(shí)驗(yàn)管理與共享平臺(tái)，其建設(shè)過程充分體現(xiàn)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、多元化三大特征[4]。

（3）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)邏輯重構(gòu)。

形成以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的在線設(shè)備生產(chǎn)環(huán)境，使產(chǎn)教融合到教學(xué)中。同時(shí)虛擬實(shí)驗(yàn)更容易設(shè)置激勵(lì)環(huán)節(jié)，有助于更好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性、積極性。

2 具體舉措

通過對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和科學(xué)構(gòu)建方法的研究，建立起模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、多元化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；同時(shí)，應(yīng)用現(xiàn)代化教學(xué)手段構(gòu)建以學(xué)生為中心的教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)物理的、虛擬的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的互聯(lián)互通、協(xié)同工作。達(dá)到在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源管理與共享平臺(tái)上開展經(jīng)濟(jì)、可靠、安全的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)的目的。

（1）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的頂層架構(gòu)。

虛擬仿真教學(xué)的目的是為了突破空間和時(shí)間限制，提供自主性、創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)和途徑，使優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源得到共享。根據(jù)“虛實(shí)結(jié)合”與“能實(shí)不虛”的原則，從整體上科學(xué)指導(dǎo)、規(guī)劃新的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。學(xué)生通過3D 虛擬操作，掌握操作技能與工藝控制，獲得分析和決策能力；并通過機(jī)械優(yōu)化操作訓(xùn)練，提高分析和優(yōu)化能力；通過協(xié)同操作虛擬仿真，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，并得到虛擬產(chǎn)品，完成生產(chǎn)任務(wù)，團(tuán)隊(duì)協(xié)作水平得到提升，全面提升學(xué)生工程意識(shí)、工程素質(zhì)、工程實(shí)踐能力。

（2）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建。

體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，推動(dòng)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新。針對(duì)機(jī)械工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴和具有一定安全隱患等問題，利用專業(yè)的虛擬仿真軟件和現(xiàn)代化教學(xué)資源拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度和廣度，通過構(gòu)建具備真實(shí)感的實(shí)驗(yàn)情景，操作簡單、結(jié)果具備直觀性和精確性的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐教學(xué)的有機(jī)結(jié)合。

本文以某客車驅(qū)動(dòng)橋虛擬實(shí)驗(yàn)為例。針對(duì)電動(dòng)客車驅(qū)動(dòng)橋總成，開展調(diào)查研究，搜集資料，使用UG建模軟件完成對(duì)電動(dòng)客車驅(qū)動(dòng)橋的模型修改，完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的合理簡化。確定不同部件的邊界條件和不同部件之間的接觸條件，然后使用動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS 進(jìn)行不同工作狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真分析。通過LabVIEW 軟件設(shè)計(jì)開發(fā)一種模擬現(xiàn)實(shí)的仿真平臺(tái)，它可以取代傳統(tǒng)的儀表面板，然后在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上創(chuàng)建圖形面板[5]。根據(jù)虛擬仿真平臺(tái)獲得相應(yīng)精確數(shù)據(jù)，對(duì)各個(gè)零部件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和強(qiáng)度校核，設(shè)計(jì)界面如圖1所示。

圖1 四種工況仿真界面設(shè)計(jì)

通過驅(qū)動(dòng)橋企業(yè)生產(chǎn)線的參觀實(shí)習(xí)，可提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。結(jié)合實(shí)際操作實(shí)習(xí)解決設(shè)備少，場地緊，費(fèi)用高，與生產(chǎn)廠家溝通協(xié)調(diào)難度較大等問題。依托產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目，開發(fā)驅(qū)動(dòng)橋虛擬仿真系統(tǒng)，用于學(xué)生實(shí)踐教學(xué)，充分發(fā)揮科研成果在教學(xué)工作中的作用，通過科研教學(xué)相互促進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生的科研意識(shí)與興趣，實(shí)現(xiàn)科研與教學(xué)緊密結(jié)合。

（3）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)邏輯重構(gòu)。

在整個(gè)教學(xué)過程中，強(qiáng)調(diào)學(xué)生是主體、教師是主導(dǎo)。在教學(xué)過程中應(yīng)用現(xiàn)代化教學(xué)手段和方法來充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性、積極性。授課中，教師可通過強(qiáng)大的虛擬仿真系統(tǒng)，設(shè)定試驗(yàn)任務(wù)、突發(fā)情況、擾動(dòng)、優(yōu)化目標(biāo)、輪崗等，學(xué)生自主思考與設(shè)計(jì)操作方案，并虛擬化操作，完成任務(wù)。

在整個(gè)虛擬試驗(yàn)教學(xué)運(yùn)行的各個(gè)階段和環(huán)節(jié)合理設(shè)定反饋參數(shù)，通過對(duì)比不同階段和環(huán)節(jié)的評(píng)價(jià)參照標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)價(jià)反饋策略和評(píng)價(jià)手段，確保反饋信息的真實(shí)性，并分析反饋信息對(duì)體系的影響，指導(dǎo)選取相應(yīng)的校正措施，不斷修訂體系構(gòu)架及內(nèi)容，逐步達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。把研究型教學(xué)思想貫穿實(shí)驗(yàn)教學(xué)的始終，根據(jù)專業(yè)類型設(shè)置遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，如基本型實(shí)驗(yàn)、提高型實(shí)驗(yàn)和科技創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，使學(xué)生獲得創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力[6]。

3 結(jié)語

本文針對(duì)機(jī)械工程專業(yè)各課程體系中較為抽象的理論知識(shí)和原理，實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴和因具有一定安全隱患等因素而被擱淺的高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，堅(jiān)持深化產(chǎn)教融合，充分利用校企雙方資源，本著“能實(shí)不虛，虛實(shí)結(jié)合”的原則，以驅(qū)動(dòng)橋虛擬實(shí)驗(yàn)為例，利用專業(yè)的虛擬仿真軟件拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度和廣度，構(gòu)建具備高度真實(shí)感、直觀性和精確性的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐教學(xué)的緊密結(jié)合[7]。實(shí)現(xiàn)了人才培養(yǎng)與技術(shù)研發(fā)，學(xué)校與產(chǎn)業(yè)的協(xié)同聯(lián)動(dòng)，具體成效如下：

（1）解決了實(shí)驗(yàn)室硬件資源不足、學(xué)生參與熱情不高的問題，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

（2）解決了機(jī)械裝備特別是大型設(shè)備實(shí)驗(yàn)耗損大且存在安全隱患，實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果不容易觀察、研究等問題。

（3）促進(jìn)了教學(xué)和科研在學(xué)生培養(yǎng)過程中的有機(jī)結(jié)合，不僅有利于能力培養(yǎng)，也可促進(jìn)團(tuán)隊(duì)能力提升和團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng)。

（4）培養(yǎng)了機(jī)械相關(guān)專業(yè)實(shí)踐創(chuàng)新人才，提升其社會(huì)服務(wù)能力以及服務(wù)國家區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略的能力。