機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)實(shí)踐

高瞻，徐向陽

（重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院， 重慶）

一 引言

工科專業(yè)的特點(diǎn)是實(shí)踐性強(qiáng)，在教學(xué)過程中實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)有著舉足輕重的地位和作用。在機(jī)械工程學(xué)科中，實(shí)驗(yàn)是重要環(huán)節(jié)。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)能驗(yàn)證課堂所學(xué)的理論知識(shí)，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)知和掌握，借助實(shí)驗(yàn)教學(xué)可使學(xué)生不再是紙上談兵，而是通過實(shí)操提升觀察能力，動(dòng)手能力，實(shí)際問題的應(yīng)用能力[1-4]。進(jìn)一步，除了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，要培養(yǎng)學(xué)生的思辨力、創(chuàng)造力和工程能力，還需要在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合多門專業(yè)基礎(chǔ)課程，開設(shè)獨(dú)立的綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用本專業(yè)各種基本理論知識(shí)、分析工程實(shí)際問題和解決工程實(shí)際問題的實(shí)戰(zhàn)能力。大學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)是當(dāng)前大學(xué)生個(gè)人全面發(fā)展的需要，是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要環(huán)節(jié)[5-7]。

機(jī)構(gòu)搭建綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)正是根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》和《機(jī)械原理》兩門專業(yè)基礎(chǔ)課程，基于為培養(yǎng)新工科的創(chuàng)新性工程人才而開設(shè)的獨(dú)立性綜合實(shí)驗(yàn)課程。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展過程中，因工程機(jī)械專業(yè)的特點(diǎn)，具有以下困難：1）機(jī)構(gòu)搭建創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)臺(tái)架和零件種類多，運(yùn)行過程中設(shè)備后期維護(hù)成本大；2）受資金和場地的限制，可采購的實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)套數(shù)、臺(tái)架種類、零部件種類有限，無法充分滿足培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)踐能力的需求；3）受教學(xué)課時(shí)的限制，難以有充足的時(shí)間供每位學(xué)生開展自主設(shè)計(jì)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)；4）實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)質(zhì)資源難以開放共享，造成資源浪費(fèi)[8-12]。如上所述，僅僅在實(shí)驗(yàn)室采用真實(shí)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式存在難度，即使開展實(shí)驗(yàn)，也會(huì)導(dǎo)致學(xué)生的實(shí)操技能鍛煉不夠，創(chuàng)新性和綜合性挑戰(zhàn)不足，從而制約高素養(yǎng)工程人才的培養(yǎng)。

為解決上述問題，并針對(duì)學(xué)院培養(yǎng)高素養(yǎng)交通工程人才的特色定位，我校對(duì)于機(jī)構(gòu)搭建綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)。通過虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)，完成以下幾個(gè)實(shí)驗(yàn)階段的逐步遞進(jìn)：驗(yàn)證型——設(shè)計(jì)型——綜合型——?jiǎng)?chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，由淺入深，循序漸進(jìn)地開展培養(yǎng)交通機(jī)械類人才的教學(xué)，提高學(xué)生的通用工程實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力，為學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃、大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新大賽和工程訓(xùn)練等提供良好的創(chuàng)新基礎(chǔ)能力。虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，能充分結(jié)合線上線下教學(xué)，提高學(xué)習(xí)效率，將學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性調(diào)動(dòng)起來，同時(shí)在線下課堂上更側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生的思辨能力和創(chuàng)新能力，教學(xué)效果較單一的課堂教學(xué)有很大的提升[13-14]。

二 課程設(shè)計(jì)目標(biāo)與任務(wù)

以機(jī)械專業(yè)基礎(chǔ)課程作為理論支撐，基于信息化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用現(xiàn)代化的技術(shù)手段，研發(fā)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，設(shè)計(jì)包含一系列機(jī)構(gòu)搭建的綜合實(shí)驗(yàn)，從而創(chuàng)建虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，讓實(shí)驗(yàn)滿足創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。

學(xué)生可運(yùn)用專業(yè)知識(shí)，基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行通用典型機(jī)構(gòu)搭建、典型交通機(jī)構(gòu)搭建，以及創(chuàng)新性自由設(shè)計(jì)搭建，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)掌握實(shí)驗(yàn)的操作過程，進(jìn)一步整合所學(xué)的各門專業(yè)基礎(chǔ)課程知識(shí)，再到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行真實(shí)實(shí)操。過程中典型機(jī)構(gòu)的搭建主要通過虛擬仿真課程掌握，而實(shí)驗(yàn)室的實(shí)操更側(cè)重于創(chuàng)新型機(jī)構(gòu)搭建，如此在本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用基于網(wǎng)絡(luò)的虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，改善和提高課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，并解決機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中因教具價(jià)格昂貴，采購零部件品種有限，實(shí)驗(yàn)場地有限，學(xué)時(shí)不足，設(shè)備無法多人共同實(shí)驗(yàn)等普遍問題[13]。

該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目符合國家和院校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)的要求，同時(shí)也滿足專業(yè)認(rèn)證的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)要求，達(dá)到了建立具有的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的目標(biāo)。

三 機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的方案設(shè)計(jì)

建立機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包含四個(gè)部分：實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，真實(shí)實(shí)操實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)?zāi)K的構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)的模塊構(gòu)成

機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)包含兩項(xiàng)內(nèi)容，即實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和虛擬實(shí)驗(yàn)。其虛擬仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)流程如表1 所示。

表1 機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)流程

四 機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)內(nèi)容建設(shè)

機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)和現(xiàn)代化技術(shù)手段，其虛擬教學(xué)平臺(tái)里的零件庫是基于三維建模軟件Solidwork 建立的，運(yùn)用軟件中二維草圖、旋轉(zhuǎn)、拉伸、陣列等命令，結(jié)合機(jī)械制圖知識(shí)建立虛擬平臺(tái)的零部件模型；再應(yīng)用Solidwork 的三維動(dòng)畫模塊進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫的制作；然后導(dǎo)入到3DMAX 中進(jìn)行模型渲染和美化；最后將美化后的零部件以及制作的動(dòng)畫視頻導(dǎo)入到Unity 軟件中進(jìn)行交互設(shè)計(jì)，最終得到的一款具有院校特色的交互式機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)。

機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)置制作了三個(gè)模塊，分別為通用機(jī)械典型機(jī)構(gòu)搭建模塊、交通機(jī)械典型機(jī)構(gòu)搭建模塊和創(chuàng)新機(jī)構(gòu)自由搭建模塊(教學(xué)平臺(tái)界面如圖2)。每個(gè)模塊又分為零件庫和機(jī)構(gòu)搭建板塊，其中機(jī)構(gòu)搭建板塊中包含預(yù)習(xí)子塊和虛擬仿真子塊。

圖2 機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)界面

虛擬仿真子塊模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場景，場景可以全景旋轉(zhuǎn)。場景中有機(jī)構(gòu)搭建臺(tái)架，能讓使用者選擇需要的零部件，拖動(dòng)到實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上組裝搭建，過程中可進(jìn)行場景和零部件的漫游，包含平移、旋轉(zhuǎn)、縮放，也能進(jìn)行視圖切換等功能，實(shí)現(xiàn)交互式教學(xué)效果，讓學(xué)生實(shí)操和真實(shí)課堂實(shí)驗(yàn)同樣體驗(yàn)的機(jī)構(gòu)搭建。

(一)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)子塊

預(yù)習(xí)子塊由實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)流程、機(jī)構(gòu)原理介紹、機(jī)構(gòu)二維簡圖、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理動(dòng)畫和演示組裝動(dòng)畫構(gòu)成（預(yù)習(xí)子塊界面如圖2 所示），主要通過文字、二維機(jī)構(gòu)簡圖、三維立體圖形和動(dòng)畫為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)準(zhǔn)備，即學(xué)生可在課前通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行線上實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)。

學(xué)生可根據(jù)該子塊加深對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)知、理解和掌握，同時(shí)自學(xué)通用機(jī)械典型機(jī)構(gòu)、交通機(jī)械典型機(jī)構(gòu)的二維機(jī)構(gòu)簡圖、分析各種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理，構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動(dòng)副種類、數(shù)量和相對(duì)位置關(guān)系等，進(jìn)行機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算，掌握各種機(jī)構(gòu)的搭建方法。

圖3 預(yù)習(xí)子塊界面

圖4 虛擬仿真子模塊

（二） 虛擬仿真子塊

完成每個(gè)模塊的預(yù)習(xí)項(xiàng)目后，可進(jìn)入虛擬仿真子塊操作。通用機(jī)械典型機(jī)構(gòu)模塊中可進(jìn)行典型平面機(jī)構(gòu)、典型輪系和典型空間機(jī)構(gòu)的虛擬搭建；交通機(jī)械典型機(jī)構(gòu)模塊中可進(jìn)行車輛典型機(jī)構(gòu)、飛機(jī)典型機(jī)構(gòu)、火車典型機(jī)構(gòu)等的虛擬搭建；創(chuàng)新機(jī)構(gòu)自由搭建模塊中，可自主創(chuàng)新進(jìn)行機(jī)構(gòu)的搭建，培養(yǎng)學(xué)生的綜合機(jī)械能力和工程能力。

在虛擬仿真子塊中，建立了和真實(shí)實(shí)驗(yàn)室場景相同的虛擬環(huán)境。虛擬實(shí)驗(yàn)室中，擺放著和真實(shí)實(shí)驗(yàn)相同的機(jī)構(gòu)虛擬搭建臺(tái)架，可全景旋轉(zhuǎn)察看，進(jìn)而在虛擬實(shí)驗(yàn)過程中，根據(jù)搭建機(jī)構(gòu)所需的零部件進(jìn)行選擇和拖動(dòng)，通過一步步地搭建建立正確的機(jī)構(gòu)。

五 虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量管理

對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程管理，并實(shí)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，建立虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。第一步，實(shí)驗(yàn)可通過在線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行充分的預(yù)習(xí)，讓學(xué)生了解并熟悉通用典型機(jī)構(gòu)和交通典型機(jī)構(gòu)的原理和搭建方法；第二步，在網(wǎng)上進(jìn)行通用典型機(jī)構(gòu)和交通機(jī)械典型機(jī)構(gòu)的虛擬搭建實(shí)驗(yàn)操作；第三步，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行通用典型機(jī)構(gòu)和交通機(jī)械典型機(jī)構(gòu)的真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作；第四步，在網(wǎng)上進(jìn)行自主創(chuàng)新機(jī)構(gòu)的虛擬實(shí)驗(yàn)操作；第五步，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自主創(chuàng)新機(jī)構(gòu)的真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作；第六步，完成并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

其中，第二步、第四步是為補(bǔ)充第三步、第五步在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的不足，例如實(shí)驗(yàn)課堂時(shí)間有限，實(shí)驗(yàn)教具的零件種類有限，即課堂時(shí)間和教具種類無法全面覆蓋通用典型平面機(jī)構(gòu)、輪系、空間機(jī)構(gòu)和典型交通機(jī)構(gòu)的搭建。此外，對(duì)于復(fù)雜創(chuàng)新機(jī)構(gòu)的真實(shí)搭建，實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場的零部件也有所限制。因此需要利用虛擬仿真平臺(tái)，先虛擬仿真通用機(jī)械和交通機(jī)械的典型機(jī)構(gòu)搭建，再在課堂選擇部分典型機(jī)構(gòu)進(jìn)行真實(shí)搭建，在課堂有限的時(shí)間內(nèi)，把更多的時(shí)間用在創(chuàng)新機(jī)構(gòu)的搭建上，提高學(xué)生的綜合能力。虛擬仿真結(jié)合真實(shí)課堂，能夠系統(tǒng)地在學(xué)生頭腦里建立各種機(jī)構(gòu)的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖譜，讓學(xué)生更全面的掌握各種基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和搭建才能游刃有余，讓實(shí)驗(yàn)更具挑戰(zhàn)性和綜合性。

六 結(jié)語

機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的引入，以及虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式的創(chuàng)建，有效改善了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)條件，即讓學(xué)生加深了對(duì)理論知識(shí)的理解和熟悉，又與傳統(tǒng)課堂實(shí)驗(yàn)互補(bǔ)，可以提高學(xué)生的綜合專業(yè)素養(yǎng)，開闊學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)了對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革。

該虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)發(fā)布在重慶交通大學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)上。近2 年應(yīng)用到機(jī)械學(xué)院本科大四學(xué)生的獨(dú)立綜合實(shí)驗(yàn)——《機(jī)構(gòu)搭建綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)》中，取得了良好的應(yīng)用效果，未來會(huì)在其他工科專業(yè)中推廣。實(shí)際使用中，學(xué)生可以登錄線上平臺(tái)進(jìn)行課前預(yù)習(xí)、課前自學(xué)和課后復(fù)習(xí)，全方位了解機(jī)構(gòu)創(chuàng)新搭建，熟悉并掌握實(shí)驗(yàn)過程，進(jìn)行虛擬仿真。同時(shí)本虛擬仿真平臺(tái)基于網(wǎng)絡(luò)開放，可以共享給校內(nèi)其它學(xué)生以及其他高校師生，實(shí)現(xiàn)資源共享，擴(kuò)大受益人群。同時(shí)，也得到了更多用戶的體驗(yàn)反饋，便于虛擬仿真平臺(tái)的完善和改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)雙贏的局面。