基于虛擬仿真實驗的機械類教學理論與實踐研究

蘇春建，韓寶坤，王 瑞

（山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590）

引言

多數高等院校都開設了實驗教學，使學生能夠直觀、形象地看到機械的組成與運動操作，理解和掌握機械知識。然而，傳統的實驗方式需要較多的儀器和設備，這些儀器和設備普遍價值昂貴、體積大，并且結構單一、固定，無法充分發揮學生的創造性和主觀能動性，難以滿足目前的機械類教學要求，因此，研究新的機械類實驗教學體系顯得尤為重要［1-2］。隨著信息技術的不斷發展，用虛擬系統模仿一個真實系統的虛擬仿真技術不斷趨于成熟，應用也日益廣泛，把虛擬仿真技術作為實驗教學的主要方式，已經成為教學工作人員探討的重點。山東科技大學以提高機械類教學水平為目標，以培養高素質人才為目的，提出應積極探索基于虛擬仿真技術的機械類實驗教學體系，并將虛擬仿真技術更多地應用于機械類教學實踐中，通過虛實結合、理論與實踐相結合，使得實驗教學在有限的資源和設備下發揮更大的作用，使學生可以更加直觀、簡單地獲取機械知識，同時提高教學質量。

一、傳統的機械類實驗教學概述

機械類教學具有非常強的抽象性和實踐性，學生不易掌握其內容，因此實驗成為機械類教學的主要環節和重要手段。實驗教學能讓學生更加直觀、形象地了解相關機械知識，是提高學生動手操作能力、激發學生學習興趣的主要方式。然而，傳統的機械類實驗教學基本是直接對實物進行操作。近年來，高等院校人數不斷增加（山東科技大學機械電子工程學院現有本科生近3000名，碩士研究生、博士研究生180余名），傳統實驗教學中的問題不斷顯現。

（一）實驗資金緊缺

傳統實驗教學需要較多的儀器設備、原材料和大量物資，這些設備和儀器普遍占用空間大、價值昂貴，需要投入大量的物力、財力。例如我校的機械類實驗室，占地2800平方米，設備有116臺，設備的總價值約1500萬元。而多數學校的資金來源相對單一，實驗資金緊缺，導致實驗室陳舊，設備不足，老化嚴重，甚至部分實驗無法進行，難以滿足目前的機械類教學要求。

（二）實驗條件不夠完善

目前，部分高校的實驗室建制、資源配置不合理，用于實驗的儀器設備明顯不足，并且低水平重復、技術落后、更新速度慢，不論是從數量上還是從先進程度上都無法與機械類教學目標相適應。多數學生在學習過程中無法實際動手實驗，從而難以掌握和理解機械類的相關知識。

（三）實驗存在安全問題

在機械類專業中開展實驗教學存在一定的安全風險。在教師方面，一些實驗教師未接受過系統的安全培訓，在一定程度上缺乏足夠的安全技能和安全經驗。另外，由于實驗教師數量不足，學生人數較多，在實驗中指導教師難以全面關注每位學生的操作過程，在安全方面埋下了隱患；在學生方面，由于缺乏安全意識和自我保護意識，操作不謹慎和不規范也會誘發安全事故［3］。

二、基于虛擬仿真實驗的機械類教學理論

（一）虛擬仿真實驗教學概述

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，是學科專業與信息技術深度融合的產物。虛擬仿真實驗教學是一種新型的教學形式，其依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，學生在虛擬環境中開展實驗，其視覺、聽覺、觸覺等感官，容易接受、處理、反饋和學習相關信息，以達到教學大綱要求的教學效果［4］。

虛擬仿真實驗教學中心的建設是機械類虛擬仿真實驗教學的重要環節，其任務是在涉及高危或極端環境、不可及或不可逆的操作，以及高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況時，提供可靠、安全和經濟的實驗項目，實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能。山東科技大學建設了先進制造技術研究中心，其機械工程虛擬仿真實驗室項目包含煤礦安全開采虛擬仿真實驗教學中心等，設有“礦山機械”“采掘機械”等課程，通過配置、連接、調節和使用虛擬實驗儀器設備，按照安全生產規程，構建虛擬仿真實驗過程與三維場景，掌握各環節的安全生產要素。

（二）虛擬仿真實驗在機械類教學中的優勢

與傳統的機械類實驗教學相比，虛擬仿真技術在教學中占有諸多優勢。首先，在機械類教學中利用虛擬仿真技術，可以在有限的資源和設備條件下對學生進行機械組成與運動操作的展示，既可以幫助學生理解機械知識，又能有效地降低教學成本，提高教學的便利性與有效性。同時，實驗教學時間靈活，且不受地域等方面的限制［5］。其次，虛擬仿真實驗教學的應用不僅能激發學生的學習興趣，還能讓學生在虛擬實驗系統中反復操作練習，提高實際動手能力和獨立思考能力。山東科技大學機械電子工程學院的CAD/CAE機房，就是通過引進虛擬仿真技術實現了對設備的改進和替代，學生通過上機模擬實驗，更好地理解和掌握了相關的機械知識，使得教學效率和質量有了明顯提高。最后，虛擬仿真實驗在高等學校大力推行，可以促進教育信息化發展，教師可以運用最新的虛擬現實技術輔助教學，參與相關實驗課程虛擬化的開發設計，這樣不僅能極大地豐富教學資源，還能提升教師應用信息化教學的素養［6］。

總的來說，將虛擬仿真技術更好地應用到機械類實驗教學中，能夠豐富原有的教學媒體，突破原有實驗教學條件的限制，為學生創設仿真學習環境，充分發揮學生的動手操作能力和自主學習能力，并提高教學質量。隨著信息技術的不斷發展，虛擬仿真技術作為一種新型的教育教學技術，必將在機械類教學中發揮更加重要的作用。

三、基于虛擬仿真實驗的機械類教學實踐研究

（一）整合虛擬仿真實驗資源，推進實驗教學資源建設

建立虛擬仿真實驗的關鍵是采用虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術，根據實驗教學需求設計出應用于實驗的虛擬實驗場景、虛擬環境、虛擬儀器設備等。因此，要發揮學科專業的優勢，充分整合學校實驗教學資源，提高教學能力，降低成本和風險。山東科技大學機械電子工程學院建立了煤礦安全開采虛擬仿真實驗教學中心，涉及采礦、測繪、地質、機電、計算機等多學科資源，按照專兼結合的原則，推進實驗教學資源建設，豐富教學內容。

（二）充分利用虛擬仿真實驗教學共享平臺，實現對本科人才的創新培養

山東科技大學機械電子工程學院一直非常重視對本科生的創新培養，在培養過程中，充分利用虛擬仿真實驗教學平臺，引導學生的創新意識，培養創新能力。表1為2019—2021年山東科技大學機械電子工程學院的本科生在各類創新比賽中取得的成績。可以看出，學生的比賽成績越來越好，其創新能力在不斷上升，學團工作也取得了可喜可賀的成績。如山東科技大學智能海洋機器人創新團隊獲評2019年度“小平科技創新團隊”稱號，山東科技大學機械電子工程學院的學生陳天祥獲評“第十屆中國青少年科技創新獎”、楊揚獲得2017年度“中國電信獎學金·飛Young獎”暨“踐行社會主義核心價值觀先進個人”榮譽稱號等。

表1 2019—2021年山東科技大學機械電子工程學院本科生在各類創新比賽中取得的成績

（三）建設虛擬仿真實驗教學共享平臺，實現實驗教學資源的開放式利用與共享

為了實現學校內外、多地區的實驗教學資源共享，合理管理機械類實驗教學資源，滿足更廣泛地區對虛擬仿真實驗教學的需求，搭建具有擴展性、兼容性、前瞻性的共享平臺，建立可持續發展的虛擬仿真實驗教學服務支撐體系［7］。目前學校網絡存在一份多儲、資源分布不均且只有一種存儲方法等問題，故在現有基礎上，建設覆蓋無線網絡，實現網絡的無障礙連接和超大數據存儲。為了建立校園網信息安全立體防護體系，不僅采取路由器、防火墻加密等方法，還在分域分級控制、物理層隔離、信息流向控制等方面進行了相關操作，構建安全的虛擬仿真實驗教學平臺鏈接，建立多個地區、多個學校實驗教學資源的合理利用和開放共享。表2為虛擬平臺共享資源列表。

表2 虛擬平臺共享資源

（四）加強虛擬仿真實驗教學師資建設，努力提高教師的業務水平

基于虛擬仿真實驗的機械類教學需要打造一支兼備科研、教學、技術人員，以及具備穩定、核心骨干的虛擬仿真實驗教學團隊，形成具有先進理念、較高學術、專注科研、不斷創新的虛擬仿真實驗教學隊伍。山東科技大學重點培養和引進虛擬仿真復合型人才，合理配置學科專業教師與信息技術研發人員；注重對青年教師的培養，通過積極參加機械類的培訓學習，實現教師專業水準的提升；加強國內外學術交流，定期選派中心教師到國外著名大學進行學習交流。山東科技大學依托機械類學科建設，打造高水平實驗教學團隊，通過不斷引進和培養優秀人才，打造了一支以教授為主體，以中青年博士為骨干，學歷結構、年齡結構和職稱結構更加合理，具有豐富實踐教學經驗的高水平實驗教師隊伍。

結語

機械類專業具有很強的抽象性和實踐性，傳統的機械類教學需要耗費大量的人力、物力和財力，同時無法保證學生安全地學習機械類基礎知識。為了培養學生的學習樂趣，增強學生的創造能力和實踐能力，根據虛擬仿真技術搭建虛擬環境和對象，在機械類實驗教學中進行具體實踐，讓學生在高度虛擬的環境中實踐，積累知識，達到了很好的教學效果。因此，積極研究基于虛擬仿真實驗的機械類教學理論與實踐，具有深遠的理論和價值意義。