計算機仿真在機械類專業(yè)工程實踐教育中的應(yīng)用

張亞平　李秋爽

摘要：現(xiàn)階段的機械類專業(yè)工程教學(xué)存在著明顯弊端，難以培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。鑒于此，應(yīng)當在機械類專業(yè)工程實踐教育中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，開展計算機仿真教學(xué)。應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)開展仿真教學(xué)，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，提高學(xué)生的實踐能力和操作技能，降低教學(xué)成本和風(fēng)險，提高教學(xué)效率和質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力。

關(guān)鍵詞：機械類專業(yè)工程教學(xué)；實踐教育；計算機仿真；應(yīng)用

一、前言

虛擬仿真技術(shù)可以模擬真實的工程場景，讓學(xué)生感受到實際操作的樂趣，從而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和積極性。虛擬仿真技術(shù)可以讓學(xué)生進行多次實驗和操作，從而加深對機械類工程知識的理解和掌握，提高實踐能力和操作技能。虛擬仿真技術(shù)可以減少實驗設(shè)備的購置和維護成本，同時避免因操作不當或設(shè)備故障等原因?qū)е碌陌踩L(fēng)險。虛擬仿真技術(shù)可以實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的可視化和互動，讓學(xué)生更加深入地理解和掌握知識，提高教學(xué)效率和質(zhì)量。虛擬仿真技術(shù)可以模擬不同的工程場景和實驗條件，讓學(xué)生在實踐中培養(yǎng)創(chuàng)新思維和實踐能力，為未來的工程實踐打下堅實的基礎(chǔ)。

二、現(xiàn)階段機械類專業(yè)工程教學(xué)存在的弊端

（一）國內(nèi)制造業(yè)的發(fā)展，對機械類專業(yè)工程教學(xué)提出了新的要求

2000年以來，國內(nèi)制造業(yè)取得了顯著的發(fā)展。據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，2014年，國內(nèi)規(guī)模以上制造業(yè)企業(yè)總數(shù)為32.70萬家，制造業(yè)行業(yè)總資產(chǎn)為65.12萬億元，制造業(yè)行業(yè)年營業(yè)收入超過90萬億元。2021年，國內(nèi)規(guī)模以上制造業(yè)企業(yè)總數(shù)已超過37.34萬家，制造業(yè)行業(yè)總資產(chǎn)超過97萬億元，制造業(yè)行業(yè)年營業(yè)收入超過96萬億元；制造業(yè)行業(yè)吸納的勞動力總量超過1.04億人。制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，不僅拉動了國民經(jīng)濟的增長，解決了億萬勞動力的就業(yè)問題，促進了工業(yè)化的升級；同時也推動了機械類專業(yè)工程教學(xué)的發(fā)展。但國內(nèi)制造業(yè)企業(yè)雇傭的員工大部分沒有接受過良好的機械專業(yè)工程教育，無法成長為技能型人才、應(yīng)用型人才。因此，制造業(yè)企業(yè)急需大量掌握豐富理論知識，同時具有較強實踐能力的應(yīng)用型人才[1]。

（二）現(xiàn)階段機械工程類專業(yè)教學(xué)模式存在的主要弊端

2022年5月，杭州某師范高校職業(yè)技術(shù)教育學(xué)的專家為研究現(xiàn)階段機械類專業(yè)工程教學(xué)的實際情況，隨機選擇各地5所開設(shè)機械工程類專業(yè)的高職院校，對5所院校機械工程類專業(yè)的學(xué)生進行了一次問卷調(diào)查。參與此次調(diào)查的學(xué)生共有397人。此次調(diào)查顯示，在全部接受調(diào)查的學(xué)生中，有56.4%的學(xué)生表示自己具有豐富的理論知識，但卻缺乏實踐經(jīng)驗；有48.3%的學(xué)生表示教師在上課時，主要采用講授法；有38.04%的學(xué)生表示教師講課的內(nèi)容非常難，有27.09%的學(xué)生表示教師講課的內(nèi)容比較難，只有7%的學(xué)生表示教師講課的內(nèi)容不太難；有53.8%的學(xué)生認為自己在課堂上學(xué)到的知識太過時，沒有與制造業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)需求接軌；有20.1%的學(xué)生表示自己沒有參加過專業(yè)的相關(guān)實習(xí)，有55.3%的學(xué)生表示自己只參加過一次與專業(yè)相關(guān)的實習(xí)；有64.89%的學(xué)生表示實習(xí)以參觀為主，難以深入了解設(shè)備運作、制造流程、制造工藝的具體情況；有37.22%的學(xué)生表示在實習(xí)期間，企業(yè)非常重視技術(shù)保密，不愿向?qū)W生透露過多的專業(yè)知識；有48.1%的學(xué)生表示實習(xí)時間過短，在實習(xí)期間難以培養(yǎng)、鍛煉實踐能力；有39.49%的學(xué)生表示在實習(xí)期間缺乏實操訓(xùn)練，或沒有參加過頂崗實習(xí)；有59.41%的學(xué)生表示自己缺乏解決復(fù)雜問題的能力。有36.5%的學(xué)生承認自己的實踐能力薄弱；有58.7%的學(xué)生表示對自己個人前景感到迷茫；有11.98%的學(xué)生表示自己曾經(jīng)考慮換專業(yè)。

通過此次調(diào)查，可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段機械工程類專業(yè)教學(xué)模式存在的弊端主要有以下幾點：1.機械工程類專業(yè)教學(xué)以理論教學(xué)為主，在課堂教學(xué)中，教師主要采用傳統(tǒng)的講授法給學(xué)生上課，這種教學(xué)方式使學(xué)生難以學(xué)習(xí)、掌握實踐技能（60%的學(xué)生表示自己具有豐富的理論知識，但卻缺乏實踐經(jīng)驗）；2.機械工程類專業(yè)教學(xué)的內(nèi)容具有一定的難度，而且，教學(xué)內(nèi)容往往與企業(yè)生產(chǎn)相互脫節(jié)（接近三分之二的被調(diào)查學(xué)生認為教師講課的內(nèi)容“非常難”或“比較難”）；3.開展實習(xí)教學(xué)存在較大的客觀困難。高職院校在開展實習(xí)教學(xué)時，往往采用校企合作的方式，聯(lián)絡(luò)制造業(yè)企業(yè)，組織學(xué)生到企業(yè)參加實習(xí)，這的確是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的一種有效方式。但當前的實際情況是許多制造業(yè)企業(yè)對校企合作缺乏興趣，不歡迎高職院校的學(xué)生到企業(yè)來實習(xí)（有20.1%的學(xué)生從未參加過本專業(yè)的相關(guān)實習(xí)）；另一些制造業(yè)企業(yè)雖然參與校企合作，但采取各項保密措施，企業(yè)的技術(shù)人員不肯向?qū)W生透露本企業(yè)設(shè)備運作、制造流程、制造工藝的具體情況，使實習(xí)變成了參觀。學(xué)生在實習(xí)過程中，很少有機會參與實操訓(xùn)練、頂崗實習(xí)。因此，實習(xí)教學(xué)的效果較差，難以培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和解決復(fù)雜問題的能力，由此導(dǎo)致超過三分之一的學(xué)生認為自己的實踐能力薄弱。由于缺乏實踐能力，許多學(xué)生對個人發(fā)展前景感到悲觀、迷茫，甚至考慮改換專業(yè)。

三、在機械類專業(yè)工程實踐教育中應(yīng)用計算機仿真教學(xué)

（一）計算機仿真教學(xué)

計算機仿真教學(xué)，指的是使用先進的信息技術(shù)，基于某一教學(xué)主題，采集真實世界中與該教學(xué)主題相關(guān)的大量信息，再使用計算機系統(tǒng)，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，對采集的信息進行綜合處理，并向?qū)W生發(fā)送視覺信息、聽覺信息等各種形式的信息，從而模仿真實世界，構(gòu)建形成一個虛擬世界，吸引學(xué)生投入沉浸式教學(xué)。學(xué)生在這個虛擬世界中，可以與仿真對象進行互動，主動探索各種知識。

計算機仿真教學(xué)最早出現(xiàn)在美國，在20世紀80年代，美國空軍采用計算機仿真教學(xué)訓(xùn)練飛行員，取得了很好的效果[2]。此后，美國高等院校對計算機仿真教學(xué)產(chǎn)生了興趣，各高校（包括加利福尼亞大學(xué)伯克利分校、斯坦福大學(xué)、巴布森學(xué)院、哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院等名校）紛紛引入、應(yīng)用計算機仿真技術(shù)，構(gòu)建虛擬仿真實驗室，在電氣、機械制造、機械生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)護理、物流、金融投資、會計、運輸管理等各個專業(yè)開展計算機仿真教學(xué)，取得了顯著的效果。近年來，計算機仿真教學(xué)傳入國內(nèi)，許多高校都建立了虛擬仿真實驗室，虛擬仿真教學(xué)平臺[3]。

與傳統(tǒng)的課堂教學(xué)、實習(xí)教學(xué)相比，計算機仿真教學(xué)具有明顯的優(yōu)勢。

1.教學(xué)成本較低

高校對學(xué)生開展實習(xí)教學(xué)，必須配置大量器材、設(shè)備、材料；這無疑會消耗大量教學(xué)經(jīng)費。對學(xué)生開展計算機仿真教學(xué)，則不需要使用任何器材、設(shè)備、材料，但學(xué)生同樣可以獲取真實的信息，從而保證教學(xué)質(zhì)量。

2.互動性較強

在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中，教師必須抓緊時間完成教學(xué)進度，因此，教師往往采用講授法上課，很少有時間與學(xué)生進行雙向互動；而且，教師向?qū)W生傳授的知識，主要是抽象的專業(yè)理論知識，這些抽象的專業(yè)理論知識與學(xué)生的日常生活存在相當大的距離，因此，學(xué)生容易出現(xiàn)學(xué)習(xí)困難[4]。教師對學(xué)生開展計算機仿真教學(xué)，可以結(jié)合仿真情景進行講解，將抽象概念變得形象化、可視化，從而降低學(xué)生的學(xué)習(xí)困難，并且實現(xiàn)理論教學(xué)與實驗教學(xué)的相互融合。學(xué)生在聽講過程中可以參與動手操作，教師可以觀察學(xué)生的操作過程，并對學(xué)生進行現(xiàn)場指導(dǎo)。因此，計算機仿真教學(xué)的互動性較強，學(xué)生在互動過程中，可以深入理解、掌握大量知識，從而提升學(xué)習(xí)效率。

3.可以為學(xué)生提供更多的實操訓(xùn)練機會

對學(xué)生開展計算機仿真教學(xué)，可以使學(xué)生詳細了解真實企業(yè)生產(chǎn)、運作的具體情況，可以使學(xué)生獲得更多的實操訓(xùn)練機會，從而培養(yǎng)學(xué)生實踐能力。在開展計算機仿真教學(xué)的過程中，教師還可以有意識地向?qū)W生設(shè)置一系列具有挑戰(zhàn)性的問題，并運用小組合作教學(xué)法，組織學(xué)生去解決這些問題，從而鍛煉學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力[5]。

4.計算機仿真教學(xué)的靈活性較高，更新比較便捷

現(xiàn)階段，學(xué)生的實習(xí)教學(xué)幾乎等同于企業(yè)的實際生產(chǎn)。但企業(yè)的實際生產(chǎn)過程較為單調(diào)枯燥，企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境比較封閉，且潛伏著一些危險因素；許多操作具有不可逆性，此外，企業(yè)往往對生產(chǎn)技術(shù)、生產(chǎn)工藝進行嚴格保密。學(xué)生在實習(xí)過程中，往往很難真正學(xué)到有用的、有價值的知識[6]。

（二）在機械類專業(yè)工程實踐教育中應(yīng)用計算機仿真教學(xué)

目前，國內(nèi)已經(jīng)有多所高校，天津大學(xué)、華中科技大學(xué)、浙江大學(xué)、山東建筑大學(xué)、上海理工大學(xué)等在機械類專業(yè)工程實踐教育中應(yīng)用計算機仿真教學(xué)。教育部還牽頭成立了高等學(xué)校機械工程學(xué)科虛擬仿真實驗教學(xué)共享平臺（http：//www.vrlab-mech.com），該平臺開設(shè)了工程圖學(xué)虛擬仿真實驗、齒輪泵裝配體虛擬仿真實驗、減速器底座加工工藝虛擬仿真實驗、典型輪系運動虛擬仿真實驗、機構(gòu)結(jié)構(gòu)認知與組成實驗、齒輪傳動裝置的潤滑與密封設(shè)計、聯(lián)軸器類型、結(jié)構(gòu)與選用虛擬實驗等近百門課程，各高校機械工程專業(yè)的學(xué)生只要登錄平臺，就可以觀看課程，接受仿真教學(xué)[7]；學(xué)生還可以在平臺上進行課程實驗，并上傳實驗報告。教師可以在線批閱學(xué)生的實驗報告，并進行評分。下面，將論述在機械類專業(yè)工程實踐教育中應(yīng)用計算機仿真教學(xué)的兩個方案。

1.引入虛擬仿真軟件

在機械類專業(yè)教學(xué)中引入虛擬仿真軟件，如SolidWorks、CATIA、ANSYS等，讓學(xué)生能夠在計算機上進行機械零部件的設(shè)計、模擬、分析和優(yōu)化等實踐操作。通過引入虛擬仿真軟件，可以提高機械類專業(yè)學(xué)生的實踐能力和理論知識水平，為未來的工作和研究打下堅實的基礎(chǔ)。

使用虛擬仿真軟件開展教學(xué)，要確定仿真教學(xué)的具體目標（如引導(dǎo)學(xué)生理解機械設(shè)計原理、加深對機械加工工藝的理解），教師要根據(jù)教學(xué)目標，在虛擬仿真軟件中建立機械模型，設(shè)置仿真參數(shù)（如運動軌跡、受力情況等）。學(xué)生通過虛擬仿真軟件進行機械零部件的三維建模和裝配，可以掌握機械設(shè)計的基本方法和技能。同時，可以讓學(xué)生了解機械零部件的設(shè)計要點和注意事項。學(xué)生通過虛擬仿真軟件進行機械零部件的運動學(xué)和動力學(xué)模擬，可以了解機械零部件的工作原理和特性。通過模擬，學(xué)生可以更加深入地理解機械原理和運動學(xué)知識。學(xué)生通過虛擬仿真軟件進行機械零部件的強度、剛度、耐久性等分析，從而提高機械分析和優(yōu)化的能力。通過分析，學(xué)生可以更加深入地了解機械零部件的特性和優(yōu)化方法。學(xué)生通過虛擬仿真軟件進行機械加工和裝配的模擬，可以了解機械工藝的流程和要點，掌握機械加工和裝配的方法和流程。學(xué)生應(yīng)用虛擬仿真軟件進行仿真分析，還可以觀察機械模型的運動、受力情況等。并根據(jù)仿真分析結(jié)果，對機械模型進行優(yōu)化設(shè)計，改進機械設(shè)計方案。

2.引入AI技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)

通過引入AI技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，構(gòu)建一個智能化的機械類專業(yè)工程教學(xué)平臺，可以提高學(xué)生的實踐能力和應(yīng)用能力。該平臺包括虛擬實驗室、虛擬仿真軟件、機器人輔導(dǎo)等多種教學(xué)工具，通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)應(yīng)用等手段，為學(xué)生提供全方位、個性化的實踐教學(xué)支持。

（1）建設(shè)虛擬實驗室

針對機械類專業(yè)工程教學(xué)中的實踐教學(xué)難點，建設(shè)虛擬實驗室。虛擬實驗室可以推動實踐教學(xué)走向數(shù)字化、智能化。虛擬實驗室包括多個實驗?zāi)K，如機械加工、焊接、機器人控制等，學(xué)生可以在虛擬實驗室中進行模擬實驗。實驗室還可以提供其他相關(guān)的教學(xué)資源和教學(xué)指導(dǎo)，幫助學(xué)生更好地進行實踐操作和理論學(xué)習(xí)，從而提升學(xué)生的實踐能力和理論知識水平，學(xué)生在虛擬實驗室中，可以更加深入地了解機械工程的應(yīng)用場景和實際問題，提高解決實際問題的能力。

還可以在虛擬實驗室的基礎(chǔ)上建設(shè)虛擬工廠。虛擬工廠可以模擬真實機械工廠的生產(chǎn)過程，讓學(xué)生了解機械工廠的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生在虛擬環(huán)境中認識、了解各種機械設(shè)備，以及機械制造的具體過程。建設(shè)虛擬工廠，需要使用AutoCAD、Revit等建模軟件進行建模。并且要設(shè)計工廠布局和生產(chǎn)線，包括選擇設(shè)備、布置設(shè)備，學(xué)生在虛擬工廠中接受仿真教學(xué)。教師可以針對機械類專業(yè)工程教學(xué)中的實踐教學(xué)難點，建設(shè)多個虛擬仿真模塊，學(xué)生在虛擬仿真模塊中進行模擬實踐。

（2）引入AI技術(shù)

通過引入AI技術(shù)，可以為學(xué)生提供更加智能化的實踐教學(xué)。

①提供個性化學(xué)習(xí)建議：AI技術(shù)使用機器學(xué)習(xí)算法，針對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和實踐表現(xiàn)，為學(xué)生提供個性化的學(xué)習(xí)和實踐建議，從而提升學(xué)生的實踐能力。

②智能化實踐評估：AI技術(shù)使用深度學(xué)習(xí)算法，對學(xué)生在虛擬仿真軟件中的實踐數(shù)據(jù)進行分析和評估，為教師提供更加準確的學(xué)生評估和教學(xué)反饋。

③智能化實踐輔導(dǎo)：通過機器人輔導(dǎo)技術(shù)，為學(xué)生提供智能化的實踐輔導(dǎo)和指導(dǎo)，幫助學(xué)生掌握實踐技能和方法。

④智能化監(jiān)控：引入AI技術(shù)，可以對學(xué)生的操作過程進行監(jiān)控和評估，及時反饋學(xué)生的錯誤和不足之處。通過攝像頭等設(shè)備對學(xué)生的操作過程進行實時監(jiān)控，記錄學(xué)生的操作步驟和過程。通過AI技術(shù)對學(xué)生的操作過程進行分析和識別，及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生的錯誤和不足之處，再對學(xué)生的錯誤進行糾正和指導(dǎo)，幫助學(xué)生提高實踐能力。

（3）引入大數(shù)據(jù)技術(shù)

采用大數(shù)據(jù)采集技術(shù)，通過傳感器、監(jiān)控等設(shè)備采集學(xué)生在虛擬仿真教學(xué)中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)。利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和分析技術(shù)，對學(xué)生在虛擬仿真軟件中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)進行分析和挖掘，教師根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，補齊學(xué)生的短板，提升學(xué)生的實踐能力。此外，還可以通過校企合作，將學(xué)生在虛擬仿真教學(xué)中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)應(yīng)用于機械企業(yè)的實際生產(chǎn)和制造；利用傳感器等設(shè)備對實際生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)進行收集和記錄，完成必要的數(shù)據(jù)整理、初步分析，提取出有用的信息和特征；再將機械企業(yè)的實際生產(chǎn)和制造中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)反饋給學(xué)生，幫助學(xué)生更好地了解企業(yè)的生產(chǎn)需求和技術(shù)應(yīng)用，了解生產(chǎn)過程中的各種問題和挑戰(zhàn)，了解機械加工的基本工藝、機床的使用和操作、機械加工的質(zhì)量控制、機械設(shè)備的保養(yǎng)、維修和故障排除等內(nèi)容，從而培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。

（4）引入機器人輔導(dǎo)技術(shù)

引入機器人輔導(dǎo)技術(shù)，可以為學(xué)生提供智能化的實踐輔導(dǎo)和指導(dǎo)，機器人輔導(dǎo)技術(shù)包括機器人輔導(dǎo)、機器人示范等，學(xué)生可以通過機器人輔導(dǎo)和機器人示范來學(xué)習(xí)和掌握實踐技能。

（5） 建設(shè)智能化實踐評估系統(tǒng)

建設(shè)智能化實踐評估系統(tǒng)，對學(xué)生在虛擬實驗室、虛擬工廠和虛擬仿真軟件中的實踐數(shù)據(jù)進行分析和評估，為教師提供更加準確的學(xué)生評估和教學(xué)反饋，從而更好地促進學(xué)生的實踐能力提升。

通過應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，可以提高學(xué)生的實踐能力和應(yīng)用能力；提高機械類專業(yè)工程教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率；增強學(xué)生的創(chuàng)新能力和競爭力。

四、結(jié)語

綜上所述，近幾年來，在制造業(yè)蓬勃發(fā)展的大背景下，機械類專業(yè)工程教學(xué)取得了較快發(fā)展，但機械類專業(yè)工程實踐教學(xué)卻面臨各種困難，難以提升學(xué)生的實踐能力。因此，應(yīng)當在機械類專業(yè)工程教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，推廣計算機仿真教學(xué)，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實踐能力，提升機械類專業(yè)工程教學(xué)的整體質(zhì)量。

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作者單位：信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院