機械基礎實驗教學體系構建及其數字化網絡平臺研究*

劉征宏 ，吳家福 ，姚固文 ，鐘麗瓊

（貴陽學院機械工程學院，貴州 貴陽 550005）

在“互聯網+”背景下，以超星、慕課為代表的在線學習平臺迅速崛起，與互聯網高度結合的移動學習方式受到全國高校及學生的歡迎，教學的方式正在被重新定義。實驗教學作為課堂理論知識的補充與拓展，對人才的培養同樣起著至關重要的作用。如何跟上時代的腳步，在原有的教學基礎上設計適合線上教學的實驗教學體系是高校需要思考的問題。本文以機械基礎實驗教學為研究對象，基于新工科建設要求，融入工程教育專業認證和OBE 理念，構建了新的機械基礎實驗教學體系，設計了基于Web 的軟硬件結合、數字資源豐富的三維虛擬實驗平臺。本文的研究結果將進一步完善機械基礎實驗教學體系，解決機械基礎實驗設備儀器資源短缺問題，為實驗類課程的線上教學提供一種新思路。

1 機械基礎實驗教學體系構建

隨著工程教育專業認證及新工科建設的不斷推進，各高校對學生的綜合創新及實踐能力要求越來越高，有關實驗教學的研究備受關注。實驗教學在整個課程體系中有著重要的地位，學生的基礎理論、基本技能和創新設計能力等方面在課堂的有限時間里不能得到充分的培養，實驗教學作為課堂的拓展與補充，對上述學生能力的訓練起到了積極作用，但現有的機械基礎實驗教學還存在諸多明顯的不足[1]。因此，為適應新時代教育的發展，構建能鞏固學生基礎、提升學生綜合創新實踐能力的實驗教學體系顯得尤為重要[2]。

1.1 傳統實驗教學的不足

目前，各高校都在積極地從實驗項目、教學方法、實驗設備、實驗場地等方面提高實驗教學質量和成效。但多數實驗教學仍然存在以下主要問題：1）教學方式較為傳統、不夠新穎。現有的教學方法為老師對實驗與案例進行講解，隨后向同學們示范實驗，學生再按照老師的講解重復操作[3]。機械基礎實驗項目大多局限于基礎理論知識的驗證性實驗，缺乏實驗的構思、設計、參與、交互等過程，學生的創造性思維無法得到充分培養。2）實驗內容缺乏系統性。實驗項目主要是對一個知識點進行單方面驗證的驗證性實驗，各知識點之間聯系不夠緊密，缺少系統性的聯結，學生理解到的理論知識較為零散，無法串聯起整個理論體系。3）實驗資源和場地受限。目前，很多高校尤其是地方院校實驗資源相對匱乏，主要體現在實驗設備臺套數不夠，學生需分組實驗，影響了教學效率；實驗設備老舊，很多設備跟不上學科發展，不能支撐學科知識更新，有些配置較低，操作反應遲鈍。因此，亟需構建系統的機械基礎實驗教學體系，借助數字化方法拓展實驗教學資源。

1.2 機械基礎實驗教學體系構建

機械基礎實驗教學體系構建，既要符合教學質量國家標準、工程教育專業認證要求，又需結合學校辦學定位及相關專業人才培養方案，突出培養特色。構建以引導認知型實驗、基礎型實驗、綜合設計型實驗和研究創新型實驗四個層次為構架的機械基礎實驗教學體系，以機械認知、機械設計和機械研究為一條主線，鞏固學生基礎，培養工科人才的創新思維[4]。引導認知型實驗主要包括機構、機械結構及零部件認知、機構認知、機構簡圖；基礎型實驗主要包括機構簡圖測繪、動平衡實驗、滑動軸承壓力實驗；綜合設計型實驗主要包括計算機繪圖、速度波動調節、機械傳動設計與性能分析；研究創新型實驗主要為機構創新設計[5]。

2 數字化網絡平臺研究

數字化網絡平臺需要將信息技術和教育交叉融合，充分利用虛擬仿真、計算機圖形、互聯網技術等創新實驗教學方式，為培養新工科人才搭建符合“互聯網+”時代背景的實驗實踐平臺。因此，探索以計算機技術為代表的新興技術在實踐教學中的應用，對于實驗教育手段的創新具有重要意義。

2.1 3D模型及動畫構建

在實驗教學體系的框架下，通過3D 建模軟件、3D 掃描等建模技術構建實驗設備及零部件的三維模型，如齒輪、軸、軸承、電機、帶輪、鏈輪、連桿機構、凸輪機構、蝸輪蝸桿機構、刀具、夾具、減速器、變速器、轉向系統、機床等；構建機構運動、機器運動、加工過程仿真、車間虛擬仿真等3D 動畫，如連桿機構演化、不同類型凸輪機構運動、不同類型齒輪運動、以減速器為代表的機器運動、車銑刨磨鉆鏜锪切削加工過程、生產線模擬等。

通過建模將實驗所包含設備、相關零部件、場景等數字化；通過動畫設計構建相關機構及機器的運動原理、相關產品的加工制造過程仿真、生產線及車間運行等動畫。除了滿足“機械制圖”“機械原理”“機械設計”“機械制造技術”等課程實驗內容，也為相關理論課程教學提供了多媒體資源。

2.2 基于VR的虛擬仿真交互實驗平臺構建

多媒體技術、三維建模技術、仿真技術、動畫設計、虛擬現實等數字化技術已被廣泛應用于教學，并取得了很好的效果。虛擬現實（Virtual Reality, VR）技術借助計算機等設備產生一個逼真的三維視覺、觸覺、嗅覺等多種感官體驗的擬真環境，具有沉浸式交互、多通道感知等特性[6]，主要應用于VR 實驗室、VR 圖書館、VR 課堂等。隨著互聯網的普及和相關技術的不斷進步，關于網絡化與VR 技術結合的研究也越來越受到高校的重視。

VR 虛擬實驗環境的搭建是改進物理模型、板書或者幻燈片等授課形式的關鍵，逼真的、交互性好的虛擬系統可以大大激發學生們的學習興趣，提高學生的主動性和創造力。將所構建的模型及動畫與虛擬仿真實驗室現有的環幕、3D 投影儀、3D 眼鏡等硬件設備相融合，通過交互過程開發，構建了一個虛擬的、逼真的、可交互的軟硬件相結合的虛擬實驗平臺。虛擬實驗平臺的構建如圖1 所示。虛擬實驗系統的涵蓋范圍可以隨技術的發展而逐步擴大，內容也會不斷更新迭代。機械行業的各種零件的模型、零件毛坯到成品的加工過程、零件的多種加工方式以及零件加工的原理和工作過程的動態模擬等均可以通過該系統進行展示。

圖1 基于VR的虛擬實驗平臺構建

2.3 網絡虛擬實驗教學平臺研究

網絡實驗平臺的研究讓學生不必再被時間和空間限制，實驗預習、實驗作業等可通過移動學習的方式在其他地方完成，使實驗教學更加靈活，同時使交互操作和學習資料一體化。為了發布虛擬實驗網絡平臺，需借助UE4引擎技術，在UE4中使用C++編程或藍圖技術進行交互設計。

基于虛擬現實技術中的UE4 虛幻引擎技術，采用C++腳本語言進行交互過程開發[7]，融合網絡技術，通過業務流程及需求分析、體系結構設計、功能設計等步驟，設計了基于Web 的三維虛擬實驗平臺[8-9]。該平臺具有在線虛擬實驗、實驗教學管理及平臺管理維護等功能，使學生能夠擺脫時間和空間等因素的限制，實現對機械類不同層次實驗（如引導認知型實驗、基礎型實驗、綜合設計型實驗等）的在線學習和動手操作。網絡虛擬實驗平臺功能模塊圖如圖2 所示。

圖2 網絡虛擬實驗平臺功能模塊圖

學生在教師的指導下選擇減速器拆裝實驗進入實驗場景，以減速器拆裝實驗為例，該平臺具有如下主要功能：1）通過鼠標操作實現瀏覽視角變換，通過滾輪操作實現縮放功能；2）使用鼠標點擊場景中的按鈕，實現減速器整體及各部件、組件的組裝和拆卸演示；3）使用鼠標拖拽、點擊零部件進行交互組裝，并提示正確的操作順序，拆卸操作也類似；4）點擊相關按鈕，可測量相應的軸徑、齒輪齒數、齒輪模數等參數。

網絡實驗平臺的功能實現：以虛擬實驗平臺的減速器拆裝實驗為例，對虛擬實驗的設計與實現進行講解。該實驗分為構建三維零部件模型、設計與實現模型交互功能、發布網絡三個步驟。

3 結語

機械基礎實驗教學體系的建設是一個持續更新的動態、系統建設過程[10]。本文基于實驗教學體系的構建，在教學資源開發、數字化平臺構建、虛擬實驗平臺設計等方面提出了新思路[11-12]，并做出了創新性的實踐，為開展線上與線下結合的教學活動打下了堅實的基礎，豐富了現有教學方法[13-14]。同時，也提供了一個數字化教學平臺，有效推進和帶動了數字化實驗教學體系的構建。