基于虛擬仿真技術的機械類專業實踐教學綜合改革研究與實踐

摘 "要 "傳統機械類專業實踐教學存在實踐教學模式單一、資源浪費嚴重、學生學習興趣不濃、教與學未能達到深度融合、理論教學與實踐教學的授課教師不統一、課程前后連貫性不佳等問題。以長江大學機械工程學院為例，通過構建線上線下、虛實結合、以虛助實、理實聯動的“多向并行”模式，構建“三個模塊、六條主線”的虛擬仿真實踐教學體系，開發高性能虛擬仿真實踐教學云平臺及系列化教學資源，為機械類專業的專業實驗教學、畢業設計、創新實踐、學科競賽等實踐教學質量的提升提供基礎與平臺，對石油機械特色專業建設起到良好的助推作用，為機械類專業實踐教學綜合改革提供一定的參考。

關鍵詞 "虛擬仿真技術；機械類專業；實踐教學；教學云平臺；教學資源

中圖分類號：G642.0 " "文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）12-0122-08

0 "引言

近幾年，我國各高等院校致力于建設新工科教育體系，既順應了當前工科創新發展的新形勢，也能在實踐中探索中國式的工程教學，總結經驗[1]。虛擬仿真實驗教學課程是教育部提出的五大“金課”之一[2]。虛擬仿真實驗教學是“智能+教育”的先進教學模式和教學理念，它應用虛擬現實技術為學生創設一個生動、逼真、可視化和可互動的學習與實驗環境，提供一種理想的教學手段[3-4]。

目前在國內和國外已經逐步將虛擬仿真技術應用于軍事訓練、課程教學、運動訓練、醫學研究等方面。教育部在《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》《教育信息化中長期發展規劃（2021—2035年）》《關于推進“互聯網+教育”發展的指導意見》等文件中明確提出要“加快推進信息化與高等教育深度融合”。在此背景下，虛擬仿真技術逐漸在實踐教學領域的研究中得到廣泛應用。

1 "傳統機械類專業實踐教學存在的問題

機械類專業的基本特點是實踐性強，實踐教學是培養和提高學生的動手操作能力、創新能力和解決實際問題能力不可或缺的重要手段。當前部分高校傳統機械類專業實踐教學主要存在以下幾個方面的問題。

1.1 "傳統實驗教學模式單一，教學資源浪費較嚴重

傳統實驗方式需要各種儀器和設備，許多設備和儀器不僅價值貴、體積大，而且功能固定、單一。部分高校實驗教學過程中出于對學生人身安全的考慮，讓學生親自動手操作的機會不多，教學模式以實驗教師演示講授、學生聽和看為主。課程結束后，這部分實驗教學設備基本處于閑置狀態，沒有發揮在教學中的真正價值和作用，造成資源浪費嚴重。

1.2 "實踐教學條件受限，學生缺乏對實踐教學的興趣，未能達到教與學的深度融合

由于實踐教學場地和設備的限制，機械類實踐教學中只有極少數學生有機會上手操作，大部分學生在課堂上無法親自進行實踐操作，課后的實驗報告或結論只能通過網絡途徑或僅憑個人記憶進行梳理。學生缺乏實際的復習或練習的機會，對實踐教學的信心不足，通常只能按照實驗教材做驗證性實驗，缺乏學習興趣與熱情，很難發揮自身的積極性和創造性，未能將課前、課中、課后的知識點串聯起來，實現教與學的深度融合。

1.3 "專業教師能承擔實踐教學的比例不足，課程理論教學與實踐教學的授課教師不統一，課程前后連貫性不佳

當前部分傳統高校機械類專業的理論教學與實踐教學分開進行，專業教師能承擔實踐教學的比例明顯不足。由于理論教學和實踐教學的教師隸屬于專業教學和實踐教學兩條線，同一門課，學生需上完理論課再進到實驗室或實訓中心上另一位教師的實踐課，理論教學與實踐教學的教師不同，導致課程從理論到實踐缺乏連貫性和一致性。

綜合上述問題，長江大學機械工程學院從機械類實踐教學的教學方式和教學內容上積極探索、進行改革，將虛擬仿真技術引入實踐教學，有效提升了機械類專業實踐教學及人才培養的整體質量。

2 基于虛擬仿真技術的機械類專業實踐教學綜合改革策略

長江大學機械工程學院依托“基于虛擬仿真技術的機械類專業實驗教學綜合改革研究”“依托學科競賽培養機械類大學生實踐創新能力的研究與實踐”等多項省級教研項目，結合學院石油機械的專業特點，創建機械類專業虛擬仿真實踐教學研究團隊。通過多年的教學研究與實踐，團隊充分利用信息技術，結合認知學習理論，提出基于仿真技術的“多向并行—深度探究”的實踐教學理念，構建“三個模塊、六條主線”的虛擬仿真實踐教學新體系，開發高性能虛擬仿真實踐教學云平臺及系列化教學資源。將虛擬仿真技術與教學理念、教學模式、內容體系、資源共享等深度融合，有效推動了機械類專業實踐教學活動的創新性變革。機械類專業實踐教學綜合改革研究的思路如圖1所示。

2.1 "提出“多向并行—深度探究”的實踐教學理念，構建教與學有機融合的教學新格局

2.1.1 "基于認知理論和教學改革研究，構建線上線下、虛實結合、以虛助實、理實聯動的“多向并行”模式

1）線上線下結合教學。利用虛擬仿真技術與實踐教學緊密結合，借助虛擬仿真高性能教學云平臺開拓虛擬教學漫游場景與條件，線上完成實驗實訓課程預習、課程內容講解、學生個人操作、回顧練習以及考核；線下有針對性地開展對理論或疑難問題的深入驗證探討，提升教學的完整性。

2）虛實結合、以虛助實。依托虛擬仿真實踐教學平臺，在虛擬環境中操作、理解、完成對知識點的認知，實現虛實之間的相互驗證，滿足線下高成本、高風險、大規模等實驗實訓教學需求，打破教學周期、場地、空間等限制。

3）理實聯動。理論與實踐緊密結合，借助虛擬仿真技術，將難以講清的知識點立體化，通過虛擬實踐操作，形象理解理論知識，實現理論與實踐的聯動。

2.1.2 "依托“多向并行”模式，形成浸潤主導、交互聯動、自主構建的“深度探究”實踐教學新格局，提升學生的沉浸感、過程體驗感知，拓寬自主構建創新設計的空間

1）浸潤主導：針對較復雜的機械知識模塊（鉆具防噴器、泥漿泵等），實現高仿真的3D教學環境和教學資源的開發。

2）交互聯動：針對注重過程體驗感知的知識模塊（凸輪運動仿真等），實現流暢的虛擬交互。

3）自主構建：針對綜合創新性的知識模塊（齒輪的失效仿真與實測、軸承聯接傳動受力仿真與實測等），實現自主構建創新設計。

2.2 "構建“三個模塊、六條主線”的虛擬仿真實踐教學體系

以大工程教育思想為指導，緊密結合區域經濟發展和行業需求，注重學科特點及工程實踐教學規律，按照分層次、模塊化、綜合式、開放型的教學改革思路，構建機械設計與創新、機械制造、實用機械三個模塊，原理類實驗、設計創新類實驗、傳統加工、現代加工、石油機械、通用機械六條主線的“三個模塊、六條主線”虛擬仿真實踐教學體系，如圖2所示。

1）原理類實驗（實踐）仿真體系包括機械原理、投影原理、運動規律、機構傳動、摩擦特性、機械效率、運動矢量圖等實驗。面向機械設計制造及其自動化、材料成型及控制工程、過程裝備控制工程等機械類專業學生已經開設的AutoCAD軟件工程訓練、三維軟件SolidWorks和Pro/E進行零件建模、裝配建模和工程圖實驗、模具拆裝虛擬實驗、平面機構運動簡圖測繪實驗、機構組成及運動實驗、機械原理設計實驗、機構創新設計實驗等。

2）設計創新類實驗包括凸輪運動仿真和實測、曲柄導桿滑塊機構中滑塊運動仿真和實測、齒輪范成法加工仿真、速度矢量圖的設計和實測、聯接件的防松與強度仿真與實測、齒輪的失效仿真與實測、軸承與軸聯接傳動受力仿真與實測等實驗。機械類專業學生在運用有限元方法進行力學分析實驗的基礎上，進一步拓展基于有限元的曲軸傳動分析、氣動機械結構力學分析、齒輪動力學分析、自由振動分析等仿真實驗建設，為復雜結構動力學分析仿真打下基礎。

3）制造類實訓以數控技術為核心，將虛擬現實技術應用在數控加工中，基于虛擬現實技術的現代數控加工技術實習以數控車、數控銑、數控鉆為基本內容，向三維打印、電火花、雕刻等特種加工技術延伸。

4）實用機械類實踐結合學校的石油行業背景，以重點研究抽油機為突破口，向其他石油機械和通用機械延伸。

2.3 " 開發高性能虛擬仿真實踐教學云平臺及系列化教學資源

2.3.1 "虛擬仿真實踐云平臺的架構

學院以學校本科教學質量與教學改革工程建設為契機，強化實踐育人觀念，推進管理創新和教學內容方法改革，突出學校人才培養的特色與優勢，著力培養學生實踐能力和創新能力。利用自主研發的YOUBOX開放實訓平臺及YOUBOX 3D云桌面系統，依托微服務架構及超算云等技術，構建新一代GPU集群計算云化解決方案，自主開發的高性能虛擬仿真實踐教學云平臺整體架構如圖3所示。特別開發的長江大學機械工程學院高性能虛擬仿真教學云平臺可以實現跨時空、跨終端的虛擬仿真資源應用，如圖4所示。

2.3.2 "系列虛擬仿真教學資源

為了更好地推進機械類專業的實踐教學，學院虛擬仿真實踐教學團隊分別開發機械原理、機械設計等10余門課程的虛擬仿真教學系統；液壓與氣壓傳動虛擬仿真實驗在線教學系統、模塊化抽油機組合設計虛擬仿真實驗模型等10余套實驗教學系統及10多部《SolidWorks三維設計教程》等3D立體化教材。

3 "虛擬仿真技術在實踐教學中的應用

3.1 "虛擬仿真技術在實驗教學中的應用

為更好地將專業理論教學與實踐教學相融合，團隊開發液壓與氣壓傳動虛擬仿真實驗在線教學系統，系統學習內容包括液壓元件布置、油路連接、液壓元件參數設置、油缸運動仿真、實驗數據記錄和圖表繪制，系統具備在線學習功能。實驗原理學習包括四個液壓回路實驗：進油路節流調速、回油路節流調速、旁油路節流調速、順序動作回路。進油路節流調速實驗原理學習如圖5所示。

完成實驗原理學習后，在左上方的下拉列表中可選擇仿真實驗。仿真實驗包括四個，分別為進油路節流調速、回油路節流調速、旁油路節流調速、順序動作回路。進油路節流調速仿真實驗如圖6所示。

此外，利用團隊開發的模塊化抽油機組合設計虛擬仿真實驗模型實驗教學系統，可以搭建模塊化抽油機組合設計虛擬仿真實驗模型，采用模塊化思想，實現抽油機的組合式互換和自由式裝卸，實現常規型、前置型、異相型、彎游梁型等四種類型抽油機的組合式互換和自由式裝卸，突破傳統抽油機模型功能及用途的單一性。抽油機組合變形如圖7所示。

在設計類課程中，沖壓工藝及模具設計課程是典型的課堂教學和虛擬實驗有機結合的例子，該課程已收集整理或開發虛擬仿真動畫、視頻近百項，涉及沖裁工藝、彎曲工藝、拉深工藝等主要沖壓工藝以及單工序模、復合模、級進模等各類沖壓模具。虛擬仿真動畫、視頻等展示沖壓工藝、模具結構甚至沖壓加工過程，不僅讓課堂內容更加豐富、生動，而且很多實驗可以在課堂上直接通過虛擬仿真完成，充分體現課堂和實驗的有效結合，取得很好的課堂教學和實驗效果。圖8～10為部分典型沖壓模具圖和動畫視頻資料。

為了加強長江大學機械工程學院傳統石油機械特色，學校已購買用于海洋工程模擬的海洋工程與裝備模擬平臺Drilling System 600，價值493萬余元，如圖11所示。

數控技術課程中，將虛擬現實技術應用在對數控機床的整體結構、組裝、拆卸以及工作原理的演示方面，增強學生對注射模的整體結構認知和知識掌握。基于虛擬現實技術的數控技術課程教學徹底打破PPT講解等傳統教學模式，革新教學固有模式，對提高學生的學習興趣、增強動手實踐能力和激發學生的自主能動性具有重要意義，可以大大提高學生知識掌握的效率，有效地提高了現代數控加工實習的質量。

數控虛擬仿真系統將數控加工與模擬訓練有效結合，優點非常突出：1）輕松，模擬控制面板和屏幕顯示，無須進行實際操作；2）安全，能減少和避免用戶在真實加工環境中出現的各種錯誤和損害；3）逼真，過程仿真，迅速掌握操作過程。該系統可以減少投資和操作成本，解決數控機床臺套不足的問題；同時克服學生不敢動手、怕損壞實物機床等畏懼心理，通過虛擬仿真訓練，實際操作效果更好，有效提高工程實訓質量。

為了培養虛擬產品開發人才，學院還在工業設計專業開設虛擬現實技術專業選修課。該課程主要是使學生了解虛擬現實技術的一些基本理論與方法，了解什么是虛擬現實（Virtual Reality，VR）、虛擬環境（Virtual Environment，VE）、虛

擬原型機（Virtual Prototype，VP），了解它們所用的主要技術、主要組成、常見的產品及虛擬環境的開發，并可以將自己設計的產品或其他三維實體作品以虛擬產品的形式展示出來。通過課程的學習，學生可以增強對虛擬技術所需的計算機軟/硬件系統、計算機圖形學、人機工程學、人工智能、模式識別等各學科知識的掌握，并對它們在虛擬現實中的應用有初步的了解，同時，對虛擬技術在各不同領域的應用有初步認識。

3.2 "虛擬仿真在畢業設計中的應用

SolidWorks、ANSYS、Moldflow等三維建模、分析和仿真軟件在機械類專業學生畢業設計上得到廣泛應用，據統計，機械類專業約80%以上的畢業設計或多或少應用了該類軟件做虛擬仿真實驗。畢業設計采用手工計算方式，處理數據能力極其有限，效率很低，使得方案選擇、計算過程、工況分析受到極大制約。而學生在虛擬環境中可反復實驗，充分發揮創新設計思維，內容涉及方案構思、產品設計、參數選擇、工藝設計、結構優化、虛擬分析、虛擬制造等方面，不僅可以有效地節省人力、物力和時間，而且可以提高設計效率、水平和質量。2014、2018、2022屆部分畢業生畢業設計基本情況綜合比較如表1所示。

從三屆學生的畢業設計可以看出：虛擬軟件使用前后、使用初期及成熟階段，學生的方案設計從簡單到復雜，從與工程實際脫節到盡量接近工程實際，再到對實際結構進行改造；力學計算從手工計算到軟件模擬，可完成復雜結構設計計算，為選擇合理的方案提供了技術支持；工況分析從不能計算到簡單計算，再到多種工況、多種條件變化同時進行分析的能力有很大提高；學生以前只能完成以設計為主的機構、結構、部件和設備的設計，現在可以完成方案設計、力學分析、結構設計優化、加工工藝設計到虛擬制造等各種類型的題目。

3.3 "虛擬仿真在創新設計實踐和學科競賽中的應用

借助常用的SolidWorks、Rhino、MAYA等造型軟件，機械類學生開展了形式多樣的機械三維造型創新設計與制作虛擬仿真實驗并派優秀代表參加全國性學科競賽。通過實驗和競賽，學生可以將自己的創新構思通過計算機三維圖形和動畫的方式得以實現，彌補新實踐活動中經費和制作條件的不足，讓更多的學生參與創新實踐活動。同時，在創新實踐活動中，針對常用的傳動裝置，引導學生對其性能進行分析，結合創新技法，提出改進方案。虛擬仿真創新實踐教學對開拓學生創造性思維、引導學生積極投身機械創新設計制作活動和競賽發揮了很好的作用。

通過組織和帶領大學生參與課外CAD/CAE/CAM等虛擬仿真技能訓練、機械創新設計大賽等競賽和科技創新活動，為全方位培養學生的創新能力和綜合素質提供了良好平臺和手段，取得顯著成效。例如：圖12所示的多功能可變形載運助力手推車于2016年獲得全國大學生機械創新設計大賽國賽一等獎；圖13所示自動硬幣分類包裝機于2016年獲得全國大學生機械創新設計大賽國賽二等獎。還有立式自行車停車架、無碳小車等創新設計都是首先運用虛擬仿真進行設計，再加工出實物模型。

結合學院石油機械特色，團隊以石油行業中最常用的抽油機為突破口，引導學生積極開展創新活動，大膽構思、大膽實踐，完成后置層疊式雙拉桿長沖程抽油機（圖14）等多種新型抽油機結構方案等的創新設計，其中該項作品曾獲得“挑戰杯”國賽一等獎的好成績。

4 "結束語

綜上所述，虛擬仿真技術為機械類專業的實踐教學綜合改革提供了更多可能性，不僅可以增強學生的學習興趣，而且可以豐富教學方式，提高教學效率，為新時代高校機械類特色專業人才培養注入活力。進一步將課程教學與虛擬仿真技術結合，不斷開發符合實際需求的虛擬仿真教學體系，為機械類專業人才培養和一流專業建設提供有力的支撐。

5 "參考文獻

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