机械工程虚拟仿真实验教学体系的研究与实践

蒙艳玫， 唐治宏， 董　振， 陆冠成， 李先旺， 梁　策

(广西大学 机械工程学院， 广西 南宁　530004)



机械工程虚拟仿真实验教学体系的研究与实践

蒙艳玫， 唐治宏， 董振， 陆冠成， 李先旺， 梁策

(广西大学 机械工程学院， 广西 南宁530004)

构建了广西大学具有地方性综合大学鲜明特色的层次化、模块化、虚实结合的开放式实验教学体系，该体系以实验独立设课为主线，涵盖机械工程本科教育全过程。通过将科研成果转化、自主研发和联合研发，建立了必修与选修实验相结合、课内和课外相结合的开放性虚拟仿真实验教学内容，建设了产学研相结合的学生课外实践和科技创新平台。虚拟仿真实验教学体系已成为广西大学教学体系不可或缺的部分，实现了理论与实践相结合、实践与创新相结合、课内与课外相结合、学校与社会相结合。

虚拟仿真； 实验教学体系； 机械工程专业

1　虚拟仿真实验教学体系的构成和建设原则

传统的机械类实验教学依附于理论课程，是理论教学的辅助教学形式，实验教学目标主要是验证理论知识、让学生加深对理论知识的理解。在实验教学过程中，学生是被动地参与，而不是积极主动地探究。实验教学体系中各门课程的实验往往都是孤立的，忽略了实验课程内容之间的内在逻辑关系，缺乏各学科知识的关联性、交互性和系统性。此外，实验教学受到设备、场地、师资等条件的限制，特别是涉及高危或极端环境、高成本、高消耗的大型或综合性实验项目要完全依赖于实体设备，制约了学生创新意识、创新能力的培养[1-2]。

针对以上问题，广西大学机械工程实验教学中心进行了深入的实验教学改革，构建了以实验独立设课为主线，涵盖机械工程专业本科教育全过程的层次化、模块化的开放式实验和实践教学体系，解决了同一专业的各门实验课分散、孤立且多有重复，缺乏关联性和系统性的突出问题，使它们既与理论课程体系有机结合，又相对独立[2-3]。

教学体系中每个课程实验模块为一门独立的实验课，单独考核和计算学分；学生课外实践和科技创新模块通过基于项目总线(projectbus)驱动的本科生创新能力培养模式，鼓励学生参与教师的科研项目和企业委托项目。本科生从大二年级开始到毕业设计，自主立项并参加指导教师的实验技能项目，中心提供给学生完全开放的实验和实践学习环境。此项改革分别获得了2009年广西优秀教学成果二等奖和2012年广西优秀教学成果一等奖。

在实验教学改革的过程中，中心积极引入现代化教学手段，将基于互联网的开放环境与传统的基于硬件操作的实验相结合，建设了与实体实验教学体系优势互补的虚拟仿真实验教学内容。虚拟仿真实验弥补了实体实验教学受设备、场地、师资限制的缺点和进行高成本、高消耗、大型综合实验项目的困难，极大地提升了中心的实验教学水平。鲜明的改革特色使广西大学机械工程虚拟仿真实验教学中心被评为2014年国家级虚拟仿真实验教学中心。

虚拟实验教学内容设置与开发遵循“系统性、层次性、工程性、交互性”和“以实为本、虚实结合、能实不虚”的原则。一是综合运用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库以及网络通信等先进技术，构建紧密联系工程实际的、逼真的实验操作环境和实验对象，达到真实实验难以实现的教学效果，使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中进行高效、安全且经济的实验；二是提高优质教学资源的使用效率和受益面，实现优质教学资源共建共享，提高资源的利用率[4-7]；三是推动科研成果向本科实验教学移植和转化，推动工程实践与实验教学相结合，拓展实验教学示范中心服务社会的功能，扩大影响力；四是要与机械工程实体实验教学优势互补、互依共存，形成系统性、层次化、模块化、虚实结合的开放式机械工程实验和实训教学新模式。

2　虚拟仿真实验平台的构建

独立设课的开放式实验和实践教学体系的实验内容，包括基于硬件操作的实验教学、基于虚拟现实的计算机仿真实验(含网络化远程实验)教学两大部分，其中虚拟仿真实验教学体系由与实体实验相对应的优势互补、互依共存4个平台、9个教学模块组成(见图1)。

图1　虚拟仿真实验教学体系

每个实验教学模块独立考核和计算学分，每个模块根据不同专业对象的需要，除了基本必修实验项目外，还提供大量综合性、设计性和研究性的选修实验。学生在完成必修实验+选修实验课时的学习并经过考核合格后可获得学分。课程分为A、B、C三档：A档为基本必修实验，B档为A+综合性、设计性选修实验，C档为A+B+研究性选修实验。每学期，各个模块的实验均循环滚动开出，方便学生选修、重修及第二学位的选修。

2.1机械制造虚拟仿真实验教学平台

机械制造虚拟仿真实验教学平台涵盖了“金工实训”、“机械制造技术基础”、“先进制造技术”、“计算机集成制造”、“特种加工技术”和“机械CAD/CAM”、“数控原理”、“数控编程”等基础课程和专业课程的虚拟仿真实验，在机械工程开放性教学体系中划分为“金工实训”、“现代加工实验技术”和“机械CAD/CAM及数控技术”3个教学模块，3门实验独立设课。在中心的虚拟现实平台、虚拟制造系统等软硬件环境中，虚拟仿真实验项目从基础型、综合设计型、研究型3个层次进行搭建。

(1) 基础性金工虚拟实训比传统的校内外实体实训有着自身的优势和特点，全真模拟数字化加工车间的工作环境、工作步骤和工作内容，使学生通过完全沉浸式的职业角色扮演，真实地体验各个职业岗位，了解设备原理和工作过程，熟悉了工作步骤、工作内容，并学习训练相关工作技能。

(2) “现代加工虚拟仿真技术”是在学生学习现代制造设备、技术和工艺过程，了解零件加工要求、精度等质量标准和检测方法的同时，以更全面、更系统的形式构建了面向新型制造模式的先进制造技术的学习，以生产解决方案为主线，将 “机械制造技术基础”、“先进制造技术”、“计算机集成制造”、“特种加工技术”“生产信息化技术”等紧密结合的系列专业课程群知识点贯穿其中，构建完整的现代制造模拟流程和虚拟训练过程，给学生创造了适应多品种、小批量生产模式的生产组织与决策、技术应用与开发创新、信息管理与集成的现代制造工程虚拟实验教学内容[2,8]。

(3) 机械类专业学生的核心能力是机械CAD/CAM/CNC技术应用能力，该能力是通过机械CAD设计—机械CAD/CAM实训—数控技术实训、实习—毕业设计等实践教学环节来逐步形成的。虚拟仿真实验针对解决一个实际问题，设计出总体方案，实施其全过程。实践教学借助于三维大型CAD软件和数控加工中心和三坐标测量仪等大型硬件设备、中心教师的科研教学成果、以及自主研发的车铣钻CAD/CAM一体化系统和网络化开放式数控系统实验教学和设计开发综合平台，采用虚实结合的方式，构建了一个全开放的机械CAD/CAM一体化、现代数控技术综合教学平台[2,9-10]。

2.2机械设计虚拟仿真实验教学平台

机械设计虚拟仿真实验教学平台的教学内容包括“机械制图”、“计算机绘图”、“机械零件与原理”、“机械设计”等基础课程整合的“机械设计基础实验”；“计算机辅助工程”、“虚拟样机技术”等专业课程整合的“虚拟样机实验技术”。教学模块的实验通过基础型、综合设计型、研究创新型3个层次进行规划。

(1) 机械设计基础实验。学生通过二维、三维软件学习，熟悉典型零件的计算机绘图、零部件设计，在虚拟环境中观察典型零部件的组成和运动情况，以齿轮泵和减速箱为例学习零部件测绘和虚拟装配等。通过基础实验，使学生既有很强的感性认识，又锻炼了设计能力，为基于想象的开放性创意设计提供了虚拟实现的平台，拓展了学生的创造空间，使他们获得机械结构、机械方案设计和创新实践的思维方式。

(2) 虚拟样机实验技术。该实验课通过在计算机上构造能够反映产品特性的数字化模型，模拟在真实环境下系统的运动和动力特性，并根据仿真结果精简和优化系统，完成物理样机无法完成的虚拟实验，从而无需制造物理样机就可获得产品级的优化设计方案。该实验模块通过对大型CAD软件和工程分析软件ANSYS、ADMAS建模仿真分析，经ENSING三维可视化软件在虚拟现实硬件平台展示产品设计分析的结果，掌握在高度仿真的虚拟实验环境中的先进数字化设计方法，能极大提高学生的学习兴趣，有利于培养学生工程设计能力和创新思维。

虚拟样机技术集成了可运行的虚拟仿真创新设计环境，包括各种仿真工具、分析工具、控制工具、设备和组织协同工作的方法等，可以改善从产品的概念设计到动态仿真再到整机结构优化的各个阶段。利用虚拟样机技术可以建立零件模型、进行虚拟装配、检查零部件的装配间隙和干涉，应用分析软件对样机进行运动仿真并对关键部件进行校核和计算，及时发现设计缺陷、优化设计方案，方便地更改模型，从而提高设计效率、缩短设计周期、降低生产成本。

在教学过程中提倡以机械创新设计需求为主导的学习思想，并根据基础课程和专业课程的具体要求，注重对虚拟建模、运动仿真和优化设计等各个阶段的综合培训，结合学生课程设计、毕业设计以及课外实验技能项目、参与教师科研项目和学科竞赛等课外实践环节，以渐进和知识构建的思路组织自主实践内容，促使学生在不同阶段自主学习机械设计知识，有效提高机械类本科生创新设计实践能力。

2.3机械电子网络化远程实验教学平台

机械电子网络化远程实验教学平台由“电工电子技术”和“机电系统分析与测控”两个远程实验教学模块组成。

(1) 电工电子技术实验教学模块涵盖了“电工技术”和“电子技术”基础课程的虚拟仿真实验，具有远程网络学习、虚拟实验智能指导和提交实验结果后自动评定实验成绩与效果的功能，实验过程智能指导，可以监控学习者的实验过程。当学生在实验过程中遇到问题时，可以通过该系统寻求指导教师的帮助，系统也可以主动对学生的不当实验操作给予提示，避免发生错误。学生或教师可以直接对系统提问，系统会反馈相关的知识信息；学生做完实验、提交实验结果后，自动批改功能可以获取学生的实验数据并进行处理，将有用信息提交给评价推理机。评价推理机利用教师在知识库中预先录入的样例对学生的实验结果信息进行鉴别，根据匹配样例和批改规则对学生的实验结果进行推理分析，最后给出该实验成绩并反馈给实验平台、呈现给学生，成绩和相关信息将汇总到成绩管理模块。

(2) 机电系统分析与测控远程实验教学模块涵盖了“机械控制工程基础”、“机械工程测试技术基础”、“电液控制工程”3门课程的虚拟实验。实验以当代大型工程测控应用软件Matlab和LabVIEW为开发工具，结合实验教学的要求，开发了虚实结合的网络化远程测控实验内容。平台基于远程仿真实验系统的开放接口，具有远程开发性的架构，通过虚拟仿真实验系统，实现基于万维网的实验设备共享，推进建设虚拟仿真大实验室的进程，实现了24小时完全开放的实验教学。

网络化远程测控综合实验教学平台是一个综合了传感技术、控制技术、信号处理、数据处理和计算机技术的平台。实验平台以虚拟仪器理念为基础，以实验对象虚实相结合为主线，以实验对象共享和复用为目标，有效解决了测控实验对象设备庞大、成本高、易受场地限制和难以在实验教学中实现等问题，并将实验对象参数化和实验数据动态化，以逼近现实过程测控。该实验平台不但可以将真实环境数据融入平台并进行分析与处理，而且还可以作为远程仿真分析和远程控制的综合平台，为培养面向工程实际的应用人才奠定坚实基础。

2.4学生课外实践和科技创新虚拟仿真平台

学生课外实践和科技创新平台利用网络化实验教学课件、网络化虚拟仿真实验平台以及开放实验室资源，提供一个全开放的自主学习的实验教学环境。学生课外实践和科技创新模块通过基于项目总线(projectbus)驱动的本科生创新能力培养模式，鼓励学生参与教师的科研项目和企业委托项目，学生从大二开始到毕业设计，也可以自主申请与立项实验技能项目，从课内到课外为学生提供完全开放的实验和实践学习环境。

通过公共基础、专业基础和专业技术的实验教学、课外实践和科技创新活动，使学生从入学到毕业各个阶段都能得到严格、良好的实践训练。同时，根据专业类型和学生的需求设置基本型实验、提高型实验和科技创新实践活动，把研究型教学思想贯穿实验教学的始终，使学生获得创新意识和工程实践能力的培养。

中心经过十几年的探索，构建了以实验独立设课为主线的开放性、层次化、模块化的虚实结合的教学模式。该模式是虚拟仿真条件下工学结合的教学模式，在机械设计、产品开发、加工制造等各环节，恰当地进行虚拟仿真实验，做到虚实结合、优势互补，使课堂教学、虚拟仿真、实际操作三位一体，创建了学习的最佳环境和情境，实现了学习活动与生产实践的有机融合、课堂教学过程与虚拟生产过程对接。

3　结语

虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的优势得到了充分的体现。

(1) 机械工程实体实验教学方式需要投入大量的设备和场地，耗工耗料。虚拟仿真实验利用计算机完成产品设计、开发的构想，实现虚拟制造和样机虚拟实验分析，节省了大量人力、财力和时间。学生可以在虚拟环境中反复学习，充分发挥创新设计思维。通过数字化技术的应用，拉近机械工程教学与产业实际的距离。通过虚拟制造，使学生对机械工程有更为清晰的认识，产业适应能力增强。

(2) 基于虚实结合的教学形式，将实体实验教学与虚拟仿真实验有机地结合，促进学生理解和掌握知识，促进知识的转化和拓展，提高学生综合专业能力。通过贴近机械工程的仿真实验，也使学生的实际应用能力得到的全面的提高。

实验中心从建立新型的学习环境入手，围绕学校的机械工程复合型创新人才培养计划，集成自主研发和联合研发的开放式网络化机械CAD/CAM/CNC软件系统、网络化远程虚实结合实验系统、制造过程仿真实验系统、虚拟装配系统、数字化工厂仿真实验平台和基于虚拟样机技术的产品设计实验项目，建设与实体实验教学优势互补、互依共存的虚拟实验教学体系，以此形成一个虚实结合的开放性实验教学环境，大量极具创新和个性化的开放性实验项目强化了学生的动手能力和工程实践能力，全面提升了学生在机械工程技术方面的综合素质。近5年来，学生立项创新实践和实验技能项目147项，申请专利94项，在各类创意、创新大赛中获得奖项120项。广西多家龙头制造企业对广西大学机械工程学院毕业生的评价是基础扎实、动手能力强、能吃苦、定位好，充分证明了虚实结合的开放式实验教学培养模式改革取得了实效。

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Researchandpracticeofvirtualsimulationexperimentalteachingsysteminmechanicalengineering

MengYanmei,TangZhihong,DongZhen,LuGuancheng,LiXianwang,LiangCe

(CollegeofMechanicalEngineering,GuangxiUniversity,Nanning530004,China)

Anopenexperimentalteachingsystembasedonindependentdesignedexperimentisresearchedandconstructed,whichincludeshierarchicalandmodulardesigninthewholeprocessofundergraduateeducationformechanicalengineering.Throughthewayofscientificresearchresultstransformation,independentdevelopmentandjointdevelopment,openvirtualsimulationexperimentalteachingcontentsareconstructed,whichcombinecompulsoryandelectiveexperiments.Theconstructionof“School-EnterpriseCooperation”students’scientificandtechnicalinnovationplatform,realizesthecombinationoftheoryandpractice,practiceandinnovation,teachingandextracurricular,schoolandsocialcombination,whichwillbecomeanindispensablepartofteachingsystem.

virtualsimulation;experimentalteachingsystem;mechanicalengineeringspecialty

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.028

2015- 11- 30

国家级广西大学机械工程虚拟仿真实验教学中心(教高厅函[2015]3号)；新世纪广西高等教育教学改革工程资助项目(2015JGA124)

蒙艳玫(1963—)，女，广西南宁，博士，教授，博士生导师，国家级广西大学机械工程虚拟仿真中心主任，主要研究方向为虚拟样机技术、机电系统智能检测与控制技术.

E-mail：gxu_mengyun@163.com

G642

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1002-4956(2016)5- 0109- 04