工程机械虚拟仿真实验教学中心体系建设

马登成, 张新荣, 胡永彪, 刘清涛

(长安大学 工程机械国家虚拟仿真实验教学中心， 西安 710064)

0 引 言

实验教学是十分重要的教学环节,通过实验教学使课程理论知识得到验证,加深学生的认知效果，借助实验教学使学生掌握先进的分析方法,加深对理论知识的掌握，提高学生综合能力[1-4]。由于工程机械自身的特点，采取实验教学具有以下困难：① 工程机械品种多、价格贵，实际工作过程中电、油、气等资源消耗大，资金投入需求巨大，高校很难配备完备的实验设备；② 一些大型设备系统复杂、体积庞大、封闭性高，学生无法看到设备运行时的内部情况，再加上工作环境恶劣、危险性高、学生很难参与到实际实验当中；③ 企业因为生产和安全的压力，给予学生到装备制造一线实践的机会越来越少，生产实习难以达到预期效果。

上述问题使得采用真实装备进行大规模实验教学不具可行性，以致学生的实践动手能力不强、创新意识不足，制约了高素质人才的培养，而借助虚拟仿真实验可以解决上述问题[8-12]。本文结合工程机械虚拟仿真实验教学中心建设，介绍虚拟仿真实验教学在高校工程机械类、公路交通建设类专业人才培养过程中的作用与优势，以及长安大学在构建虚拟仿真实验教学保障管理体系的建设思路，为其他高校在建设虚拟仿真实验教学中心提供思路和借鉴。

1 工程机械虚拟仿真实验优势

(1) 提升学生实践动手能力。虚拟仿真实验教学的发展,改变了以往只能依靠研习图纸、参观实习、老师讲解的传统实践人才培养模式[5-7]。工程机械虚拟仿真实验可以很好地解决以往由于一些大型设备系统复杂、体积庞大、封闭性高，学生无法看到设备运行时的内部情况，再加上工作环境恶劣、危险性高,学生很难了解到实际实验当中的情况，使学生既能够身临其境，又能“钻”入设备内部观看其运行状况，大大提高学生对理论知识的掌握。使理论与实际相结合、虚拟仿真实验与实际实验相互补充、优化配置,全面提升学生在实验教学环节中自主学习、解决复杂问题、协同合作的能力,达到高层次人才培养的目标[13-15]。

(2) 能够促进学生自主创新能力的培养。工程机械结构复杂、体积庞大、工作环境恶劣、实际操作具有危险性,对其内部结构及运行规律,无法进行实验或深入理解,而传统实验设备很难实现学生自主设计实验。借助工程机械虚拟仿真实验,学生可以在没有任何安全风险的环境中，没有二次投入成本的条件下，自由、自主进行实验，还可以对一些大型复杂的工程机械的原理、设计、制造、运用进行全流程的虚拟设计及虚拟实验,使学生对工程机械原理、结构、运用、维修检测的全过程有更为清楚的认识和深入的掌握。因此,能够促进学生自主创新能力的培养,能最大限度地利用好实验教学资源。

(3) 促进优质实验资源的开放与共享。真实实验无法进行实验资源的广泛共享,虚拟仿真实验可提供优质实验资源更有效的开放共享。工程机械虚拟仿真实验教学中心虚拟仿真教学资源可按照项目和内容、时间、创新实践、对外服务等方面实现共享[6-10]；可接待国内、陕西省内及周边省份高校来中心开展实验,还可为企业人员开展培训服务;可以远程访问中心网站,参与中心提供远程虚拟仿真实验教学项目促进优质实验资源的开放与共享。

2 工程机械虚拟仿真实验教学中心特色与创新

(1) 具有公路交通特色。实验教学中心承担了我校机械电子工程、机械设计制造及其自动化、工程机械、工业设计、机械工程、车辆工程、土木工程等专业和学科的虚拟仿真实验教学任务，形成了具有工程机械特色的虚拟仿真实验教学体系。

(2) 充分利用科研资源,实验教学内容丰富。工程机械、公路与建筑施工等专业在实际中经常具有危险性，这在实验室无法真实模拟，如工程机械危险环境驾驶等方面的实验和教学,也涉及到多种高成本、高消耗综合训练，如塔机安装方面的实验和教学，这些实验和教学任务很难进行实际实验，本实验教学中心将针对工程机械、车辆工程、土木工程等几个学科科研和教学中的需求,实验教学内容丰富。

(3) 重视培养学生的创新意识与能力,效益显著。实验教学中心形成了一套强化学生创新能力培养的课外自主学习系统，系统的目的是使学生能够根据各自的兴趣特点和个性化需求，有选择的进行自主学习,是课堂教学的有效延伸,对于提高学生的学习兴趣和学习效果具有巨大的促进作用。立足实践教学研究,中心进一步充分利用既有资源，同公司、企业等广泛开展合作，形成了校企合作的良性互动和循环机制。中心完成的科研项目中70%以上都得到了应用，社会、经济效益显著。

3 虚拟仿真实验教学体系与保障

3.1 虚拟仿真实验教学体系

工程机械虚拟仿真实验教学中心通过自主创新、与企业合作,已拥有实验室信息化管理与资源共享系统、商用工具软件、虚拟仿真教学软件和半实物仿真平台等仿真系统,中心建成了涵盖两大层次、37门课程和6个虚拟仿真实验平台共计85个实验项目的虚拟仿真实验教学项目(见图1)。根据对学生培养的要求与具体实验性质内容，将实验项目分为专业基础类和行业特色类两大种类，使学生能够“由外而内、逐步深入”地掌握工程机械内部构造与工作过程，提高学生专业理论水平与解决实际问题的能力[16]。

3.2 虚拟仿真实验教学保障

3.2.1 组织保障

为了有效保证实验教学的质量,实验教学中心采取由校实验室管理处代表学校与学院共同管理的模式，同时创建分层负责、相互协作的管理运行机制，实验教学和教辅人员由中心统一任命、管理。中心设主任1名，副主任2人，主任由学院院长兼职，负责中心的实验室总体建设。2名副主任协助主任分管日常实验教学工作、实验室资源共享建设、以及与合作企业的协调工作。同时，中心设有实验教学专家委员会，对实验教学大纲、教学内容进行审核与引导。中心组织保障(见图2)。

图1 虚拟仿真实验教学体系

图2 中心组织保障图

中心下设5个虚拟仿真分室,由具体各分室主任对中心各实验教学设备进行管理与维护,以保证设备正常运行和实验教学的顺利进行。组织有丰富实践教学经验以及研究能力的教师队伍,以保障实验教学质量。中心其他人员工作安排主要分为:专(兼)职教师负责理论课和实验课讲授;管理和技术人员负责实验室的日常开放、设备管理、软硬件维护、实验技术开发、实验课程指导及实验室建设等。

3.2.2 制度保障

(1) 教师队伍管理。实验教学中心通过制定实施一系列政策措施,充分调动实验教师的教学积极性,使实验教学走向良性循环。主要有:① 选聘教学经验丰富、水平高、责任心强、管理能力突出的具有副高以上职称的教师主任和副主任,建立主任运行负责制的中心工作班子；② 实行实验技术人员聘任制,在校内外公开招聘、择优录取具有硕士以上学位的实验人员,组建结构合理、符合中心实际的实验教学中心队伍,提高中心高级职称和博士、硕士学历的水平；③ 加强国内外培训,优先安排实验教学人员出国培训考察；④ 制定并实施与实验教学人员相应的岗位职责及考核办法,引导和激励高水平教师积极投入实验教学；⑤ 鼓励、组织和支持实验教学人员积极开展教学研究和进修,努力提高实验教学与科研水平,中心计划选派人员每年参加1～2次有关实验室建设或学科建设的国际、国内学术会议；⑥ 健全落实实验教学队伍培养培训制度,每年选拔一定数量的实验室教师到国外或国内知名高校、企业进修。

(2) 职责划分。校实验室与设备管理处负责对各级实验教学示范中心的宏观管理。主要协调有关部门,全面指导实验教学示范中心的规划、建设、管理和考核；制定、落实学校对实验教学示范中心建设的相关政策,促进各级中心的可持续发展；组织实验教学示范中心的交流,促进中心的合作,推广国家级虚拟仿真实验教学中心的先进经验和实验教学成果；负责组织对实验教学中心的检查和验收。

实验教学中心所在工程机械学院的主要负责对实验教学中心的直接管理；制定、落实实验教学中心的发展规划和相关政策,采取有效措施,保障队伍、经费、虚拟实验仪器等,促进中心进一步建设和发展；支持实验教学中心的对外交流合作、培训等活动,充分发挥中心辐射作用。另外，实验教学中心为规范管理,做到制度健全、职责明确、运行有序,制定了一系列规章制度和岗位职责,如工程机械虚拟仿真实验教学工作成绩考核评估体系、管理条例、主任岗位职责等。

这些规章制度在中心的日常工作中得到了严格地执行,有效地保障了实验教学中心的正常运作。

4 虚拟仿真实验教学信息化管理

随着网络技术的迅猛发展,进行虚拟仿真实验教学信息化管理,能够更好的为师生服务，提高教学质量与创建教学实验条件[6-7]。

(1) 中心门户网站。访客可访问实验教学中心网站主页(见图3)，可直接进入开放式的中心信息化管理与资源共享平台开展教学活动,交流学习和实验心得。实验中心采用开放式虚拟仿真实验教学管理平台,其功能概况(见图4)。

(2) 实验教务管理。实验教务管理根据教务部门制定的教学计划，将实验课程、教学日历、课表等内容信息录入系统，以便教师和学生在网上开展实验教学，为教师和学生查询各种实验教学信息提供便利。学生登录系统后,根据自己的培养计划和学校的开课计划进行选课,查看实验相关的课程表，了解任课教师和教学安排信息。虚拟仿真平台实验管理模式(见图5)。

图3 实验中心网站

图4 开放式虚拟仿真实验教学管理平台

图5 虚拟仿真实验平台实验管理模式

教务管理平台将实验教学的相关资料如各学科的实验教学大纲、实验内容等发布到实验中心网站，老师可以在平台与学生互动、答疑。学生能够提前熟悉实验课程内容、进展以及相关资料，另外，还能够对想要做的实验进行提前预约，做完后能够上传报告并查看实验结果与成绩等。学生也可通过实验系统,进行具体实验，并查看实验结果。也在“学生创新管理平台”利用服务器上公开的源代码,先自行预研，申请立项，组建团队，参与源代码开发，引导学生自主性、个性化研究,切身参与虚拟仿真实验室的建设。

(3) 实验教学管理。在实验教学管理上，教师可以借助教务教学管理平台进行相关操作(见图6)。

图6 教务教学管理平台

5 虚拟仿真实验教学成效

实验教学中心建设了以学术带头人为核心,以中青年学者、教授为骨干,以年轻博士为主体,团结协作的高水平教师团队,实验室加强了对国内外优秀中青年人才的吸引、引进和培养,在制度和软硬件环境等多方面予以支持,取得了丰硕成果。

近年来,中心人员共完成省部级以上教学研究项目5项,获得陕西省教学成果奖一等奖2项,二等奖1项；机械电子工程、机械设计及其自动化专业获批国家级特色专业,机械基础课程教学团队、机械设计及其自动化教学团队被授予陕西省教学团队,机械设计及其自动化专业被评为省级名牌专业,省级教学名师1名。在科研方面也取得了突出的成绩,先后承担国家和省部级纵向科研项目20余项,共获得省部级以上科学技术奖项5项,编写教材10余部。

中心非常重视教师的教学水平提高和教学方法改革研究,将虚拟仿真设备融于各项课程的实际教学过程中，既提高了学生的学习兴趣与效率,也为虚拟仿真设备进一步开发提供了新的思路，通过多年的实践和完善，中心已经总结出一套行之有效的实践教学方法，为虚拟仿真实验教学中心后续教学工作的开展提供了坚实的基础，为高等教育和道路交通事业做出了应有

的贡献。

6 结 语

通过多年建设,中心已于2016年获批国家级虚拟仿真实验教学中心,经过中心教师努力与校企合作,已开发了工程机械原理展示、拆卸和装配过程、关键零部件现代虚拟制造、结构设计及其分析计算、虚拟操作、电液控制系统、施工远程监控与信息化等7个虚拟仿真实验平台。中心已拥有一个富于创新精神和高水平研发能力的研究团队。