新工科背景下机械专业虚拟仿真实验教学项目设计

杨志杰

【摘要】新工科建设对高等工程教育体系提出了新的要求和方向，对工科人才的培养更加注重综合素质和解决复杂工程问题的实践创新能力。高校机械专业教学内容覆盖广，涉及的设备体积和规模大，且部分教学内容涉及的设备危险性大、周期长、成本高，对这类实验对象，传统实验教学平台和仪器只能简单演示，根本无法满足新工科背景下的实验教学需求。以虚拟仿真技术为支点、以虚实结合为途径、以交互操作为手段构建全新实验教学体系，促进学生自主学习、探究式学习成为共识。武汉理工大学机电工程学院通过打造“新型干法水泥生产工艺与装备虚拟仿真实验”项目，助力新工科建设，消除传统教学手段“盲点”。作为国家级虚拟仿真实验教学项目，其设计思路为新工科背景下机械专业虚拟仿真实验教学项目设计积累了可贵经验。

【关键词】机械专业  虚拟仿真  实验教学

【基金项目】武汉理工大学教学改革研究项目（项目编号：w2019078）。

【中图分类号】G434;TH-4 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2020）52-0074-02

培养具有卓越实践创新能力的高素质复合型工科人才已成为新工科背景下高等教育的核心目标之一。国家积极引导建立面向新工科的高等院校机械类专业人才培养体系，高度重视机械类专业学生的实践创新能力培养效果，不断强调高等院校机械类专业学生培养过程中实践教学的重要性。武汉理工大学机电工程学院着力打造优质虚拟仿真实验教学项目，通过集中优势资源不断优化“新型干法水泥生产工艺与装备虚拟仿真实验”项目，解决真实实验项目因极端环境、高成本、高消耗、不可逆操作等导致的新型干法水泥生产工艺与装备相关实验无法有效开展的难题，将现代信息技术与实验教学项目深度融合，拓展实验教学内容广度和深度，延伸实验教学时间与空间，切实提升实验教学质量和教学水平。项目建设成效显著，经层层选拔，由教育部认定为国家级虚拟仿真实验教学项目，可为同类新工科背景下机械专业虚拟仿真实验教学项目设计提供参考。

1.明确虚拟仿真实验教学目的

善用虚拟技术优势，内容紧扣教学大纲。虚拟仿真实验教学项目应紧密结合相关课程教学大纲，依托虚拟仿真实验教学技术优势，解决传统教学过程中的痛点。《过程装备成套技术》、《建材装备设计》、《粉体力学与设备》等课程的传统教学过程，教学大纲中明确要求的水泥生产工艺流程认知、关键设备结构认知与分析、关键设备结构设计、粒度特性测试等内容的教学手段还基本停留在使用文字、图片等的PPT教学阶段，教学内容枯燥乏味，难以帮助学生直观理解和掌握所学知识。为充分激發学生的学习兴趣和潜能，契合教学大纲对教学内容和教学目标的要求，培养学生掌握知识、运用知识的能力，“新型干法水泥生产工艺与装备虚拟仿真实验”项目有效运用虚拟仿真教学手段，明确实验目的如下：利用虚拟仿真实验平台，引导学生完成教学大纲要求的各项教学内容的学习，熟练掌握新型干法水泥生产的工艺流程，准确掌握各工艺流程的作用;掌握新型干法水泥生产关键装备：旋风预热器、分解炉、立式磨、回转窑、球磨机等设备的工作原理、结构特点和配套关系;掌握颚式破碎机的工作原理和机构特点，利用虚拟仿真实验平台完成的整机拆装实验，帮助学生进一步加深对设备机械结构和设计特点的理解;切实提高学生设计能力，通过虚拟环境下的关键设备结构设计实验，帮助学生直观了解设计对象，明确理论知识运用目标，培养学生创新思维;通过绘制产品粒度特性曲线的实验过程，提升学生对理论知识的理解和运用能力，帮助学生对产品粒度特性的含义形成更加直观的印象，提升学生理论联系实际的能力;加深学生对虚拟实验操作及相关理论知识的理解，帮助学生掌握机械类相关专业的实验方法，训练学生在实验中获取知识的能力，培养学生的创新能力和动手能力;打破学生获取知识的时间、空间限制，以学生的需求出发，允许学生根据个人需求多视角、多形式、多次数完成实验，充分调动学生参与实验教学的积极性和主动性;引导学生在交互实验中建立起完备的建材装备知识体系，提高学生对企业生产流程的全面认识，直观理解大型生产企业的宏观设计思想，对大型生产线的运行管理形成深刻印象，培养学生运用理论知识分析问题、解决工程实际问题的能力。为毕业后从事相关工作打下坚实基础。

2.设计科学合理的实验方案

打破现实条件限制，提升实验教学效果。紧密结合专业特色和行业产业发展最新成果，紧密结合学校定位和人才培养特点，紧密结合理论课程教学大纲对教学内容和教学目标的各项要求，采用现代信息技术，依托虚拟仿真实验教学手段，综合运用多媒体、三维建模、人机交互、虚拟现实、数字化、智能化技术手段，以提高实验教学项目的吸引力、提高学生学习效率为目标，充分考虑不同层次、不同类型、不同课程学生的学习需求，以真实现代化大型水泥生产企业为原型，直观展现当前最先进的新型干法水泥生产线，以关键设备结构及工作原理为重点分析对象，配合物料在设备内的流转及发生的物理、化学变化过程，帮助学生准确掌握新型干法水泥生产工艺。并以此为基础，整合水泥生产工艺流程认知、关键设备结构认知与分析、关键设备结构设计、粒度特性测试等四部分实验内容，学生可在虚拟仿真环境中完成对新型干法水泥生产工艺与装备从认识分析到规划设计的实践学习全过程，有效提升学生实验教学效果。

3.创新实验教学方式方法

改变教师主导模式，激励学生自主学习。构建以学生为中心，自主实践为主线的新型实践教学模式，改变传统实践教学中教师主导的“注入式、模仿式”的实验教学方法，引导学生自主开展“新型干法水泥生产工艺与装备虚拟仿真实验”，结合线上线下教学优势，在虚实结合的基础上形成个性化、智能化、定制化实验教学新模式，深度融合理论教学与网络远程教学，将教学大纲对教学内容和教学目标的要求有机融入虚拟仿真实验项目，有效激发学生的实验兴趣。将学习资源、学习空间放开，强化学生自主学习意识，教师转而辅助、鼓励、引导学生主动学习，帮助学生在完成实验项目的过程中充分获取知识和技能。有效调动学生参与实验教学的积极性和主动性，激发学生的学习兴趣和潜能，形成虚实结合、实践为主、不限时空、在线交流的满足当代大学生知识获取特点的实验教学新方法，有效提升学生分析、运用知识的能力。给予学生充分的学习自由，激励学生自主学习，在充分实践的基础上理解、消化所学知识，有效提升实验教学效果。

实验教学的实施过程以引导和启发为基础，以学生自主实践为主线，以无限的时间和空间为平台，充分激发学生的学习热情，形成了包含课前预习、课上学习、自主实践、在线考核、提交报告五个主要部分的虚拟仿真实验教学体系。

（1）课前预习：虚拟仿真实验项目平台提供实验指导书，包含实验目的、原理、操作步骤、注意事项等。学生在进行实验前先进行预习，根据自己的预习情况在虚拟仿真实验平台填写预习报告，并将填好的报告上传提交至虚拟仿真实验项目平台。

（2）课上学习：深度融合传统理论教学与虚拟仿真实验教学，有效利用“新型干法水泥生产工艺与装备虚拟仿真实验”为课堂教学服务，综合运用虚实结合、引导启发、师生互动等多种教学方法，开创课堂教学新局面。

（3）自主实践：虚拟仿真实验采用开放式的学习模式，依靠网络平台的便利性，学生可在课后自主选择时间、地点登陆虚拟仿真实验平台，进入学习模式进行虚拟实验操作，学习模式下不会产生实验操作成绩，学生可多次重复实验操作直至完全掌握相关知识，给予学生充分的学习自由，符合当代大学生的性格特点。

（4）在线考核：在充分学习实践的基础上，学生可自选时间进行在线考核，考核模式下回答系统提出的问题或进行实验操作。考核结束后，考核成绩自动提交至虚拟仿真实验项目平台保存。

（5）提交报告：学生在完成在线考核的同时，系统自动生成Word版实验报告模板，学生下载后，可在实验过程中填入实验步骤截图、实验数据、实验结论、心得体会等内容，经整理完成后提交。

4.构建特色考核评价体系

改善结果认定机制，构建综合评价体系。建设预习在前、实践为主、以考促学、综合评价有机融合的虚拟仿真实验教学考核评价体系，针对虚拟仿真实验教学的各个阶段，有针对性地对课前预习、课上学习、自主实践、在线考核和实验报告五部分进行考核，并且针对认知型、设计型等不同类型的实验，建立符合实验特点的评价标准，确保考核体系的公正性和准确性，真实反映学生学习全过程的学习成效。同时利用完善的反馈机制，吸纳学生对虚拟仿真实验项目的各方面建议、评价，为指导教师准确把握考核标准提供依据，避免信息不对称导致影响学生的考核结果。

结语

升华现有教学体系，注重理论联系实际。虚拟仿真技术的有效利用，能够为实验教学提供全新的思路和手段，传统教学手段更加注重理论知识的传授，着重于帮助学生建立较为健全的理论知识体系，但教学手段相对单一，教学内容的展示不够直观，对学生的吸引力不足，难以激发学生的学习热情，且容易造成理论与实际脱节的情况。以“新型干法水泥生产工艺与装备虚拟仿真实验”为代表的优质虚拟仿真实验教学项目，深度契合相关课程教学大纲对教学内容和教学目标的各项要求，能够有效弥补传统教学手段的不足，将传统教学手段那种只能运用语言、文字、图片进行说明的工艺流程和设备结构运用现代信息技术直观地展现出来，帮助学生更加准确地理解理论知识的真正含义，同时极大地扩展了学习知识的时间、空间范围，让学生可以更加自主、个性化地完成学习知识的过程，充分激发了学生的学习兴趣和潜能。虚拟仿真实验教学是新形势下高校教学体系不可或缺的重要组成部分，是衔接理论与实际的重要桥梁。

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