机电类虚拟仿真实验教学模式研究与实践

谭雅莉 邹敏清 胡兆勇 杨继赢

[摘 要]机械制图课程和机械设计课程是机械类各专业的重要基础课程。实验教学部的虚拟仿真实验教学中心以机械制图课程、机械设计课程为指向，进行虚实结合的实验教学改革探索和实践，整合教学资源，建立了层次化、模块化的实验课程体系。融合线上线下教学环境，优化教学过程和评价体系，为培养厚基础、宽视野、强能力的机械类创新人才，开拓了一条新的途径。

[关键词]机电类课程;虚拟仿真实验;教学改革

[作者简介]谭雅莉（1979—），女，广东广州人，硕士，广东工业大学实验教学部讲师，主要从事虚拟仿真实验教学、实验室管理研究;邹敏清（1981—），男，广东广州人，硕士，广东工业大学实验教学部副主任，高级工程师，主要从事实验室建设、实验室管理研究。

[中图分类号] G642.0[文献标识码] A[文章编号] 1674-9324（2020）28-0235-03[收稿日期] 2020-03-16

一、引言

在机械类专业中，机械制图类课程一直是一门重要的技术基础学科，主要是培养学生的空间图形思维能力，使学生掌握识图、绘图，具备图形表达能力。而机械设计课程的任务是培养学生设计部件、零件和机械系统能力，以及具有机械工程科学知识的应用能力。其中机械制图课是机械设计课的先行课。目前机械制图和机械设计课程是机械专业的重要课程，目的是培养机械工程科学知识和应用能力。随着机械生产的数字化发展，图形表达从二维平面向三维图形转变，需要处理的图形信息会大量增加。智能制造、虚拟仿真技术日渐兴起，也需要学生掌握运用各种技术、技能和现代化机械设计工具。传统的课堂教学手段单一，教学资料有限，学生的理解比较有局限，在解决实际工程问题时能力不足。另一方面，随着新一轮技术革命的兴起，教育手段和教学模式也在不断的改革和进步。2019年初，国务院印发《中国教育现代化2035》指出：“利用现代技术加快推动人才培养模式改革，实现规模化教育与个性化培养的有机结合。”[1]在这种背景下，我校顺应教学改革发展的趋势，以机械专业的制图课和机械设计课的实验教学为指向，探索虚拟仿真技术在实验教学中的结合和应用。

实验教学是培养学生动手能力、创新能力的重要环节。为了实现人才培养目标，我校建立了现代制造與智能装备虚拟仿真实验教学中心，面向机械设计制造及其自动化、机械电子工程、测控技术与仪器、材料成型及控制工程、金属材料工程5个专业开设机械制图课程的虚拟仿真实验教学。

实验教学是培养学生动手能力、创新能力的重要环节。经过这几年的建设，逐步完善了以学生为本的实验环境，建设了五通道的虚拟仿真CAVE环境，配备了Xspace一体机，搭建了在线的现代制造与智能装备虚拟仿真实验教学中心教学平台，建设和开发了建设了虚拟数字博物馆，部署了线上的现代制造与智能装备虚拟仿真实验教学中心教学平台。在软硬件不断完善的基础上，本着实验课与理论课相结合的原则，虚实互补、能实不虚的原则，笔者对在传统实验中结合虚拟仿真实验的教学模式进行了研究，探索了新的应用型创新人才培养途径。

二、教学体系设计思路

在机械制图课的教学中，实验中心充分发挥了虚拟仿真和信息技术的优势，建设和整合了虚拟仿真实验教学的软硬件资源，为学生自主学习创建了“一二三四五”的智慧教学体系：一个中心—即以学生为中心;两个结合—线上线下两种空间结合;三个层次教学—基础性实验，综合性、设计性实验，研究性实验三个层次教学体系;四位一体教学策略—“做—学—教—研”四位一体的教学策略实施;五通道虚拟环境—建设了五通道的CAVE虚拟仿真案例的运行环境，并配备了多种虚拟仿真的基础设备[2-3]。其教学体系如图1所示。

传统的机械制图课程和机械设计课程，大多是课程老师先上常规的理论课，同步安排对应章节的实验课，学生在实验课上按部就班地进行绘图实验操作，仍然是教师为主导的教学模式。学生在这过程中缺乏主动思考和探索，不利于对制图学空间思维的培养，不利于创新性人才的培养。

虚拟仿真技术具有机械部件内部透视、拆解、机械运行原理可再现等优势。在建构主义学习理论的指导下，运用虚拟仿真实验技术，建设和整合教学资源，构建虚拟仿真学习情境，强调以学生为本[4-5]。该教学体系中，学生能发挥自主能动性，带着问题去学习、实验，在解决问题的过程中，形成发展型的思维模式，为培养具有较强动手能力的创新型人才提供了新的途径[6]。

三、实施过程

（一）线上线下“一体两翼”式教学模式

在教学资源建成后，实验中心的虚拟仿真实验室和线上的虚拟实验平台提供了“一体两翼”的学习环境。“一体”是指以学生为主体，“两翼”是指线上线下两个学习空间，它们相互协同，促使学生进行自主学习[7]。

线上虚拟仿真实验平台为学生探究式预习提供了有力支撑。该平台共有9个在线虚拟仿真项目，为基础型实验项目。学生可以在线自主学习，在时间和空间上突破了传统课堂教学的限制。区别于以往的虚拟仿真案例只能定性浏览，以及在线平台教学管理不足的缺陷。该实验平台的虚拟仿真项目具有定量分析、生成结果、形成报告文档、在线指导、教师评价等教学管理环节。在线平台的虚拟实验能够让学生实现有效预习[8]，继而在实验过程中展开思考，培养科学思维。目前平台的学生用户覆盖了学校工程类学生的十多个专业。双向互动和实验评价，让教师准确地把握学生的情况，在面授课上给予指导。接着在线下的课堂上，教师根据在线实验预习反馈的情况，包括提交的仿真数据、初步报告，了解学生对知识的掌握程度和存在的问题，从而适当调整教学，提高教学效率。

在虚拟仿真实验室，中心硬件方面采用了DVS3D协同工作平台和五通道的CAVE沉浸式虚拟现实环境。教学资源建设方面，与公司合作建设以及自行开发的教学资源库，包括数字博物馆、机器人博物馆、机械制图虚拟教学资源、智能制造单元虚拟教学资源、汽车模型库、建筑模型库等几个大类，让课程内容跟上现代工业智能制造技术的步伐。学生使用交互设备，三维眼镜、手柄、位置跟踪器等，对组合体、零部件、机械组件等进行拆装操作，完成不同任务下的探究学习。

在“一体两翼”的教学模式下，由于充分发挥学生的自主性，学生从被动接受知识和按部就班的做实验，变成主动探究实验过程、分析实验现象、了解实验原理，培养成长型的思维模式，为开展提高型、创新型实验打下良好的基础。

（二）构建层次型的虚拟仿真实验教学体系

根据学校人才培养定位要求，且契合新工科建设要求，凝练满足机电类实验课程教学目标，建立可持续改进的质量保障机制，构建了“重基础、强能力、促拔尖”的层次型实验能力培养体系。在培养体系中，制图学、机械设计、汽车设计、大创项目、机器人竞赛等是从简单到复杂、循序渐进的过程。设置层次型的机械工程类虚拟仿真实验课模块，是培养学生从常用机构、通用零件设计原理和方法，到综合设计、创新设计、工程实践的一个教学体系。各层次的具体实验教学设置如图2所示。

“重基础、强能力”层次是覆盖大一、大二学生教学。在机械制图虚拟教学资源、机械原理虚拟教学资源、智能制造单元虚拟教学资源库中，建设了基本体、组合体、零件的完整模型、以及按要求指定的剖切模型。学生在虚拟仿真实验中，通过虚拟现实技术的三维展示，以及仿真交互操作，更好的理解形体、零件、部件的结构。例如在制图绘制中，显示基本体三视图中线的投影对应关系，以及改變基本体的方位，对应显示基本体所处方位的三视图。在机构表达学习中，学生可以操作，机件三维模型被动态剖切，形成剖视图，三维模型可按使用者的操作旋转、平移、缩放，以便查看结构。零件的表达，包括分析零件图中尺寸公差标注、表面粗糙度标注和形位公差标注的问题。

“强能力”的提高型、综合型实验，包括机器人认知和拆装，以两种六轴机器人为原型，完成结构建模、运动仿真和虚拟拆装实验。发动机的虚拟拆装，可以通过结构拆装，了解汽车发动机的内部结构。这类拆装实验需拆装到内部结构标准部件，具有逻辑判断功能。

而“促拔尖”的创新能力训练层则主要针对部分学业优秀的学生，以创新性实验、实践能力提高班、大学生创新训练项目和学科竞赛为主。在虚拟仿真教学资源的支撑下，在层次型的教学体系中，无论是进行虚拟仿真实验夯实学科知识，还是使用虚拟仿真软件进行研究性、创新性实验，都能灵活运用自主学习模式、PBL教学模式、团队协作模式等进行教学，发挥学生的能动性，促进学生创新能力的培养[9]。

在高层次的实验教学中，通过科研项目，学生进行虚拟仿真资源的设计制作。例如通过大创项目，学生运用Unity3D、Soliworks等软件开发了三相交流电的虚拟仿真实训系统，进行建模渲染、编程、约束设计等。在学校每年主办省级的实验技能大赛中，机械制图竞赛面向机电类、材料类、多媒体类等专业的学生，通过竞赛活动激发学生的学习热情，涌现出一批拔尖的学生。另外，近三年，实验教学部培养的学生多人次获得国家级、省级的机械设计学科竞赛奖项。

（三）教学评价

虚拟仿真实验教学不能脱离真实实验，应该做到虚实结合，互相协同。因此，虚拟仿真实验教学评价也应该做到客观、科学，能对教学进行有效地管理。在教学评价时采用过程评价模式，重点放在实验过程，而非最后的结果和数据。每个项目在实验过程中设置一到两个检查点，进行教学评价。在虚拟仿真实验中也不例外。例如在传统的机械制图实验课程中，有时多个学生同时举手让老师查看过程，效率较低。在互联网的虚拟仿真实验平台上，提供了多种形式的实验过程记录文件，可以现象截图、记录数据，生成数据图等，这些形式的文档和数据有力支撑了教学的评价体系，使教师的评价有据可依，并做出有效的教学反馈和教学管理。

在研究型、创新型实验中，给予选修的学分，采用多种形式的考核方式，例如提交项目成果、撰写实践报告、发表论文、申请专利等。根据平时表现、成果、报告、答辩等，给予优秀、良好、合格、不合格四种等级的评价。不合格者不获得对应的学分[10]。

四、实施过程的反思和建议

在实验教学的过程中，要明确虚拟仿真的目的是为了促进学生对科学规律的理解，在机械类课程中即对现实中无法大规模拆装的机械结构的内部特征进行仿真实验，由虚拟仿真实验推动机械原理教学的渐进发展。因此，教师在教学设计时，要充分考虑虚拟仿真内容与教学目标之间的关系，逐步推进实验内容和实验任务的深入。

五、结语

虚拟仿真实验是信息化教学更高级的一种形式，它不是孤立存在的，而是一种综合了各种教育技术的教学模式。在探索和实践虚拟仿真实验教学的过程中，教师和学生应该着重利用现代教育技术高效率和更符合学习需求的特点，发挥新技术的优势，协调各种教学资源，让它更顺畅地融入教学环节中。

参考文献

[1]中共中央、国务院.中共中央、国务院印发《中国教育现代化2035》[DB/OL].http：//www.gov.cn/xinwen/2019-02/23/content_ 5367987.htm.2019-02-23.

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[10]刘银萍，杜宇上，陈安，等.电子设计创新实践能力提高班人才培养模式的探索[J].电气电子教学学报，2018，40（6），19-22.

Research and Practice on Teaching Model of Electromechanical Virtual Simulation Experiment

TAN Ya-li， ZOU Min-qing， HU Zhao-yong， YANG Ji-ying

（Department of Experiment Teaching， Guangdong University of Technology，

Guangzhou， Guangdong 510006， China）

Abstract： Mechanical Drawing course and Mechanical Design course are important basic courses for electromechanical majors. The virtual simulation experiment teaching center of the experimental teaching department has carried out the teaching reform and practice of combining virtual with real in mechanical and electrical experiment courses. Under the guidance of constructivism theory， it integrates teaching resources， optimizes teaching process and evaluation system， and opens up a new way for cultivating innovative talents with a solid foundation， wide vision and strong ability.

Key words： electromechanical courses; virtual simulation experiment; teaching reform