基于虚拟现实技术的机械原理实验教学研究

徐春明 周艳 蒋国璋 李公法 党章

[摘 要]教育部于2019 年3月发布了虚拟仿真实验教学项目建设的通知，开启了新一轮的实验教学改革。实验课程是帮助学生塑造工程意识、增强动手能力的重要环节，机械原理作为机械工程专业的核心课程，其实验教学对学生将理论知识运用于工程实际有着至关重要的作用。为了顺应当下高校实验教育改革的需要，文章分析了当前机械原理实验教学存在的问题，结合虚拟现实技术的特点与高校培养高质量工程技术人才的目标，对机械原理开展虚拟仿真实验教学的教学理念、课程建设、教学成果等方面进行了探讨，明确了实验教学改革对高校教学质量的重要性，得出了虚拟现实技术应用于实验教学势在必行的结论。

[关键词]虚拟现实;机械原理;实验教学;人才培养;实验改革

[中图分类号] G642.423 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2022）02-0103-04

机械原理课程的教学目的是增强学生对基础机构和机器的了解，对机构的结构和运动学以及机构和机器的动力学原理进行研究和学习，更注重的是培养学生的创新思维和对机械学科的学习兴趣，在教学形式上采用课堂教学、实验教学以及课程设计等方式进行。虚拟现实技术（virtual reality，VR）系统从根本上说是一种高级人机交互接口，它可以同时给予用户视觉、听觉和触觉等各种直观而又自然的实时感知。虚拟仿真实验采用计算机建模与仿真技术、虚拟现实及可视化技术，模拟整个实验过程，可使学生在高沉浸感的虚拟环境下进行机械原理的实验教学，以增强学生的学习兴趣，提高实验教学效果。因此，将虚拟现实技术引入实验教学不失为一种有效的教学策略和教学方法[1]。本文将从机械原理实验目前存在的问题、如何建设新型实验课堂及教学效果三个方面来进行探讨。

一、机械原理实验教学存在的问题

（一）实验硬件设备条件欠佳、更新过慢，实验质量有待提高

因为实验室设备及条件不够良好，机械原理课程很多关键实验都无法完整进行甚至无法进行，而其中某些关键实验结果会被用一些现成的数据和公式替代掉，这些缺少的步骤恰恰能在未来对学生的思维发散造成积极影响。陈旧的实验设备和关键机器的匮乏导致学生实验的效率极低。一般来说，一个班的学生会被分成若干个小组，每个小组的人数至少5人，当轮到该小组做实验的时候，组员们往往并非每人都有机会进行实践操作。不引进新的设备就无法进行新的操作方法教学，使学生的整个实验知识体系相对较为落后。

（二）实验性质多为验证性实验，缺乏创新

传统的机械原理实验授课形式大多仍为理论课，实验的目的只是验证理论的正确性，巩固所学的理论知识，加深学生的印象。目前，理工科高校大部分课程的实验对学生来说都是冰冷的、枯燥无味的，学校所进行的实验都是演示性和验证性实验，创新性和综合性的实验较少。在进行机械原理课程实验时，学校发的实验指导书详细写明了实验目的、实验原理以及实验步骤，在做实验之前，教师一般会先演示实验的操作步骤，学生按照教师的步骤逐步操作即可，这样的实验失去了实验原有的意义，没有给学生留下思考和创造的空间，没有起到提高学生创新能力和想象力的作用，久而久之还会对学生的深度钻研形成阻碍。

（三）实验内容缺少关联性，虚拟实验的人机交互性较差

实验课程所安排的实验和项目大多是独立的，缺乏整体性，忽视了每个实验内容之间的相互关联，学生只是为了完成任务而做实验，并没有真正意义上学到知识。人机交互（Human-Computer Interaction，简写HCI）是指人与计算机之间使用某种对话语言，以一定的交互方式，为完成确定任务进行的人与计算机之间的信息交换过程。传统虚拟实验无论是在界面、信息容量还是教学过程上都有所欠缺，学生在学习中很难有切身体会，对知识理解起来存在一定障碍[2]。

（四）考核制度不够完善，實验课程对学生约束力不够

机械原理课程的最终考核方式大多以理论课笔试成绩为主，因而并没有注重机械原理实验教学模块，实验教学课时少，学生所进行的实验数量和质量都达不到要求，很难实现培养学生实践能力的目的。而实验的考核方式不完善，大部分实验成绩还是和理论课的成绩挂钩，没有单独形成一个体系，这使学生对相关的实验课程重视程度不够，无法保证实验课的教学质量。

随着世界经济快速发展，我国迈入知识经济与技术经济并行的新时代，而为新时代发展提供源源不竭动力的是各行各业的人才。高等学校培养出来的人才质量和素养水平，特别是工程专业的人才培养，对于一个国家的科技实力和综合国力影响深远，国家需要高质量、高素养、高技能、高知识储备的优秀专业人才[3]。因此，在教育教学中培养和提高学生理论与实践相结合的专业素养，促进和巩固学生对专业知识的掌握与应用是锻炼人才能力、提高人才质量的有效方法。

对于机械类专业的学生而言，无论是在研究学习还是在以后的工作中，动手能力和实践经验缺一不可。因此，机械院校更应该把学生对理论知识的充分吸收与掌握运用作为实践类课程的重点，培养社会工业和国家科技所需要的理论基础扎实、实践经验充足的应用型高素质人才。只有这样，学生才能走出学校，步入需要全面系统知识和实践经验的社会，才能在未来工作中满怀自信、游刃有余[4]。

二、机械原理虚拟仿真实验教学的建设

针对当今机械原理实验教学中的问题和目前市场对人才需求的类型，为了改变现状，切实提高高校的产出，我们提出的合理措施就是把虚拟现实技术与机械原理实验教学结合起来。如果能将VR技术应用到机械原理的实验中，很多目前传统手段无法解决的问题就会迎刃而解。

（一）VR与机械原理实验的结合

下面将介绍虚拟现实技术应用于机械原理教学的主要思路。随着信息化技术的飞速发展，虚拟现实技术逐渐在实验教学中得到了广泛的应用，虚拟现实实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物。虚拟现实实验教学建设工作坚持“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的指导思想，以全面提高机械工程系学生的创新精神和实践能力为宗旨，以共享优质实验教学资源为核心，以建设信息化实验教学资源为重点，分年度建设一批具有示范、引领作用的虚拟现实技术实验教学中心，持续推进各学科实验教学信息化建设。若要在实验教学中运用好虚拟现实技术，一定要建设合理的虚拟仿真平台和教学团队[5]。

虚拟实验平台主要由硬件和软件组成。主要的硬件设备有计算机、跟踪设备、触觉器与运动反馈设备等。主要的软件有操作系统和窗口系统，还有图形图像处理与开发、语言识别系统、虚拟现实处理等工具软件。系统在虚拟环境准备就绪后，用户和外部受监控对象通过跟踪设备、语音设备等设备给计算机发出指令[6]。计算机通过指令更新当前虚拟环境并通过传感器将信息传送给用户，系统组成基本上就包含这些部分。

结合武汉科技大学机械原理课程运用的实验教学方案，发挥专业、课程优势，积极利用企业的开发实力和支持服务能力，充分整合学校信息化实验教学资源，以培养学生基础认知、综合设计和创新能力为出发点，在虚拟仿真平台内搭建基础认知类实验、参数测试实验、原理验证类实验和综合训练类实验等教学内容，从而提高教师教学能力，拓展实践领域，丰富教学内容，降低成本和风险，开展绿色实验教学[7]。

（二）实验教学案例

1.齿轮加工实验

在机械原理教学中，有若干核心的实验，其中就包括齿轮加工实验。传统的齿轮范成加工实验都是通过齿轮范成仪，结合手工描线，最终做出一张齿轮轮廓图，这样的轮廓图明显具有误差大、效率低、操作难度高等缺点。这里我们就以VR齿轮范成加工的实验为例，为大家简要介绍引入VR技术后的实验流程。

如图1所示，学生端在开始界面可以选择齿轮类型：标准齿轮（[x=0]）或者變位齿轮（[x=xmin]）。如果选择标准齿轮，则需要输入分度圆直径[d]与模数m，例如输入[d=340mm]，m20，那么系统会直接开始演示齿条刀具加工齿轮的过程，最终形成齿轮的轮廓，如图2所示。值得注意的是，如果通过其他参数进行操作，在输入的齿数值Z<17时，系统提示会出现根切现象，如果继续生成模型，最终会形成产生根切的齿轮。对学生来说，这非常直观地反映了在齿轮加工过程中的注意事项，也为后面的学习打下了良好的基础。

在选择变位齿轮时，相比标准齿轮多了一步，计算并选择合理变位系数，学生需要充分利用所学理论知识，主要用到的原理有：

在进行充分准备和计算后，最终用自己的数据将齿轮“加工”出来时，学生普遍会产生强烈的成就感，在生动的VR实验过程中将理论知识巩固加深，并对齿轮的基本参数及范成加工流程了然于胸。

2.连杆机构运动仿真

接下来简单介绍机械原理中另一个基础且核心的实验：连杆机构的运动仿真实验。实验教学选择到的虚拟仿真平台是SOLIDWORKS 2016，它可以对课本上的平面连杆机构做到全面且透彻的建模与仿真分析。

首先是建模环节，如图3所示，我们建立基座1。然后加入连杆1，如图4。这里需要注意的是连杆上的孔和基座上的轴尺寸必须配合恰当。

我们将基座1与连杆1装配连接起来，如图5所示。然后相继加入连杆2、连杆3和基座2，并将它们一一装配起来，其过程分别如图6、7、8所示。

这里值得注意的是，三个连杆的尺寸是在提前计算好的情况下才开始建模的，杆长必须满足最基本的运动条件，学生对于曲柄摇杆机构、摇杆机构、双曲柄机构在何种条件下形成必须十分清楚，如果学生没有提前做准备，很有可能建立的机构最后在仿真时无法动起来。

在建模和装配的过程中，常常会遇到各种问题，此时学生可以回想前面的步骤是否出现过问题或错误操作，然后反复尝试，最终基本都能在不借助教师的帮助下独立完成所有步骤。

完成建模的最终模型如图9所示，这是一个标准的曲柄摇杆机构。接下来我们对这个机构进行运动仿真且对主要连杆进行运动轨迹分析，帮助学生更深刻地理解连杆机构的组成和运动方式，验证理论知识的正确性。

我们在连杆1与基座1的节点处添加马达，选择好马达的种类和旋转角度，编辑好相移，就可以开始运动仿真，其过程可见图9、10。

我们对连杆1与2之间的节点和连杆2与3之间的节点进行轨迹追踪，如图11和图12，可以清晰地看到整个机构运动过程中曲柄和摇杆的运动轨迹。这种直观的呈现对学生对平面连杆机构的学习和理解有极大帮助，使学生日后的作图能力和分析计算能力显著提高。

这样的教学使课后的反馈极佳。大多数学生在最终上交实验报告时，一改以前抄袭严重的状况，连实验心得都主动详细地表达出来，与教师的互动也更加频繁，课堂效果改观显著。在统计学生的反馈意见时，我们发现绝大多数学生都对新的实验形式和教学手段表示肯定，并有不少学生表示想申请进行第二次实验。由此可见其对学生的学习积极性这方面的提升作用明显。

仿真与传统实验的最大不同之处在于学生可以不受限制地去尝试，遇到困难后对实验的畏难心理自然会大大减少，而且仿真实验的教学效果往往等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。

三、教学效果

实验教学和理论教学是一个整体，两者密切相关，重视理论课程的同时也要重视实验课程。我校通过将虚拟现实技术与机械原理实验相结合，取得了丰硕的教学成果，学生在实验课上十分活跃，才思涌动，几乎每个人都有自己独特的实验见解。学生通过动手实际操作证明了自己的想法，在不断的思考之中学习，创新创造能力得到了极大的提高。学生的学习积极性由被动逐渐变为主动，参加机械创新大赛和科技比赛的种类、次数增多。学生不仅仅有机会参加高校联盟举办的竞赛，还有机会参加大型企业举办的科技竞赛，比如机械设计创新大赛、全国3D大赛、全国大学起重机大赛等一系列全国性的大赛，比赛成果颇丰，数次获得一等奖、二等奖等奖项。此外，学生还积极申报各种机械创新方面的专利，在教师的指导下，已成功申请数十项实用新型专利和发明专利。一些企业看中了某毕业生的实力，直接对其进行录用，使学生的就业率提高了2个百分点。为了响应国家对创新型人才的需求，我们要坚持以创新为中心，通过教学改革以及现代化教学手段，不断培养高素质技能型人才。

不得不承认的是，VR技术尚未完全成熟，很多关键的问题也亟待解决。首先，其安全性目前尚不能确认，长期使用VR设备沉浸在虚拟世界中，学生可能产生疲劳、眩晕、恶心等症状（尤其是3D眩晕人群），如此会带来短暂性健康问题，至于长期健康影响目前尚不明确;其次，在虚拟现实的教学课堂中，教师其实很难掌控教学过程的开展，难以根据学生的学习情况对教学方案做出实时调整，缺乏有效的学习评估和监控工具;最后，虚拟现实教育环境下学生的认知负荷会明显增加，多项研究表明，VR世界的丰富内容和逼真情景会影响学习者的认知能力，从而干扰其对重点内容的判断。这就要求，学校要专门构建沉浸性学习空间，充分考虑学生的认知和学习特点，避免信息过载，将学习软件与休闲娱乐的游戏空间区分开来，以凸显教育的目的。

四、结论

将VR技术引入中国教育事业之中，是一個大胆的尝试，也是响应目前习近平总书记创新改革号召的有力举措。引进最新科学技术，创建基于虚拟现实平台的实验教学体系，结合先进的实验教学模式，深化课程教学改革，可全面提升课堂教学水平和人才培养质量。我们采用多种系统建模技术相结合，以达到机械原理实验教学效果最优化;强调提高虚拟实验室“自适应性”和协作性，充分融合实验教学特点。系统能从环境中获取信息，并自动改善其性能，实时进行更新。考虑到科学实验的协作性，我们采取了基于协作虚拟原型的协同设计方法作为协同设计实现的思路;通过虚拟实验平台模拟实验真实场景，让学生进行相关实验操作，对零件、机构、渐开线齿轮范成原理和减速器的拆装等都有了充分的认识;积极利用企业的开发实力和支持服务能力，建设校企资源共享平台，培养学生综合设计和创新能力[8]。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 洪炳荣，蔡则苏，唐好选.虚拟现实及其应用[M].北京：国防工业出版社，2005.

[2] Su Zhuan. Research on Teaching Innovation of Art Design Based on Virtual Reality Technology[C]. Proceedings of 2019 International Conference on Management， Education Technology and Economics，2019.

[3] 陈容容，孙益顶，魏东盛，等.多媒体虚拟仿真教学法在微生物学实验中应用[J].实验室研究与探索，2015（11）：194-196，200.

[4] 徐春明，周艳，孙瑛，等.机械设计实验教学创新实践[J]. 大学教育， 2018（12）：57-59.

[5] 何玉林.“机械原理”课程实验教学的现状分析与改革[J].高教论坛，2014（10）：25-27.

[6] 杨卓娟，杨晓东.机械类专业课程内容分类及其对应教学方法[J]. 中国大学教学，2016（4）：40-43.

[7] 王树国.面向创新创业教育 深化工程教育改革[J].中国高教研究，2016（1）：48-49.

[8] 徐春明，周艳，孙瑛，等.机械原理实验教学改革与实践[J].大学教育，2018（11）：89-91.

[收稿时间]2020-07-21

[基金项目]武汉科技大学教学研究项目：虚拟仿真平台在机械原理实验教学中的应用研究（2019X051）。

[作者简介]徐春明（1973—），男，湖北人，硕士，工程师，研究方向：机械工程。

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