基于虚拟仿真实验的机械类教学理论与实践研究

苏春建，韩宝坤，王 瑞

（山东科技大学 机械电子工程学院，山东 青岛 266590）

引言

多数高等院校都开设了实验教学，使学生能够直观、形象地看到机械的组成与运动操作，理解和掌握机械知识。然而，传统的实验方式需要较多的仪器和设备，这些仪器和设备普遍价值昂贵、体积大，并且结构单一、固定，无法充分发挥学生的创造性和主观能动性，难以满足目前的机械类教学要求，因此，研究新的机械类实验教学体系显得尤为重要［1-2］。随着信息技术的不断发展，用虚拟系统模仿一个真实系统的虚拟仿真技术不断趋于成熟，应用也日益广泛，把虚拟仿真技术作为实验教学的主要方式，已经成为教学工作人员探讨的重点。山东科技大学以提高机械类教学水平为目标，以培养高素质人才为目的，提出应积极探索基于虚拟仿真技术的机械类实验教学体系，并将虚拟仿真技术更多地应用于机械类教学实践中，通过虚实结合、理论与实践相结合，使得实验教学在有限的资源和设备下发挥更大的作用，使学生可以更加直观、简单地获取机械知识，同时提高教学质量。

一、传统的机械类实验教学概述

机械类教学具有非常强的抽象性和实践性，学生不易掌握其内容，因此实验成为机械类教学的主要环节和重要手段。实验教学能让学生更加直观、形象地了解相关机械知识，是提高学生动手操作能力、激发学生学习兴趣的主要方式。然而，传统的机械类实验教学基本是直接对实物进行操作。近年来，高等院校人数不断增加（山东科技大学机械电子工程学院现有本科生近3000名，硕士研究生、博士研究生180余名），传统实验教学中的问题不断显现。

（一）实验资金紧缺

传统实验教学需要较多的仪器设备、原材料和大量物资，这些设备和仪器普遍占用空间大、价值昂贵，需要投入大量的物力、财力。例如我校的机械类实验室，占地2800平方米，设备有116台，设备的总价值约1500万元。而多数学校的资金来源相对单一，实验资金紧缺，导致实验室陈旧，设备不足，老化严重，甚至部分实验无法进行，难以满足目前的机械类教学要求。

（二）实验条件不够完善

目前，部分高校的实验室建制、资源配置不合理，用于实验的仪器设备明显不足，并且低水平重复、技术落后、更新速度慢，不论是从数量上还是从先进程度上都无法与机械类教学目标相适应。多数学生在学习过程中无法实际动手实验，从而难以掌握和理解机械类的相关知识。

（三）实验存在安全问题

在机械类专业中开展实验教学存在一定的安全风险。在教师方面，一些实验教师未接受过系统的安全培训，在一定程度上缺乏足够的安全技能和安全经验。另外，由于实验教师数量不足，学生人数较多，在实验中指导教师难以全面关注每位学生的操作过程，在安全方面埋下了隐患；在学生方面，由于缺乏安全意识和自我保护意识，操作不谨慎和不规范也会诱发安全事故［3］。

二、基于虚拟仿真实验的机械类教学理论

（一）虚拟仿真实验教学概述

虚拟仿真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。虚拟仿真实验教学是一种新型的教学形式，其依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，其视觉、听觉、触觉等感官，容易接受、处理、反馈和学习相关信息，以达到教学大纲要求的教学效果［4］。

虚拟仿真实验教学中心的建设是机械类虚拟仿真实验教学的重要环节，其任务是在涉及高危或极端环境、不可及或不可逆的操作，以及高成本、高消耗、大型或综合训练等情况时，提供可靠、安全和经济的实验项目，实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。山东科技大学建设了先进制造技术研究中心，其机械工程虚拟仿真实验室项目包含煤矿安全开采虚拟仿真实验教学中心等，设有“矿山机械”“采掘机械”等课程，通过配置、连接、调节和使用虚拟实验仪器设备，按照安全生产规程，构建虚拟仿真实验过程与三维场景，掌握各环节的安全生产要素。

（二）虚拟仿真实验在机械类教学中的优势

与传统的机械类实验教学相比，虚拟仿真技术在教学中占有诸多优势。首先，在机械类教学中利用虚拟仿真技术，可以在有限的资源和设备条件下对学生进行机械组成与运动操作的展示，既可以帮助学生理解机械知识，又能有效地降低教学成本，提高教学的便利性与有效性。同时，实验教学时间灵活，且不受地域等方面的限制［5］。其次，虚拟仿真实验教学的应用不仅能激发学生的学习兴趣，还能让学生在虚拟实验系统中反复操作练习，提高实际动手能力和独立思考能力。山东科技大学机械电子工程学院的CAD/CAE机房，就是通过引进虚拟仿真技术实现了对设备的改进和替代，学生通过上机模拟实验，更好地理解和掌握了相关的机械知识，使得教学效率和质量有了明显提高。最后，虚拟仿真实验在高等学校大力推行，可以促进教育信息化发展，教师可以运用最新的虚拟现实技术辅助教学，参与相关实验课程虚拟化的开发设计，这样不仅能极大地丰富教学资源，还能提升教师应用信息化教学的素养［6］。

总的来说，将虚拟仿真技术更好地应用到机械类实验教学中，能够丰富原有的教学媒体，突破原有实验教学条件的限制，为学生创设仿真学习环境，充分发挥学生的动手操作能力和自主学习能力，并提高教学质量。随着信息技术的不断发展，虚拟仿真技术作为一种新型的教育教学技术，必将在机械类教学中发挥更加重要的作用。

三、基于虚拟仿真实验的机械类教学实践研究

（一）整合虚拟仿真实验资源，推进实验教学资源建设

建立虚拟仿真实验的关键是采用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，根据实验教学需求设计出应用于实验的虚拟实验场景、虚拟环境、虚拟仪器设备等。因此，要发挥学科专业的优势，充分整合学校实验教学资源，提高教学能力，降低成本和风险。山东科技大学机械电子工程学院建立了煤矿安全开采虚拟仿真实验教学中心，涉及采矿、测绘、地质、机电、计算机等多学科资源，按照专兼结合的原则，推进实验教学资源建设，丰富教学内容。

（二）充分利用虚拟仿真实验教学共享平台，实现对本科人才的创新培养

山东科技大学机械电子工程学院一直非常重视对本科生的创新培养，在培养过程中，充分利用虚拟仿真实验教学平台，引导学生的创新意识，培养创新能力。表1为2019—2021年山东科技大学机械电子工程学院的本科生在各类创新比赛中取得的成绩。可以看出，学生的比赛成绩越来越好，其创新能力在不断上升，学团工作也取得了可喜可贺的成绩。如山东科技大学智能海洋机器人创新团队获评2019年度“小平科技创新团队”称号，山东科技大学机械电子工程学院的学生陈天祥获评“第十届中国青少年科技创新奖”、杨扬获得2017年度“中国电信奖学金·飞Young奖”暨“践行社会主义核心价值观先进个人”荣誉称号等。

表1 2019—2021年山东科技大学机械电子工程学院本科生在各类创新比赛中取得的成绩

（三）建设虚拟仿真实验教学共享平台，实现实验教学资源的开放式利用与共享

为了实现学校内外、多地区的实验教学资源共享，合理管理机械类实验教学资源，满足更广泛地区对虚拟仿真实验教学的需求，搭建具有扩展性、兼容性、前瞻性的共享平台，建立可持续发展的虚拟仿真实验教学服务支撑体系［7］。目前学校网络存在一份多储、资源分布不均且只有一种存储方法等问题，故在现有基础上，建设覆盖无线网络，实现网络的无障碍连接和超大数据存储。为了建立校园网信息安全立体防护体系，不仅采取路由器、防火墙加密等方法，还在分域分级控制、物理层隔离、信息流向控制等方面进行了相关操作，构建安全的虚拟仿真实验教学平台链接，建立多个地区、多个学校实验教学资源的合理利用和开放共享。表2为虚拟平台共享资源列表。

表2 虚拟平台共享资源

（四）加强虚拟仿真实验教学师资建设，努力提高教师的业务水平

基于虚拟仿真实验的机械类教学需要打造一支兼备科研、教学、技术人员，以及具备稳定、核心骨干的虚拟仿真实验教学团队，形成具有先进理念、较高学术、专注科研、不断创新的虚拟仿真实验教学队伍。山东科技大学重点培养和引进虚拟仿真复合型人才，合理配置学科专业教师与信息技术研发人员；注重对青年教师的培养，通过积极参加机械类的培训学习，实现教师专业水准的提升；加强国内外学术交流，定期选派中心教师到国外著名大学进行学习交流。山东科技大学依托机械类学科建设，打造高水平实验教学团队，通过不断引进和培养优秀人才，打造了一支以教授为主体，以中青年博士为骨干，学历结构、年龄结构和职称结构更加合理，具有丰富实践教学经验的高水平实验教师队伍。

结语

机械类专业具有很强的抽象性和实践性，传统的机械类教学需要耗费大量的人力、物力和财力，同时无法保证学生安全地学习机械类基础知识。为了培养学生的学习乐趣，增强学生的创造能力和实践能力，根据虚拟仿真技术搭建虚拟环境和对象，在机械类实验教学中进行具体实践，让学生在高度虚拟的环境中实践，积累知识，达到了很好的教学效果。因此，积极研究基于虚拟仿真实验的机械类教学理论与实践，具有深远的理论和价值意义。