计算机仿真在机械类专业工程实践教育中的应用

张亚平　李秋爽

摘要：现阶段的机械类专业工程教学存在着明显弊端，难以培养学生的实践能力。鉴于此，应当在机械类专业工程实践教育中应用虚拟仿真技术，开展计算机仿真教学。应用虚拟仿真技术开展仿真教学，可以提高学生的学习兴趣和积极性，提高学生的实践能力和操作技能，降低教学成本和风险，提高教学效率和质量，培养学生的创新能力和实践能力。

关键词：机械类专业工程教学；实践教育；计算机仿真；应用

一、前言

虚拟仿真技术可以模拟真实的工程场景，让学生感受到实际操作的乐趣，从而激发学习兴趣和积极性。虚拟仿真技术可以让学生进行多次实验和操作，从而加深对机械类工程知识的理解和掌握，提高实践能力和操作技能。虚拟仿真技术可以减少实验设备的购置和维护成本，同时避免因操作不当或设备故障等原因导致的安全风险。虚拟仿真技术可以实现教学内容的可视化和互动，让学生更加深入地理解和掌握知识，提高教学效率和质量。虚拟仿真技术可以模拟不同的工程场景和实验条件，让学生在实践中培养创新思维和实践能力，为未来的工程实践打下坚实的基础。

二、现阶段机械类专业工程教学存在的弊端

（一）国内制造业的发展，对机械类专业工程教学提出了新的要求

2000年以来，国内制造业取得了显著的发展。据国家统计局统计，2014年，国内规模以上制造业企业总数为32.70万家，制造业行业总资产为65.12万亿元，制造业行业年营业收入超过90万亿元。2021年，国内规模以上制造业企业总数已超过37.34万家，制造业行业总资产超过97万亿元，制造业行业年营业收入超过96万亿元；制造业行业吸纳的劳动力总量超过1.04亿人。制造业的蓬勃发展，不仅拉动了国民经济的增长，解决了亿万劳动力的就业问题，促进了工业化的升级；同时也推动了机械类专业工程教学的发展。但国内制造业企业雇佣的员工大部分没有接受过良好的机械专业工程教育，无法成长为技能型人才、应用型人才。因此，制造业企业急需大量掌握丰富理论知识，同时具有较强实践能力的应用型人才[1]。

（二）现阶段机械工程类专业教学模式存在的主要弊端

2022年5月，杭州某师范高校职业技术教育学的专家为研究现阶段机械类专业工程教学的实际情况，随机选择各地5所开设机械工程类专业的高职院校，对5所院校机械工程类专业的学生进行了一次问卷调查。参与此次调查的学生共有397人。此次调查显示，在全部接受调查的学生中，有56.4%的学生表示自己具有丰富的理论知识，但却缺乏实践经验；有48.3%的学生表示教师在上课时，主要采用讲授法；有38.04%的学生表示教师讲课的内容非常难，有27.09%的学生表示教师讲课的内容比较难，只有7%的学生表示教师讲课的内容不太难；有53.8%的学生认为自己在课堂上学到的知识太过时，没有与制造业企业的生产需求接轨；有20.1%的学生表示自己没有参加过专业的相关实习，有55.3%的学生表示自己只参加过一次与专业相关的实习；有64.89%的学生表示实习以参观为主，难以深入了解设备运作、制造流程、制造工艺的具体情况；有37.22%的学生表示在实习期间，企业非常重视技术保密，不愿向学生透露过多的专业知识；有48.1%的学生表示实习时间过短，在实习期间难以培养、锻炼实践能力；有39.49%的学生表示在实习期间缺乏实操训练，或没有参加过顶岗实习；有59.41%的学生表示自己缺乏解决复杂问题的能力。有36.5%的学生承认自己的实践能力薄弱；有58.7%的学生表示对自己个人前景感到迷茫；有11.98%的学生表示自己曾经考虑换专业。

通过此次调查，可以发现，现阶段机械工程类专业教学模式存在的弊端主要有以下几点：1.机械工程类专业教学以理论教学为主，在课堂教学中，教师主要采用传统的讲授法给学生上课，这种教学方式使学生难以学习、掌握实践技能（60%的学生表示自己具有丰富的理论知识，但却缺乏实践经验）；2.机械工程类专业教学的内容具有一定的难度，而且，教学内容往往与企业生产相互脱节（接近三分之二的被调查学生认为教师讲课的内容“非常难”或“比较难”）；3.开展实习教学存在较大的客观困难。高职院校在开展实习教学时，往往采用校企合作的方式，联络制造业企业，组织学生到企业参加实习，这的确是培养学生实践能力的一种有效方式。但当前的实际情况是许多制造业企业对校企合作缺乏兴趣，不欢迎高职院校的学生到企业来实习（有20.1%的学生从未参加过本专业的相关实习）；另一些制造业企业虽然参与校企合作，但采取各项保密措施，企业的技术人员不肯向学生透露本企业设备运作、制造流程、制造工艺的具体情况，使实习变成了参观。学生在实习过程中，很少有机会参与实操训练、顶岗实习。因此，实习教学的效果较差，难以培养学生的实践能力和解决复杂问题的能力，由此导致超过三分之一的学生认为自己的实践能力薄弱。由于缺乏实践能力，许多学生对个人发展前景感到悲观、迷茫，甚至考虑改换专业。

三、在机械类专业工程实践教育中应用计算机仿真教学

（一）计算机仿真教学

计算机仿真教学，指的是使用先进的信息技术，基于某一教学主题，采集真实世界中与该教学主题相关的大量信息，再使用计算机系统，结合教学内容，对采集的信息进行综合处理，并向学生发送视觉信息、听觉信息等各种形式的信息，从而模仿真实世界，构建形成一个虚拟世界，吸引学生投入沉浸式教学。学生在这个虚拟世界中，可以与仿真对象进行互动，主动探索各种知识。

计算机仿真教学最早出现在美国，在20世纪80年代，美国空军采用计算机仿真教学训练飞行员，取得了很好的效果[2]。此后，美国高等院校对计算机仿真教学产生了兴趣，各高校（包括加利福尼亚大学伯克利分校、斯坦福大学、巴布森学院、哈佛大学医学院等名校）纷纷引入、应用计算机仿真技术，构建虚拟仿真实验室，在电气、机械制造、机械生产、医学护理、物流、金融投资、会计、运输管理等各个专业开展计算机仿真教学，取得了显著的效果。近年来，计算机仿真教学传入国内，许多高校都建立了虚拟仿真实验室，虚拟仿真教学平台[3]。

与传统的课堂教学、实习教学相比，计算机仿真教学具有明显的优势。

1.教学成本较低

高校对学生开展实习教学，必须配置大量器材、设备、材料；这无疑会消耗大量教学经费。对学生开展计算机仿真教学，则不需要使用任何器材、设备、材料，但学生同样可以获取真实的信息，从而保证教学质量。

2.互动性较强

在传统的课堂教学中，教师必须抓紧时间完成教学进度，因此，教师往往采用讲授法上课，很少有时间与学生进行双向互动；而且，教师向学生传授的知识，主要是抽象的专业理论知识，这些抽象的专业理论知识与学生的日常生活存在相当大的距离，因此，学生容易出现学习困难[4]。教师对学生开展计算机仿真教学，可以结合仿真情景进行讲解，将抽象概念变得形象化、可视化，从而降低学生的学习困难，并且实现理论教学与实验教学的相互融合。学生在听讲过程中可以参与动手操作，教师可以观察学生的操作过程，并对学生进行现场指导。因此，计算机仿真教学的互动性较强，学生在互动过程中，可以深入理解、掌握大量知识，从而提升学习效率。

3.可以为学生提供更多的实操训练机会

对学生开展计算机仿真教学，可以使学生详细了解真实企业生产、运作的具体情况，可以使学生获得更多的实操训练机会，从而培养学生实践能力。在开展计算机仿真教学的过程中，教师还可以有意识地向学生设置一系列具有挑战性的问题，并运用小组合作教学法，组织学生去解决这些问题，从而锻炼学生解决复杂问题的能力[5]。

4.计算机仿真教学的灵活性较高，更新比较便捷

现阶段，学生的实习教学几乎等同于企业的实际生产。但企业的实际生产过程较为单调枯燥，企业的生产环境比较封闭，且潜伏着一些危险因素；许多操作具有不可逆性，此外，企业往往对生产技术、生产工艺进行严格保密。学生在实习过程中，往往很难真正学到有用的、有价值的知识[6]。

（二）在机械类专业工程实践教育中应用计算机仿真教学

目前，国内已经有多所高校，天津大学、华中科技大学、浙江大学、山东建筑大学、上海理工大学等在机械类专业工程实践教育中应用计算机仿真教学。教育部还牵头成立了高等学校机械工程学科虚拟仿真实验教学共享平台（http：//www.vrlab-mech.com），该平台开设了工程图学虚拟仿真实验、齿轮泵装配体虚拟仿真实验、减速器底座加工工艺虚拟仿真实验、典型轮系运动虚拟仿真实验、机构结构认知与组成实验、齿轮传动装置的润滑与密封设计、联轴器类型、结构与选用虚拟实验等近百门课程，各高校机械工程专业的学生只要登录平台，就可以观看课程，接受仿真教学[7]；学生还可以在平台上进行课程实验，并上传实验报告。教师可以在线批阅学生的实验报告，并进行评分。下面，将论述在机械类专业工程实践教育中应用计算机仿真教学的两个方案。

1.引入虚拟仿真软件

在机械类专业教学中引入虚拟仿真软件，如SolidWorks、CATIA、ANSYS等，让学生能够在计算机上进行机械零部件的设计、模拟、分析和优化等实践操作。通过引入虚拟仿真软件，可以提高机械类专业学生的实践能力和理论知识水平，为未来的工作和研究打下坚实的基础。

使用虚拟仿真软件开展教学，要确定仿真教学的具体目标（如引导学生理解机械设计原理、加深对机械加工工艺的理解），教师要根据教学目标，在虚拟仿真软件中建立机械模型，设置仿真参数（如运动轨迹、受力情况等）。学生通过虚拟仿真软件进行机械零部件的三维建模和装配，可以掌握机械设计的基本方法和技能。同时，可以让学生了解机械零部件的设计要点和注意事项。学生通过虚拟仿真软件进行机械零部件的运动学和动力学模拟，可以了解机械零部件的工作原理和特性。通过模拟，学生可以更加深入地理解机械原理和运动学知识。学生通过虚拟仿真软件进行机械零部件的强度、刚度、耐久性等分析，从而提高机械分析和优化的能力。通过分析，学生可以更加深入地了解机械零部件的特性和优化方法。学生通过虚拟仿真软件进行机械加工和装配的模拟，可以了解机械工艺的流程和要点，掌握机械加工和装配的方法和流程。学生应用虚拟仿真软件进行仿真分析，还可以观察机械模型的运动、受力情况等。并根据仿真分析结果，对机械模型进行优化设计，改进机械设计方案。

2.引入AI技术和大数据技术

通过引入AI技术和大数据技术，构建一个智能化的机械类专业工程教学平台，可以提高学生的实践能力和应用能力。该平台包括虚拟实验室、虚拟仿真软件、机器人辅导等多种教学工具，通过数据采集、数据分析、数据应用等手段，为学生提供全方位、个性化的实践教学支持。

（1）建设虚拟实验室

针对机械类专业工程教学中的实践教学难点，建设虚拟实验室。虚拟实验室可以推动实践教学走向数字化、智能化。虚拟实验室包括多个实验模块，如机械加工、焊接、机器人控制等，学生可以在虚拟实验室中进行模拟实验。实验室还可以提供其他相关的教学资源和教学指导，帮助学生更好地进行实践操作和理论学习，从而提升学生的实践能力和理论知识水平，学生在虚拟实验室中，可以更加深入地了解机械工程的应用场景和实际问题，提高解决实际问题的能力。

还可以在虚拟实验室的基础上建设虚拟工厂。虚拟工厂可以模拟真实机械工厂的生产过程，让学生了解机械工厂的生产环节，引导学生在虚拟环境中认识、了解各种机械设备，以及机械制造的具体过程。建设虚拟工厂，需要使用AutoCAD、Revit等建模软件进行建模。并且要设计工厂布局和生产线，包括选择设备、布置设备，学生在虚拟工厂中接受仿真教学。教师可以针对机械类专业工程教学中的实践教学难点，建设多个虚拟仿真模块，学生在虚拟仿真模块中进行模拟实践。

（2）引入AI技术

通过引入AI技术，可以为学生提供更加智能化的实践教学。

①提供个性化学习建议：AI技术使用机器学习算法，针对学生的学习情况和实践表现，为学生提供个性化的学习和实践建议，从而提升学生的实践能力。

②智能化实践评估：AI技术使用深度学习算法，对学生在虚拟仿真软件中的实践数据进行分析和评估，为教师提供更加准确的学生评估和教学反馈。

③智能化实践辅导：通过机器人辅导技术，为学生提供智能化的实践辅导和指导，帮助学生掌握实践技能和方法。

④智能化监控：引入AI技术，可以对学生的操作过程进行监控和评估，及时反馈学生的错误和不足之处。通过摄像头等设备对学生的操作过程进行实时监控，记录学生的操作步骤和过程。通过AI技术对学生的操作过程进行分析和识别，及时发现学生的错误和不足之处，再对学生的错误进行纠正和指导，帮助学生提高实践能力。

（3）引入大数据技术

采用大数据采集技术，通过传感器、监控等设备采集学生在虚拟仿真教学中产生的各种数据。利用数据挖掘技术和分析技术，对学生在虚拟仿真软件中产生的各种数据进行分析和挖掘，教师根据数据分析结果，调整教学内容，补齐学生的短板，提升学生的实践能力。此外，还可以通过校企合作，将学生在虚拟仿真教学中产生的各种数据应用于机械企业的实际生产和制造；利用传感器等设备对实际生产过程中的数据进行收集和记录，完成必要的数据整理、初步分析，提取出有用的信息和特征；再将机械企业的实际生产和制造中产生的各种数据反馈给学生，帮助学生更好地了解企业的生产需求和技术应用，了解生产过程中的各种问题和挑战，了解机械加工的基本工艺、机床的使用和操作、机械加工的质量控制、机械设备的保养、维修和故障排除等内容，从而培养学生的实践能力。

（4）引入机器人辅导技术

引入机器人辅导技术，可以为学生提供智能化的实践辅导和指导，机器人辅导技术包括机器人辅导、机器人示范等，学生可以通过机器人辅导和机器人示范来学习和掌握实践技能。

（5） 建设智能化实践评估系统

建设智能化实践评估系统，对学生在虚拟实验室、虚拟工厂和虚拟仿真软件中的实践数据进行分析和评估，为教师提供更加准确的学生评估和教学反馈，从而更好地促进学生的实践能力提升。

通过应用虚拟仿真技术，可以提高学生的实践能力和应用能力；提高机械类专业工程教学质量和教学效率；增强学生的创新能力和竞争力。

四、结语

综上所述，近几年来，在制造业蓬勃发展的大背景下，机械类专业工程教学取得了较快发展，但机械类专业工程实践教学却面临各种困难，难以提升学生的实践能力。因此，应当在机械类专业工程教学中应用虚拟仿真技术，推广计算机仿真教学，从而培养学生的创新精神与实践能力，提升机械类专业工程教学的整体质量。

参考文献

[1]姜潮，杨旭静，龙湘云，等.智造赋能传统工科专业升级转型的探索与实践——以机械工程专业为例[J].高等工程教育研究，2022（04）：25-30.

[2]李春磊，李亮.工程认证驱动下的应用型机械类专业人才培养内涵创新及其体系重构[J].内江科技，2022，43（05）：32-34.

[3]张建平.以就业为导向的机械工程专业课程体系构建探究——以上海理工大学为例[J].高教论坛，2022（05）：35-38.

[4]魏静，刘达斌，黄聪，等.面向产品实现过程与科教融合的机械类本科生人才培养改革与实践[J].高教学刊，2022，8（13）：129-132.

[5]颜良法，章晨曦.多元化、多角度产教融合在职业教育中的实践探讨——以机械制造类专业为例[J].科技视界，2022（10）：162-164.

[6]郗艳梅，张铁壁，张鹏程.地方新工科机械类专业产教融合模式的探索与实践[J].教育教学论坛，2022（11）：133-136.

[7]白云.校企合作下的机械类专业实践教学模式构建[J].现代制造技术与装备，2022，58（02）：210-212.

作者单位：信阳职业技术学院