机械基础实验教学体系构建及其数字化网络平台研究*

刘征宏 ，吴家福 ，姚固文 ，钟丽琼

（贵阳学院机械工程学院，贵州 贵阳 550005）

在“互联网+”背景下，以超星、慕课为代表的在线学习平台迅速崛起，与互联网高度结合的移动学习方式受到全国高校及学生的欢迎，教学的方式正在被重新定义。实验教学作为课堂理论知识的补充与拓展，对人才的培养同样起着至关重要的作用。如何跟上时代的脚步，在原有的教学基础上设计适合线上教学的实验教学体系是高校需要思考的问题。本文以机械基础实验教学为研究对象，基于新工科建设要求，融入工程教育专业认证和OBE 理念，构建了新的机械基础实验教学体系，设计了基于Web 的软硬件结合、数字资源丰富的三维虚拟实验平台。本文的研究结果将进一步完善机械基础实验教学体系，解决机械基础实验设备仪器资源短缺问题，为实验类课程的线上教学提供一种新思路。

1 机械基础实验教学体系构建

随着工程教育专业认证及新工科建设的不断推进，各高校对学生的综合创新及实践能力要求越来越高，有关实验教学的研究备受关注。实验教学在整个课程体系中有着重要的地位，学生的基础理论、基本技能和创新设计能力等方面在课堂的有限时间里不能得到充分的培养，实验教学作为课堂的拓展与补充，对上述学生能力的训练起到了积极作用，但现有的机械基础实验教学还存在诸多明显的不足[1]。因此，为适应新时代教育的发展，构建能巩固学生基础、提升学生综合创新实践能力的实验教学体系显得尤为重要[2]。

1.1 传统实验教学的不足

目前，各高校都在积极地从实验项目、教学方法、实验设备、实验场地等方面提高实验教学质量和成效。但多数实验教学仍然存在以下主要问题：1）教学方式较为传统、不够新颖。现有的教学方法为老师对实验与案例进行讲解，随后向同学们示范实验，学生再按照老师的讲解重复操作[3]。机械基础实验项目大多局限于基础理论知识的验证性实验，缺乏实验的构思、设计、参与、交互等过程，学生的创造性思维无法得到充分培养。2）实验内容缺乏系统性。实验项目主要是对一个知识点进行单方面验证的验证性实验，各知识点之间联系不够紧密，缺少系统性的联结，学生理解到的理论知识较为零散，无法串联起整个理论体系。3）实验资源和场地受限。目前，很多高校尤其是地方院校实验资源相对匮乏，主要体现在实验设备台套数不够，学生需分组实验，影响了教学效率；实验设备老旧，很多设备跟不上学科发展，不能支撑学科知识更新，有些配置较低，操作反应迟钝。因此，亟需构建系统的机械基础实验教学体系，借助数字化方法拓展实验教学资源。

1.2 机械基础实验教学体系构建

机械基础实验教学体系构建，既要符合教学质量国家标准、工程教育专业认证要求，又需结合学校办学定位及相关专业人才培养方案，突出培养特色。构建以引导认知型实验、基础型实验、综合设计型实验和研究创新型实验四个层次为构架的机械基础实验教学体系，以机械认知、机械设计和机械研究为一条主线，巩固学生基础，培养工科人才的创新思维[4]。引导认知型实验主要包括机构、机械结构及零部件认知、机构认知、机构简图；基础型实验主要包括机构简图测绘、动平衡实验、滑动轴承压力实验；综合设计型实验主要包括计算机绘图、速度波动调节、机械传动设计与性能分析；研究创新型实验主要为机构创新设计[5]。

2 数字化网络平台研究

数字化网络平台需要将信息技术和教育交叉融合，充分利用虚拟仿真、计算机图形、互联网技术等创新实验教学方式，为培养新工科人才搭建符合“互联网+”时代背景的实验实践平台。因此，探索以计算机技术为代表的新兴技术在实践教学中的应用，对于实验教育手段的创新具有重要意义。

2.1 3D模型及动画构建

在实验教学体系的框架下，通过3D 建模软件、3D 扫描等建模技术构建实验设备及零部件的三维模型，如齿轮、轴、轴承、电机、带轮、链轮、连杆机构、凸轮机构、蜗轮蜗杆机构、刀具、夹具、减速器、变速器、转向系统、机床等；构建机构运动、机器运动、加工过程仿真、车间虚拟仿真等3D 动画，如连杆机构演化、不同类型凸轮机构运动、不同类型齿轮运动、以减速器为代表的机器运动、车铣刨磨钻镗锪切削加工过程、生产线模拟等。

通过建模将实验所包含设备、相关零部件、场景等数字化；通过动画设计构建相关机构及机器的运动原理、相关产品的加工制造过程仿真、生产线及车间运行等动画。除了满足“机械制图”“机械原理”“机械设计”“机械制造技术”等课程实验内容，也为相关理论课程教学提供了多媒体资源。

2.2 基于VR的虚拟仿真交互实验平台构建

多媒体技术、三维建模技术、仿真技术、动画设计、虚拟现实等数字化技术已被广泛应用于教学，并取得了很好的效果。虚拟现实（Virtual Reality, VR）技术借助计算机等设备产生一个逼真的三维视觉、触觉、嗅觉等多种感官体验的拟真环境，具有沉浸式交互、多通道感知等特性[6]，主要应用于VR 实验室、VR 图书馆、VR 课堂等。随着互联网的普及和相关技术的不断进步，关于网络化与VR 技术结合的研究也越来越受到高校的重视。

VR 虚拟实验环境的搭建是改进物理模型、板书或者幻灯片等授课形式的关键，逼真的、交互性好的虚拟系统可以大大激发学生们的学习兴趣，提高学生的主动性和创造力。将所构建的模型及动画与虚拟仿真实验室现有的环幕、3D 投影仪、3D 眼镜等硬件设备相融合，通过交互过程开发，构建了一个虚拟的、逼真的、可交互的软硬件相结合的虚拟实验平台。虚拟实验平台的构建如图1 所示。虚拟实验系统的涵盖范围可以随技术的发展而逐步扩大，内容也会不断更新迭代。机械行业的各种零件的模型、零件毛坯到成品的加工过程、零件的多种加工方式以及零件加工的原理和工作过程的动态模拟等均可以通过该系统进行展示。

图1 基于VR的虚拟实验平台构建

2.3 网络虚拟实验教学平台研究

网络实验平台的研究让学生不必再被时间和空间限制，实验预习、实验作业等可通过移动学习的方式在其他地方完成，使实验教学更加灵活，同时使交互操作和学习资料一体化。为了发布虚拟实验网络平台，需借助UE4引擎技术，在UE4中使用C++编程或蓝图技术进行交互设计。

基于虚拟现实技术中的UE4 虚幻引擎技术，采用C++脚本语言进行交互过程开发[7]，融合网络技术，通过业务流程及需求分析、体系结构设计、功能设计等步骤，设计了基于Web 的三维虚拟实验平台[8-9]。该平台具有在线虚拟实验、实验教学管理及平台管理维护等功能，使学生能够摆脱时间和空间等因素的限制，实现对机械类不同层次实验（如引导认知型实验、基础型实验、综合设计型实验等）的在线学习和动手操作。网络虚拟实验平台功能模块图如图2 所示。

图2 网络虚拟实验平台功能模块图

学生在教师的指导下选择减速器拆装实验进入实验场景，以减速器拆装实验为例，该平台具有如下主要功能：1）通过鼠标操作实现浏览视角变换，通过滚轮操作实现缩放功能；2）使用鼠标点击场景中的按钮，实现减速器整体及各部件、组件的组装和拆卸演示；3）使用鼠标拖拽、点击零部件进行交互组装，并提示正确的操作顺序，拆卸操作也类似；4）点击相关按钮，可测量相应的轴径、齿轮齿数、齿轮模数等参数。

网络实验平台的功能实现：以虚拟实验平台的减速器拆装实验为例，对虚拟实验的设计与实现进行讲解。该实验分为构建三维零部件模型、设计与实现模型交互功能、发布网络三个步骤。

3 结语

机械基础实验教学体系的建设是一个持续更新的动态、系统建设过程[10]。本文基于实验教学体系的构建，在教学资源开发、数字化平台构建、虚拟实验平台设计等方面提出了新思路[11-12]，并做出了创新性的实践，为开展线上与线下结合的教学活动打下了坚实的基础，丰富了现有教学方法[13-14]。同时，也提供了一个数字化教学平台，有效推进和带动了数字化实验教学体系的构建。