曾 紅， 張德強， 黃海龍， 高 奇

(遼寧工業(yè)大學 機械工程與自動化學院， 遼寧 錦州 121001)

虛擬仿真實驗教學是教育信息化發(fā)展和實驗教學改革相結(jié)合的創(chuàng)新目標和產(chǎn)物[1-3]，綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實和多媒體技術(shù)構(gòu)建仿真的實驗環(huán)境，使學生自主地在開放的虛擬仿真平臺開展實驗，尤其是對不具備真實實驗條件或是高成本、高消耗、高危極端環(huán)境、不可逆操作等實驗具有明顯優(yōu)勢[4-6]。虛擬仿真實驗教學是對傳統(tǒng)實驗教學的必要補充，對于促進實驗教學方法、模式、體系及手段的改進具有積極的促進作用。

1 機械工程虛擬仿真實驗中心建設(shè)

機械工程虛擬仿真實驗中心高度重視信息化技術(shù)在實驗教學上的應(yīng)用，在學校領(lǐng)導和各項政策的支持下，從2006年開始，密切配合機械類專業(yè)系列課程的教學改革與實踐，利用CAD/CAE/CAM技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等先進的科技手段探索機械類虛擬仿真實驗開發(fā)與應(yīng)用，經(jīng)歷了專業(yè)基礎(chǔ)課程的虛擬仿真實驗、專業(yè)課程綜合性虛擬仿真實驗和校企合作資源共享的創(chuàng)新型虛擬仿真實驗3個建設(shè)階段。實現(xiàn)了因現(xiàn)有實驗設(shè)備臺套數(shù)不足、大功率實驗損耗大、實驗成本高、實驗運行狀況又不直觀等無法完成或效果不好的實驗項目的實驗。

近10年來，通過自身開發(fā)、與企業(yè)合作和從教師科研成果轉(zhuǎn)化等方法，遵循虛實結(jié)合互補原則[7]，建設(shè)6大類、85個虛擬仿真實驗教學項目，同時開發(fā)了實驗管理信息平臺，構(gòu)建了多媒體網(wǎng)絡(luò)化仿真實驗教學體系，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化虛擬仿真實驗教學與實驗、輔導、預習以及網(wǎng)絡(luò)查詢、網(wǎng)絡(luò)管理等先進的虛擬仿真實驗和遠程實驗教學系統(tǒng)。2015年該中心獲批遼寧省虛擬仿真實驗教學中心。

機械工程虛擬仿真實驗教學資源共分為機械基礎(chǔ)虛擬仿真實驗系統(tǒng)、包裝機械虛擬仿真實驗系統(tǒng)、現(xiàn)代制造虛擬仿真實驗系統(tǒng)、機電液網(wǎng)絡(luò)測控虛擬仿真實驗系統(tǒng)、工業(yè)工程虛擬仿真實驗系統(tǒng)和過程裝備與控制虛擬仿真實驗系統(tǒng)6個模塊(見圖1)?？蔀槿?個學院的機械設(shè)計制造及自動化、機械電子工程、車輛工程、過程裝備與控制、工業(yè)工程、材料成型與控制專業(yè)等6個專業(yè)提供較為完善的虛擬仿真實驗解決方案。

圖1 機械工程虛擬仿真實驗資源

1.1 機械基礎(chǔ)虛擬仿真實驗系統(tǒng)

機械基礎(chǔ)虛擬仿真實驗包括機械設(shè)計基礎(chǔ)和機械制圖2大仿真模塊。機械設(shè)計基礎(chǔ)仿真模塊通過虛擬仿真典型機構(gòu)運動原理、平面連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、齒輪范成、軸系部件設(shè)計、減速器拆裝等，讓學生在虛擬環(huán)境中認識各種機構(gòu)，掌握其結(jié)構(gòu)組成、運動形式和工作性能，達到良好教學效果。圖2為齒輪范成虛擬仿真實驗運行界面。

機械制圖仿真模塊可實現(xiàn)對大量的點線面基本體、立體、組合體、零件和裝配體的三維虛擬模型動態(tài)瀏覽、動態(tài)截切、裝配體動態(tài)爆炸、動態(tài)拆裝和部件工作原理演示等，系統(tǒng)具有可擴充性，可較大地提高學生的空間想象力。

圖2 齒輪范成虛擬仿真實驗界面

1.2 包裝機械虛擬仿真實驗系統(tǒng)

基于包裝機械建立機械設(shè)計虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)(見圖3)，在三維環(huán)境中進行設(shè)計、操作，提供視覺的反饋，解決了傳統(tǒng)設(shè)計方法視覺效果差、難驗證的問題。仿真系統(tǒng)可將科研成果和教學內(nèi)容相結(jié)合納入學生實驗教學環(huán)節(jié)，有效培養(yǎng)學生的研究和創(chuàng)新能力。

圖3 包裝機取盒機構(gòu)設(shè)計虛擬仿真參數(shù)化

1.3 現(xiàn)代機械制造虛擬仿真實驗系統(tǒng)

機械制造虛擬仿真實驗系統(tǒng)包括數(shù)控技術(shù)虛擬仿真模塊、特種加工技術(shù)虛擬仿真模塊、模具及工藝工裝設(shè)備虛擬仿真模塊。利用該虛擬仿真實驗系統(tǒng)，可實現(xiàn)數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)虛擬拆裝、虛擬編程加工、激光加工編程模擬、3D打印仿真以及工裝設(shè)備和模具的虛擬拆裝，可有效解決實驗費用高、機床故障實現(xiàn)困難、設(shè)備臺套不足、某些實驗存在較高危險性等問題。

1.4 機電液控制虛擬仿真實驗系統(tǒng)

充分利用可視化機電控制仿真平臺，用戶可將元器件隨意搭建，組合成所需要的某個機、電、液、氣復合系統(tǒng)，仿真運行過程中可混合控制該復合系統(tǒng)并能實時測量出對每條回路或器件的電信號。讓學生在三維虛擬動畫場景中完成可視化編程，及時看到程序控制效果，指導學生快速掌握PLC編程。圖4為液體混合控制實驗的硬件系統(tǒng)仿真界面。

圖4 液體混合控制實驗的硬件系統(tǒng)仿真界面

1.5 過程控制虛擬仿真實驗系統(tǒng)

主要包括反應(yīng)釜控制模塊、鍋爐控制模塊、水處理模塊3個仿真生產(chǎn)工藝控制模塊，每個仿真模塊包含趨勢曲線、溫度控制曲線、報表模塊和報警4個功能模塊，有效解決了化工過程控制實驗教學成本高、消耗大、危險性強或用真實實驗無法實現(xiàn)等問題。

1.6 工業(yè)工程虛擬仿真實驗系統(tǒng)

工業(yè)工程虛擬仿真實驗系統(tǒng)包括現(xiàn)代物流工程、流水線實時、數(shù)字化虛擬仿真等3個子實驗系統(tǒng)(見圖5)。系統(tǒng)平臺由一系列不同的軟硬件組成，可結(jié)合不同的實際生產(chǎn)場景，構(gòu)建虛擬的企業(yè)系統(tǒng)環(huán)境，根據(jù)參數(shù)可進行優(yōu)化分析，學生在這個虛擬的環(huán)境中可仿真完成生產(chǎn)運作系統(tǒng)中的各項實驗，感受到與真實環(huán)境中一樣的實驗效果，對于提高學生的實踐水平和實際場景的感知能力有極大幫助。

圖5 生產(chǎn)流水線模型

2 虛擬仿真實驗教學平臺

中心現(xiàn)配備Solidworks、Pro/E等正版軟件，配備有三維投影儀、三維打印機、宇龍、創(chuàng)壹、CAXA數(shù)控車銑仿真系統(tǒng)等，建設(shè)4個60個機位虛擬仿真室，完成了共享平臺建設(shè)。平臺發(fā)布及介紹科研與教學信息，可在校園內(nèi)部、院校之間、校企之間初步實現(xiàn)一部分信息資源共享。視頻教學資源平臺、各種虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用開發(fā)平臺、實驗管理平臺、信息公告及資源下載平臺等平臺組成如圖6所示。

圖6 教學平臺組成框圖

3 虛擬仿真實驗中心管理體系

為了高質(zhì)量地完成建設(shè)任務(wù)，成立由主管校領(lǐng)導為組長、有關(guān)職能部門負責人參加的領(lǐng)導小組，負責組織領(lǐng)導規(guī)劃項目的實施工作，制定“項目負責人管理制度”“項目跟蹤檢查管理制度”“大型精密儀器設(shè)備開放共享管理暫行辦法”等。依據(jù)學科優(yōu)勢和地緣優(yōu)勢，依靠中央與地方共建等資金的支持，及財政撥款和教學科研收入、校辦產(chǎn)業(yè)收入等投入相應(yīng)的資金，保證項目的建設(shè)需要。相關(guān)學院將成立實驗教學中心建設(shè)小組，具體負責實施中心建設(shè)工作。實驗室在省教育廳以及學校領(lǐng)導下，實行校、院2級管理和中心主任負責制，下設(shè)的虛擬實驗室對應(yīng)的物理實驗室由專業(yè)實驗員分別負責，虛擬實驗室網(wǎng)站由專人負責管理。虛擬實驗室以“競爭、流動、開放、聯(lián)合”為宗旨，向國內(nèi)外高校、研究機構(gòu)、企業(yè)開放，實現(xiàn)資源共享。

4 機械工程虛擬仿真實驗中心建設(shè)應(yīng)用

(1) 彌補實驗室硬件實驗資源不足問題，提高學生實驗實踐能力。由于資金緊缺，基礎(chǔ)或?qū)I(yè)實驗室的硬件儀器設(shè)備均存在設(shè)備老舊導致能夠用于正式實驗的臺套數(shù)不足，或新儀器設(shè)備由于價格高而購買的臺套數(shù)少等問題，導致學生做實驗時分組人數(shù)過多，或?qū)嶒炛芷谶^長等問題，因此采用以軟代硬的辦法往往最為有效。

(2) 解決硬件設(shè)備進行實驗涉及到的資源損耗過大、危險性較大、實驗過程不可逆且不容易詳細觀察、研究等問題，代之以開發(fā)的虛擬仿真軟件予以實現(xiàn)，能降低成本及實驗風險等[8-9]。一些專業(yè)實驗設(shè)備，例如數(shù)控機床、電火花機、線切割機、激光加工設(shè)備等存在耗材費用高、操作存在一定危險性，特別是一些化工過程裝備，購買成本較高，在實驗時存在較大危險性等，另外如工業(yè)工程專業(yè)，一些工藝規(guī)劃方面的實驗不可能以建設(shè)實際實驗室的方式進行，只能利用虛擬仿真系統(tǒng)代替實物實驗。

(3) 開發(fā)出具有創(chuàng)造性和高水平的軟件共享虛擬實驗等教學資源，對提高學生的綜合設(shè)計和創(chuàng)新能力，以及對教師提高教學能力、拓展實踐領(lǐng)域、豐富教學內(nèi)容等有很大的必要性。

(4) 能促進教學、科研、技術(shù)人員相結(jié)合，利于學生和師資的培養(yǎng)，促進教育理念先進、學術(shù)水平高、實踐經(jīng)驗豐富、創(chuàng)新性強的實驗教學團隊盡快形成[10-12]。借助虛擬仿真軟件的強大功能，可以促進教學、科研、技術(shù)能力的提升，從而促進教學團隊成員的成長和水平提升。

(5) 虛擬仿真實驗教學中心的管理體系建設(shè)，有助于建立激勵學生學習和提高學生創(chuàng)新能力的教學效果考核、評價和反饋機制的形成。借助虛擬實驗系統(tǒng)的考核體系，教與學的效果很快就能體現(xiàn)，評價和反饋意見能夠更好地促進學生和教師發(fā)現(xiàn)存在的問題并及時解決。

5 結(jié)語

虛擬仿真實驗中心是高校信息化建設(shè)的重要組成部分，可以更好地整合實驗資源、建設(shè)與傳統(tǒng)教學相配套的數(shù)字化教育資源體系。隨著研究工作的不斷深入，不斷完善實驗內(nèi)容和形式，結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+教育”，實現(xiàn)在線虛擬實驗，提高學生的創(chuàng)新實踐能力。

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