苗 淼，王志瓊，劉津彤，寇尊權(quán)，楊 楠

(吉林大學 機械與航空航天工程學院 國家級機械虛擬仿真實驗教學示范中心,長春 130022)

0 引 言

齒輪是機械中應(yīng)用最廣泛的零件之一，是眾多機電產(chǎn)品的核心部件，在機械類課程教學、實驗教學中占有相當大的比重[1-2]。齒輪設(shè)計涉及眾多參數(shù)，完工齒輪的各項參數(shù)是否符合設(shè)計要求對齒輪傳動的性能有著重要的影響[3-5]。檢測齒輪是否合格，要通過檢測項目和相應(yīng)的檢測儀器確定。

隨著國家對高等教育經(jīng)費投入的逐年增加[6-7]，為滿足高校人才培養(yǎng)和科研的需求，大型精密儀器設(shè)備的數(shù)量在高校內(nèi)有所增加，但加強大型精密儀器設(shè)備管理、提高設(shè)備利用率和普教率是當前面臨的十分緊迫的現(xiàn)實問題[8-9]。目前機械虛擬仿真國家級實驗教學示范中心下設(shè)的機械基礎(chǔ)實驗教學中心擁有國內(nèi)先進、現(xiàn)代化生產(chǎn)中，大、中型企業(yè)進行機械產(chǎn)品齒輪精度檢測常用的高精密檢測儀器設(shè)備齒輪測量中心1臺，并且已經(jīng)初步投入了齒輪綜合實驗——齒輪精度檢測實驗,將大型貴重精密檢測儀器設(shè)備齒輪測量中心應(yīng)用于本科生教學[10-11]。該實驗項目在獨立設(shè)課的本科生必修課程機械工程綜合實驗Ⅱ中，通過該門課程學習使學生加深對齒輪結(jié)構(gòu)齒輪精度檢驗項目的理解，了解齒輪精度檢測儀器的使用方法，提高運用先進技術(shù)和工具解決工程實際問題的能力[12]。

但隨著課程的開設(shè)逐漸暴露出大型精密檢測儀器設(shè)備價格昂貴，無法大量購置，因此無法多人共同實驗；操作復(fù)雜，實驗前需要進行培訓(xùn)，但有效學時不足；對環(huán)境要求高，維護成本高等問題。針對這些問題，基于互聯(lián)網(wǎng)+，結(jié)合現(xiàn)有資源嘗試建立虛實結(jié)合的實驗教學模式，真實實驗與虛擬實驗相互依存相互補充，發(fā)揮各自優(yōu)勢從而提高大型精密儀器設(shè)備利用率和普及率，改善實驗教學效果，提高實驗教學質(zhì)量[13-16]。本文基于齒輪測量中心和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研制齒輪精度檢測虛擬仿真實驗教學平臺，旨在為學生提供基于齒輪測量中心的齒輪精度綜合檢測實驗預(yù)習平臺、虛擬仿真實驗操作平臺、實驗復(fù)習平臺以及師生交流平臺，不僅受益于本校學生，同時可以與國內(nèi)其它高校、社會人員實行資源共享。

1 建設(shè)目標與任務(wù)

利用檢測領(lǐng)域前沿技術(shù)，基于虛擬仿真實驗交互平臺，研發(fā)基于高精密檢測儀器設(shè)備的齒輪精度檢測虛擬仿真實驗教學平臺，設(shè)計制作包含一系列齒輪精度檢測虛擬仿真實驗內(nèi)容，與機械工程綜合實驗Ⅱ中的齒輪精度真實檢測實驗集成為齒輪精度綜合檢測實驗，從而創(chuàng)建虛實結(jié)合的實驗教學模式。

學生基于網(wǎng)絡(luò)平臺進行典型零部件的裝夾、檢測參數(shù)設(shè)置、虛擬檢測、檢測曲線動態(tài)變化分析、檢測數(shù)據(jù)判斷等過程的學習，通過虛擬仿真實驗基本掌握實驗的操作過程和齒輪精度理論知識。然后到實驗室進行真實實驗，將基于互聯(lián)網(wǎng)+的虛實結(jié)合實驗教學模式應(yīng)用于本科生教學，提高實驗教學效果，并且解決大型精密檢測儀器設(shè)備操作復(fù)雜、學時不足、對環(huán)境要求高，無法多人共同實驗等普遍問題。

該實驗項目符合國家級虛擬仿真實驗教學建設(shè)的要求，達到了建立具有先進性、需求性、特色性和共享性虛擬仿真實驗教學中心的目標。

2 齒輪精度虛擬檢測平臺方案設(shè)計

建立虛實結(jié)合的實驗教學模式，將齒輪精度綜合檢測實驗分成4大實驗內(nèi)容：實驗預(yù)習，虛擬實驗，真實實驗，實驗報告。實驗?zāi)K構(gòu)成如圖1所示。

圖1 齒輪精度綜合檢測實驗?zāi)K構(gòu)成

齒輪精度檢測虛擬仿真實驗教學平臺涵蓋實驗前兩項內(nèi)容，即實驗預(yù)習與虛擬實驗，平臺設(shè)計流程如表1所示。其中預(yù)習考試、真實實驗預(yù)約、真實實驗成績、報告提交和報告成績依托機械虛擬仿真實驗教學平臺進行實驗教學管理。

表1 齒輪精度虛擬檢測平臺設(shè)計流程

3 虛擬檢測平臺內(nèi)容建設(shè)

齒輪精度檢測虛擬仿真實驗教學平臺基于unity3d技術(shù)，設(shè)計制作了7個子模塊，分別為實驗?zāi)康?、?nèi)容、儀器設(shè)備介紹、實驗原理、步驟、視頻和虛擬實驗，其中前6個子模塊構(gòu)成實驗預(yù)習模塊。

3.1 實驗預(yù)習模塊

該模塊主要通過文字、三維立體圖形、聲音和動畫為學生提供實驗前預(yù)習準備，即通過網(wǎng)絡(luò)平臺進行實驗預(yù)習，預(yù)習完成后進行網(wǎng)上預(yù)習考試，給定預(yù)習成績。

實驗?zāi)康闹饕鞘箤W生了解齒輪測量中心的基本結(jié)構(gòu)、測量原理及操作方法，加深對齒輪齒廓、螺旋線等概念的理解，掌握數(shù)據(jù)處理方法及尺寸合格性判斷原則；實驗內(nèi)容主要是檢測圓柱齒輪精度,齒廓、螺旋線、齒距和徑向跳動；儀器設(shè)備介紹和實驗原理詳細介紹了儀器設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)和檢測原理；實驗步驟和實驗視頻分別運用文字和動畫講解了實驗的操作過程與注意事項，如圖2所示。

圖2 虛擬檢測平臺建設(shè)內(nèi)容

預(yù)習準備完成后，學生可以從預(yù)習考試題庫中自行抽取10道試題進行解答，答對8道以上可以繼續(xù)進行虛擬實驗，如果少于8道題，強制學生繼續(xù)進行實驗預(yù)習，不能進行虛擬操作。每位同學有3次機會。同時，簽錯的題會自動彈出正確答案，并給予解釋。

3.2 虛擬仿真實驗?zāi)K

預(yù)習成績達到要求后，可操作虛擬實驗?zāi)K，該模塊即為齒輪精度虛擬檢測，操作完成后，根據(jù)操作步驟打分，并對操作錯誤給予提示。

虛擬實驗操作模塊中，建立與真實實驗室同樣的虛擬操作實驗室，實驗室內(nèi)擺放著和真實實驗同樣的三維立體虛擬儀器設(shè)備，可以360°觀看。虛擬實驗過程中，根據(jù)右下角操作步驟進行虛擬操作。對于局部操作視角右上方會出現(xiàn)一個小窗口。這個小窗口起到局部放大的功能，幫助進行虛擬操作。每一個實驗操作步驟都有一定的分值，如果操作正確，給予分值，學生可繼續(xù)操作；如果操作錯誤，不給于分值，同時頁面給予正確操作提示，保證學生繼續(xù)操作，如圖3所示。

4 虛擬仿真實驗教學質(zhì)量管理

該實驗實行過程管理，并進行實驗教學改革，建立虛實結(jié)合的實驗教學模式。實驗預(yù)習為學生提供實驗前的預(yù)習準備。通過網(wǎng)絡(luò)平臺進行實驗預(yù)習，預(yù)習完成后進行網(wǎng)上預(yù)習測試，給定預(yù)習成績。預(yù)習成績達到要求后，網(wǎng)上虛擬實驗操作，操作完成后，根據(jù)操作步驟打分。通過網(wǎng)絡(luò)預(yù)約實際實驗時間，到實驗室進行真實實驗，實驗完成后由實驗教師給予實驗操作成績，錄入網(wǎng)絡(luò)管理平臺內(nèi)。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進行機械精度分析與判斷，提交實驗報告，教師給予批改，進行打分。最后根據(jù)實驗4大部分的成績進行綜合加權(quán)，獲得學生的最終實驗成績。學生可以根據(jù)互動系統(tǒng)進行實驗討論，實驗咨詢。教師可以通過互動系統(tǒng)進行實驗解答，強化實驗教學質(zhì)量，提高實驗教學效果。

圖3 齒輪精度檢測虛擬仿真實驗

5 結(jié) 語

齒輪精度檢測虛擬仿真實驗教學平臺的研發(fā)創(chuàng)建了虛實結(jié)合的實驗教學模式，有效地改善了學生實驗條件，提高實驗教學質(zhì)量，從根本上實現(xiàn)了實驗教學改革。該平臺為吉林大學國家級機械虛擬仿真實驗教學示范中心的一個虛擬仿真實驗項目，發(fā)布于機械虛擬仿真實驗教學平臺上，網(wǎng)址為：http://vmech.jlu.edu.cn。近2年該平臺與機械工程綜合實驗Ⅱ中的齒輪精度檢測實驗相結(jié)合，為機械類和近機類本科生開設(shè)虛實結(jié)合的實驗課程，學生還可以通過登錄平臺進行課前預(yù)習及課后復(fù)習，教學效果良好。同時基于網(wǎng)絡(luò)與校內(nèi)其它學生和其他高校師生進行資源共享，擴大受益面，起到了很好的示范輻射作用。