劉輝 徐榮

[摘 要]文章從機(jī)電一體化專業(yè)特點(diǎn)和學(xué)生學(xué)習(xí)需求出發(fā)，分析了虛擬實(shí)驗(yàn)開設(shè)的必要性，闡述了虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用優(yōu)勢與組成架構(gòu)，以機(jī)電一體化課程虛擬實(shí)驗(yàn)為例，介紹了虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)思路、實(shí)施過程、實(shí)驗(yàn)效果，針對(duì)存在的不足，提出虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)反思。

[關(guān)鍵詞]機(jī)電一體化;虛擬實(shí)驗(yàn);教學(xué)反思

[中圖分類號(hào)]G642.0;TP391.9[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1008-7656（2020）04-0018-04

引言

虛擬實(shí)驗(yàn)是建立在多媒體技術(shù)和軟件仿真技術(shù)相互融合的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)搭建的一種虛擬的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在這個(gè)平臺(tái)上，學(xué)習(xí)者可以通過互聯(lián)網(wǎng)在任意一臺(tái)計(jì)算機(jī)上訪問并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作[1]。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供可操作的虛擬實(shí)驗(yàn)器材，學(xué)習(xí)者可以通過接近真實(shí)的人機(jī)交互界面，選擇不同類型的虛擬器件，按照實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行儀器的連接與調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)使用虛擬儀器來完成實(shí)驗(yàn)操作[2]。

陳濤等學(xué)者認(rèn)為，虛擬實(shí)驗(yàn)有效解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性和成本高的問題[3]。張寧等學(xué)者提出，虛擬仿真代表了教育新的生產(chǎn)力[4]。虛擬實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)代科研和教育研究中已經(jīng)成為不可或缺的一部分，但是這些研究的主體主要是企業(yè)技術(shù)人員和高校教師，他們擁有相關(guān)的技術(shù)平臺(tái)、教研團(tuán)隊(duì)和較多的學(xué)習(xí)時(shí)間，而繼續(xù)教育在線平臺(tái)學(xué)習(xí)的機(jī)電一體化專業(yè)成人學(xué)生較難達(dá)到這樣的條件，探索適合他們學(xué)習(xí)虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)路徑變得十分迫切?；诖?，筆者通過自身的教學(xué)實(shí)踐和反思，探究適合成人學(xué)習(xí)的虛擬實(shí)驗(yàn)策略，希望能為電大系統(tǒng)開設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供參考。

一、虛擬實(shí)驗(yàn)開設(shè)必要性

（一）專業(yè)特點(diǎn)

機(jī)電一體化專業(yè)是安徽廣播電視大學(xué)（以下簡稱安徽電大）實(shí)施成人高等學(xué)歷繼續(xù)教育改革后開設(shè)的專業(yè)。據(jù)學(xué)校相關(guān)部門提供的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（2019年12月31日），該專業(yè)在校生已經(jīng)有2000余人，遍布全省各個(gè)地市，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了許多專業(yè)人才。隨著安徽經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，省政府已經(jīng)把先進(jìn)制造業(yè)作為核心產(chǎn)業(yè)來打造，把合肥作為舉辦全球制造業(yè)大會(huì)的城市?？焖侔l(fā)展的工業(yè)經(jīng)濟(jì)和專業(yè)人才的需求是相輔相成的，這也正是學(xué)校機(jī)電一體化專業(yè)發(fā)展的需求。

機(jī)電專業(yè)人才的培養(yǎng)除了需要理論知識(shí)的傳授外，同樣離不開實(shí)踐性教學(xué)。機(jī)電一體化專業(yè)中包含一些實(shí)踐性課程，如液壓與氣壓傳動(dòng)、數(shù)控編程、機(jī)電一體化系統(tǒng)等，這些課程的學(xué)習(xí)都需要大量的實(shí)踐操作來鞏固和理解[5]。對(duì)于電大的學(xué)生而言，普遍存在工學(xué)矛盾，為了更好地為他們提供學(xué)習(xí)支持服務(wù)，幫助他們掌握知識(shí)，開設(shè)課程虛擬實(shí)驗(yàn)是不可或缺的。

（二）學(xué)習(xí)需求

受到實(shí)訓(xùn)場地不足和實(shí)踐環(huán)節(jié)指導(dǎo)老師缺乏等因素的影響，安徽電大機(jī)電一體化專業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)的實(shí)施，一直以來通過與一些高校合作來進(jìn)行。隨著高校擴(kuò)招，合作高校較難再為開放教育的學(xué)生提供保質(zhì)保量的教學(xué)服務(wù)，很多開放教育課程實(shí)驗(yàn)和畢業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)難以開展，只有采用觀看網(wǎng)絡(luò)視頻的方式來完成。

機(jī)電專業(yè)的學(xué)生除了掌握機(jī)電一體化的基礎(chǔ)理論之外，還需要通過學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和綜合集成技術(shù)，把各項(xiàng)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來進(jìn)行簡單的機(jī)電一體化系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)，這就需要大量的實(shí)踐操作來鞏固理論的內(nèi)容，拓寬自己的視野，從而獲取更多的就業(yè)機(jī)會(huì)[6]。開設(shè)課程虛擬實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)上模擬操作，更有利于學(xué)生的職業(yè)發(fā)展需要。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用優(yōu)勢與組成架構(gòu)

（一）應(yīng)用優(yōu)勢

虛擬實(shí)驗(yàn)是通過計(jì)算機(jī)軟件仿真技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，通過把現(xiàn)實(shí)中的實(shí)驗(yàn)資源虛擬化和數(shù)字化，設(shè)置合適的參數(shù)，利用鼠標(biāo)和鍵盤操作實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建。通過虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)與實(shí)踐達(dá)到課程實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)的目標(biāo)。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，虛擬實(shí)驗(yàn)具有的優(yōu)勢如表1所示[7]。

（二）組成架構(gòu)

關(guān)于虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，安徽電大前期開展了調(diào)研和座談，不僅了解教師對(duì)課程實(shí)踐環(huán)節(jié)的需求，也搜集了學(xué)生在課程實(shí)踐方面的建議，在此基礎(chǔ)上引進(jìn)了基于云技術(shù)打造的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，該平臺(tái)運(yùn)用分布式和虛擬化技術(shù)，將實(shí)驗(yàn)資源和教學(xué)活動(dòng)通過互聯(lián)網(wǎng)來完成，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、操作軟件、數(shù)據(jù)庫、案例庫及其他資源有機(jī)的結(jié)合在一起[8]。圖1可以看出平臺(tái)將使用者分學(xué)生、教師、管理員三類：學(xué)生在對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作前進(jìn)行準(zhǔn)備知識(shí)的學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)過程中通過交流平臺(tái)與老師溝通和聯(lián)系，在完成實(shí)驗(yàn)后可以查看成績;老師需要在實(shí)驗(yàn)前對(duì)實(shí)驗(yàn)庫進(jìn)行篩選，列出實(shí)驗(yàn)的要求，指導(dǎo)學(xué)生按照步驟來完成實(shí)驗(yàn)，并及時(shí)回復(fù)學(xué)生在平臺(tái)的留言;管理員則需要對(duì)相應(yīng)的老師和學(xué)生的賬戶進(jìn)行設(shè)置，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源以及師生操作的數(shù)據(jù)和和管理系統(tǒng)存放在云存儲(chǔ)系統(tǒng)中。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有虛擬化共享的優(yōu)勢，保證了教學(xué)活動(dòng)在數(shù)據(jù)中心的正常運(yùn)行，增加了教學(xué)交流與互動(dòng)。

三、機(jī)電一體化系統(tǒng)課程虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

（一）設(shè)計(jì)思路

機(jī)電一體化系統(tǒng)是機(jī)電專業(yè)的核心課程，也是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。學(xué)生在理論學(xué)習(xí)過程中，掌握了機(jī)械、檢測、控制和編程等內(nèi)容，需要結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，提高自己進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)的實(shí)際能力。在安徽繼續(xù)教育在線平臺(tái)上，機(jī)電一體化系統(tǒng)課程共設(shè)有五個(gè)模塊，其中第五個(gè)模塊是虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K。以課程中工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線虛擬實(shí)驗(yàn)為例，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。首先，省校課程責(zé)任教師根據(jù)課程教學(xué)計(jì)劃對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行選擇并導(dǎo)入虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是在工業(yè)自動(dòng)化流水線上工業(yè)機(jī)器人對(duì)物品的識(shí)別和剔除。其次，對(duì)實(shí)驗(yàn)考核環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)定，學(xué)生的網(wǎng)上操作行為（形成性考核）占總成績的70%，最后提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告（終結(jié)性考核）占總成績的30%，最終的成績是兩者的合成。最后，與選擇機(jī)電一體化系統(tǒng)課程的分校老師進(jìn)行溝通，及時(shí)告知課程虛擬實(shí)驗(yàn)已經(jīng)上線，方便他們將信息通過班級(jí)QQ群、手機(jī)短信等方式通知到每位學(xué)生。

（二）實(shí)施過程

工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線虛擬實(shí)驗(yàn)是以三維形式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)展示、功能描述、工作原理動(dòng)畫展示、虛擬生產(chǎn)過程展示等，主要由檢測機(jī)器人、機(jī)械手臂和搬運(yùn)機(jī)器人三個(gè)部分組成。實(shí)驗(yàn)要求能夠按照檢測、抓取和搬運(yùn)的流程進(jìn)行操作，首先對(duì)貨物進(jìn)行檢測，把不合格的產(chǎn)品剔除，這一環(huán)節(jié)通過檢測機(jī)器人來完成;然后對(duì)合格的產(chǎn)品進(jìn)行輸送并搬運(yùn)到傳輸鏈上，這一環(huán)節(jié)通過機(jī)械手臂來完成;最后一個(gè)環(huán)節(jié)是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行打包，由搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)輸入庫。

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生通過鍵盤上的W、S、Q和E按鍵，對(duì)機(jī)器人底盤角度、大臂角度和小臂角度進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前進(jìn)、后退、左移和右移的控制。學(xué)生通過按住鼠標(biāo)左鍵進(jìn)行視角方位的調(diào)整，前后滾動(dòng)鼠標(biāo)滾輪實(shí)現(xiàn)視野的放大和縮小。實(shí)驗(yàn)最終達(dá)到剔除不合格的產(chǎn)品的目的，對(duì)合格產(chǎn)品打包并運(yùn)輸入庫。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作過程中如果遇到困難可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的方式給老師留言尋求解答，也可以通過平臺(tái)提供的幫助提示，點(diǎn)擊操作演示說明進(jìn)行反復(fù)查看，實(shí)現(xiàn)問題的解決。當(dāng)所有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容完成后，學(xué)生點(diǎn)擊提交實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)給予評(píng)判，得出自己的實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)。

（三）實(shí)驗(yàn)效果

選修機(jī)電一體化系統(tǒng)課程虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，2019年春季為103人，分布在省內(nèi)蕪湖市分校、安慶市分校、淮北市分校、銅陵金橋培訓(xùn)中心、蚌埠市分校、廣德縣直屬教學(xué)點(diǎn)、郎溪縣工作站、滁州市分校、宣州市分校、定遠(yuǎn)縣工作站、安徽廣播電視大學(xué)汽車學(xué)院、固鎮(zhèn)縣工作站等13個(gè)教學(xué)點(diǎn)。2019年春季前半個(gè)學(xué)期，學(xué)生的上線學(xué)習(xí)和考核情況不是很理想，4月份已經(jīng)登錄過平臺(tái)參與網(wǎng)上學(xué)習(xí)的人數(shù)占比15%，5月份已經(jīng)登錄過平臺(tái)參與網(wǎng)上學(xué)習(xí)的人數(shù)占比26%。經(jīng)過與分校和工作站負(fù)責(zé)人及課程輔導(dǎo)教師聯(lián)系，讓他們積極督促學(xué)生上線學(xué)習(xí)并完成課程虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的形成性考核和期末考核，6月上旬至學(xué)期末學(xué)生上線人數(shù)有大幅度提升。經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)，在13個(gè)分校總共103個(gè)學(xué)生的課程實(shí)踐環(huán)節(jié)即虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)與考核過程中，93個(gè)學(xué)生完成了形成性考核與期末考核，完成率達(dá)到90%，最終成績及格率為89%。

（四）存在的不足

機(jī)電一體化課程實(shí)踐環(huán)節(jié)由傳統(tǒng)模式改為虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ饺〉昧艘欢ǖ某尚?，但仍然存在一些不足。首先，由于?jì)算機(jī)仿真虛擬實(shí)驗(yàn)剛開始應(yīng)用，許多分校教學(xué)點(diǎn)對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程和考核形式還沒有完全適應(yīng)，不能較好地指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)和完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，下一步省校需要加大宣傳，進(jìn)行實(shí)地或是遠(yuǎn)程培訓(xùn)，讓他們認(rèn)識(shí)和了解虛擬實(shí)驗(yàn);其次，根據(jù)學(xué)生對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)在使用過程中產(chǎn)生的疑問，建議平臺(tái)設(shè)計(jì)方在虛擬實(shí)驗(yàn)幫助提示模塊添加視頻講解說明，這樣可以幫助學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和準(zhǔn)確把握實(shí)驗(yàn)過程的操作步驟;再次，在實(shí)驗(yàn)過程中師生互動(dòng)不夠，教學(xué)互動(dòng)區(qū)沒有學(xué)生提問，這可能是分校、工作站的輔導(dǎo)老師對(duì)學(xué)生的引導(dǎo)還不夠;最后，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不能按照教學(xué)點(diǎn)進(jìn)行學(xué)生學(xué)習(xí)情況的統(tǒng)計(jì)，只能夠顯示全部學(xué)生的成績，建議后期能進(jìn)行改進(jìn)，這樣可以更有針對(duì)性地督促學(xué)生登陸平臺(tái)完成學(xué)習(xí)與考核。

四、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)反思

（一）以學(xué)生為中心，合理選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

結(jié)合工業(yè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，充分調(diào)研學(xué)生學(xué)習(xí)需求，不能讓網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)流于形式，更不能讓學(xué)生學(xué)習(xí)只是為了應(yīng)付考試，而是出于對(duì)他們提供幫助、達(dá)到學(xué)以致用的目的。目前，機(jī)電一體化專業(yè)開設(shè)的課程虛擬實(shí)驗(yàn)基本涵蓋了本專業(yè)涉及的課程實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生參與度不錯(cuò)。下一步需要對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行更新和擴(kuò)充，選擇更多具有代表先進(jìn)制造技術(shù)、先進(jìn)控制技術(shù)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的內(nèi)容，來滿足學(xué)生工作和學(xué)習(xí)的需求。

（二）依托教學(xué)團(tuán)隊(duì)，提高教學(xué)質(zhì)量

電大的優(yōu)勢在于系統(tǒng)辦學(xué)，對(duì)于分布在全省各地市的學(xué)生來說，課程學(xué)習(xí)的需求會(huì)有很多，這就需要系統(tǒng)內(nèi)教師的集思廣益。虛擬實(shí)驗(yàn)是為學(xué)生提供課程實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)服務(wù)的，但是學(xué)生的學(xué)習(xí)背景各不相同，有的學(xué)生進(jìn)行課程虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不知道從哪里登陸平臺(tái)，或是登陸平臺(tái)后不知如何操作等一系列問題，這就需要分校老師及時(shí)給予幫助，讓他們熟悉虛擬實(shí)驗(yàn)的操作流程和學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，最終完成實(shí)驗(yàn)考核。另外，分校老師在助學(xué)的過程中，也能及時(shí)了解學(xué)生對(duì)課程虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容學(xué)習(xí)的建議以及平臺(tái)使用過程存在的問題，然后通過郵件或是電話的形式及時(shí)反饋給省校，這樣就方便省校責(zé)任教師匯集信息和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，為下一步做好教學(xué)支持服務(wù)進(jìn)行有效調(diào)整。

（三）將思政教育貫穿于教學(xué)全過程

省校課程責(zé)任教師在開展網(wǎng)上教學(xué)活動(dòng)時(shí)，要將思政教育貫穿于教學(xué)全過程，引導(dǎo)學(xué)生參加網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，熟練實(shí)驗(yàn)操作技能，將自身專業(yè)水平提升與國家發(fā)展相結(jié)合，樹立制造強(qiáng)國的遠(yuǎn)大理想和家國情懷。

虛擬實(shí)驗(yàn)作為課程實(shí)踐環(huán)節(jié)的一部分，不僅提高了課程的整體教學(xué)效果，也鍛煉了學(xué)生們的動(dòng)手能力，更是激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)熱情。為了更好地發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)的作用，下一步需要不斷豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，把更有趣、生動(dòng)、有代表性的實(shí)驗(yàn)講授給學(xué)生。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張智煥.張惠娣.機(jī)械工程控制的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014（7）.

[2]肖茂華，路琴，康敏，等.農(nóng)業(yè)院校機(jī)械工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2018（4）.

[3]陳濤，范林坤.汽車運(yùn)輸安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2020（3）.

[4]張寧，趙毅強(qiáng)，蘭馗博，等.“新工科”背景下關(guān)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的幾點(diǎn)思考和建議[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2020（3）.

[5]祖強(qiáng)，魏永軍，熊宏齊.江蘇省高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺(tái)建設(shè)與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2019（36）.

[6]蘇永紅.網(wǎng)絡(luò)教育中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械學(xué)科的應(yīng)用[J].山西廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào)，2016（6）.

[7]岳大靈，魏列江，劉增光，等.液壓系統(tǒng)電氣控制虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)[J].中國教育技術(shù)裝備，2016（20）.

[8]關(guān)松磊.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].長春教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2018（11）.

[作者簡介]劉輝（1982-），男，安徽壽縣人，安徽廣播電視大學(xué)講師，碩士，研究方向：現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育及計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn);徐榮（1984-），女，安徽宿松人，安徽廣播電視大學(xué)副教授，碩士，研究方向：現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育及傳感檢測技術(shù)。

[責(zé)任編輯 何一輝]