譚雅莉 鄒敏清 胡兆勇 楊繼贏

[摘 要]機(jī)械制圖課程和機(jī)械設(shè)計課程是機(jī)械類各專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程。實驗教學(xué)部的虛擬仿真實驗教學(xué)中心以機(jī)械制圖課程、機(jī)械設(shè)計課程為指向，進(jìn)行虛實結(jié)合的實驗教學(xué)改革探索和實踐，整合教學(xué)資源，建立了層次化、模塊化的實驗課程體系。融合線上線下教學(xué)環(huán)境，優(yōu)化教學(xué)過程和評價體系，為培養(yǎng)厚基礎(chǔ)、寬視野、強(qiáng)能力的機(jī)械類創(chuàng)新人才，開拓了一條新的途徑。

[關(guān)鍵詞]機(jī)電類課程;虛擬仿真實驗;教學(xué)改革

[作者簡介]譚雅莉（1979—），女，廣東廣州人，碩士，廣東工業(yè)大學(xué)實驗教學(xué)部講師，主要從事虛擬仿真實驗教學(xué)、實驗室管理研究;鄒敏清（1981—），男，廣東廣州人，碩士，廣東工業(yè)大學(xué)實驗教學(xué)部副主任，高級工程師，主要從事實驗室建設(shè)、實驗室管理研究。

[中圖分類號] G642.0[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）28-0235-03[收稿日期] 2020-03-16

一、引言

在機(jī)械類專業(yè)中，機(jī)械制圖類課程一直是一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科，主要是培養(yǎng)學(xué)生的空間圖形思維能力，使學(xué)生掌握識圖、繪圖，具備圖形表達(dá)能力。而機(jī)械設(shè)計課程的任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計部件、零件和機(jī)械系統(tǒng)能力，以及具有機(jī)械工程科學(xué)知識的應(yīng)用能力。其中機(jī)械制圖課是機(jī)械設(shè)計課的先行課。目前機(jī)械制圖和機(jī)械設(shè)計課程是機(jī)械專業(yè)的重要課程，目的是培養(yǎng)機(jī)械工程科學(xué)知識和應(yīng)用能力。隨著機(jī)械生產(chǎn)的數(shù)字化發(fā)展，圖形表達(dá)從二維平面向三維圖形轉(zhuǎn)變，需要處理的圖形信息會大量增加。智能制造、虛擬仿真技術(shù)日漸興起，也需要學(xué)生掌握運(yùn)用各種技術(shù)、技能和現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)計工具。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)手段單一，教學(xué)資料有限，學(xué)生的理解比較有局限，在解決實際工程問題時能力不足。另一方面，隨著新一輪技術(shù)革命的興起，教育手段和教學(xué)模式也在不斷的改革和進(jìn)步。2019年初，國務(wù)院印發(fā)《中國教育現(xiàn)代化2035》指出：“利用現(xiàn)代技術(shù)加快推動人才培養(yǎng)模式改革，實現(xiàn)規(guī)?；逃c個性化培養(yǎng)的有機(jī)結(jié)合?！盵1]在這種背景下，我校順應(yīng)教學(xué)改革發(fā)展的趨勢，以機(jī)械專業(yè)的制圖課和機(jī)械設(shè)計課的實驗教學(xué)為指向，探索虛擬仿真技術(shù)在實驗教學(xué)中的結(jié)合和應(yīng)用。

實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生動手能力、創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。為了實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)，我校建立了現(xiàn)代制造與智能裝備虛擬仿真實驗教學(xué)中心，面向機(jī)械設(shè)計制造及其自動化、機(jī)械電子工程、測控技術(shù)與儀器、材料成型及控制工程、金屬材料工程5個專業(yè)開設(shè)機(jī)械制圖課程的虛擬仿真實驗教學(xué)。

實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生動手能力、創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。經(jīng)過這幾年的建設(shè)，逐步完善了以學(xué)生為本的實驗環(huán)境，建設(shè)了五通道的虛擬仿真CAVE環(huán)境，配備了Xspace一體機(jī)，搭建了在線的現(xiàn)代制造與智能裝備虛擬仿真實驗教學(xué)中心教學(xué)平臺，建設(shè)和開發(fā)了建設(shè)了虛擬數(shù)字博物館，部署了線上的現(xiàn)代制造與智能裝備虛擬仿真實驗教學(xué)中心教學(xué)平臺。在軟硬件不斷完善的基礎(chǔ)上，本著實驗課與理論課相結(jié)合的原則，虛實互補(bǔ)、能實不虛的原則，筆者對在傳統(tǒng)實驗中結(jié)合虛擬仿真實驗的教學(xué)模式進(jìn)行了研究，探索了新的應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)途徑。

二、教學(xué)體系設(shè)計思路

在機(jī)械制圖課的教學(xué)中，實驗中心充分發(fā)揮了虛擬仿真和信息技術(shù)的優(yōu)勢，建設(shè)和整合了虛擬仿真實驗教學(xué)的軟硬件資源，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)創(chuàng)建了“一二三四五”的智慧教學(xué)體系：一個中心—即以學(xué)生為中心;兩個結(jié)合—線上線下兩種空間結(jié)合;三個層次教學(xué)—基礎(chǔ)性實驗，綜合性、設(shè)計性實驗，研究性實驗三個層次教學(xué)體系;四位一體教學(xué)策略—“做—學(xué)—教—研”四位一體的教學(xué)策略實施;五通道虛擬環(huán)境—建設(shè)了五通道的CAVE虛擬仿真案例的運(yùn)行環(huán)境，并配備了多種虛擬仿真的基礎(chǔ)設(shè)備[2-3]。其教學(xué)體系如圖1所示。

傳統(tǒng)的機(jī)械制圖課程和機(jī)械設(shè)計課程，大多是課程老師先上常規(guī)的理論課，同步安排對應(yīng)章節(jié)的實驗課，學(xué)生在實驗課上按部就班地進(jìn)行繪圖實驗操作，仍然是教師為主導(dǎo)的教學(xué)模式。學(xué)生在這過程中缺乏主動思考和探索，不利于對制圖學(xué)空間思維的培養(yǎng)，不利于創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)。

虛擬仿真技術(shù)具有機(jī)械部件內(nèi)部透視、拆解、機(jī)械運(yùn)行原理可再現(xiàn)等優(yōu)勢。在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的指導(dǎo)下，運(yùn)用虛擬仿真實驗技術(shù)，建設(shè)和整合教學(xué)資源，構(gòu)建虛擬仿真學(xué)習(xí)情境，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為本[4-5]。該教學(xué)體系中，學(xué)生能發(fā)揮自主能動性，帶著問題去學(xué)習(xí)、實驗，在解決問題的過程中，形成發(fā)展型的思維模式，為培養(yǎng)具有較強(qiáng)動手能力的創(chuàng)新型人才提供了新的途徑[6]。

三、實施過程

（一）線上線下“一體兩翼”式教學(xué)模式

在教學(xué)資源建成后，實驗中心的虛擬仿真實驗室和線上的虛擬實驗平臺提供了“一體兩翼”的學(xué)習(xí)環(huán)境。“一體”是指以學(xué)生為主體，“兩翼”是指線上線下兩個學(xué)習(xí)空間，它們相互協(xié)同，促使學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)[7]。

線上虛擬仿真實驗平臺為學(xué)生探究式預(yù)習(xí)提供了有力支撐。該平臺共有9個在線虛擬仿真項目，為基礎(chǔ)型實驗項目。學(xué)生可以在線自主學(xué)習(xí)，在時間和空間上突破了傳統(tǒng)課堂教學(xué)的限制。區(qū)別于以往的虛擬仿真案例只能定性瀏覽，以及在線平臺教學(xué)管理不足的缺陷。該實驗平臺的虛擬仿真項目具有定量分析、生成結(jié)果、形成報告文檔、在線指導(dǎo)、教師評價等教學(xué)管理環(huán)節(jié)。在線平臺的虛擬實驗?zāi)軌蜃寣W(xué)生實現(xiàn)有效預(yù)習(xí)[8]，繼而在實驗過程中展開思考，培養(yǎng)科學(xué)思維。目前平臺的學(xué)生用戶覆蓋了學(xué)校工程類學(xué)生的十多個專業(yè)。雙向互動和實驗評價，讓教師準(zhǔn)確地把握學(xué)生的情況，在面授課上給予指導(dǎo)。接著在線下的課堂上，教師根據(jù)在線實驗預(yù)習(xí)反饋的情況，包括提交的仿真數(shù)據(jù)、初步報告，了解學(xué)生對知識的掌握程度和存在的問題，從而適當(dāng)調(diào)整教學(xué)，提高教學(xué)效率。

在虛擬仿真實驗室，中心硬件方面采用了DVS3D協(xié)同工作平臺和五通道的CAVE沉浸式虛擬現(xiàn)實環(huán)境。教學(xué)資源建設(shè)方面，與公司合作建設(shè)以及自行開發(fā)的教學(xué)資源庫，包括數(shù)字博物館、機(jī)器人博物館、機(jī)械制圖虛擬教學(xué)資源、智能制造單元虛擬教學(xué)資源、汽車模型庫、建筑模型庫等幾個大類，讓課程內(nèi)容跟上現(xiàn)代工業(yè)智能制造技術(shù)的步伐。學(xué)生使用交互設(shè)備，三維眼鏡、手柄、位置跟蹤器等，對組合體、零部件、機(jī)械組件等進(jìn)行拆裝操作，完成不同任務(wù)下的探究學(xué)習(xí)。

在“一體兩翼”的教學(xué)模式下，由于充分發(fā)揮學(xué)生的自主性，學(xué)生從被動接受知識和按部就班的做實驗，變成主動探究實驗過程、分析實驗現(xiàn)象、了解實驗原理，培養(yǎng)成長型的思維模式，為開展提高型、創(chuàng)新型實驗打下良好的基礎(chǔ)。

（二）構(gòu)建層次型的虛擬仿真實驗教學(xué)體系

根據(jù)學(xué)校人才培養(yǎng)定位要求，且契合新工科建設(shè)要求，凝練滿足機(jī)電類實驗課程教學(xué)目標(biāo)，建立可持續(xù)改進(jìn)的質(zhì)量保障機(jī)制，構(gòu)建了“重基礎(chǔ)、強(qiáng)能力、促拔尖”的層次型實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)體系。在培養(yǎng)體系中，制圖學(xué)、機(jī)械設(shè)計、汽車設(shè)計、大創(chuàng)項目、機(jī)器人競賽等是從簡單到復(fù)雜、循序漸進(jìn)的過程。設(shè)置層次型的機(jī)械工程類虛擬仿真實驗課模塊，是培養(yǎng)學(xué)生從常用機(jī)構(gòu)、通用零件設(shè)計原理和方法，到綜合設(shè)計、創(chuàng)新設(shè)計、工程實踐的一個教學(xué)體系。各層次的具體實驗教學(xué)設(shè)置如圖2所示。

“重基礎(chǔ)、強(qiáng)能力”層次是覆蓋大一、大二學(xué)生教學(xué)。在機(jī)械制圖虛擬教學(xué)資源、機(jī)械原理虛擬教學(xué)資源、智能制造單元虛擬教學(xué)資源庫中，建設(shè)了基本體、組合體、零件的完整模型、以及按要求指定的剖切模型。學(xué)生在虛擬仿真實驗中，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三維展示，以及仿真交互操作，更好的理解形體、零件、部件的結(jié)構(gòu)。例如在制圖繪制中，顯示基本體三視圖中線的投影對應(yīng)關(guān)系，以及改變基本體的方位，對應(yīng)顯示基本體所處方位的三視圖。在機(jī)構(gòu)表達(dá)學(xué)習(xí)中，學(xué)生可以操作，機(jī)件三維模型被動態(tài)剖切，形成剖視圖，三維模型可按使用者的操作旋轉(zhuǎn)、平移、縮放，以便查看結(jié)構(gòu)。零件的表達(dá)，包括分析零件圖中尺寸公差標(biāo)注、表面粗糙度標(biāo)注和形位公差標(biāo)注的問題。

“強(qiáng)能力”的提高型、綜合型實驗，包括機(jī)器人認(rèn)知和拆裝，以兩種六軸機(jī)器人為原型，完成結(jié)構(gòu)建模、運(yùn)動仿真和虛擬拆裝實驗。發(fā)動機(jī)的虛擬拆裝，可以通過結(jié)構(gòu)拆裝，了解汽車發(fā)動機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這類拆裝實驗需拆裝到內(nèi)部結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)部件，具有邏輯判斷功能。

而“促拔尖”的創(chuàng)新能力訓(xùn)練層則主要針對部分學(xué)業(yè)優(yōu)秀的學(xué)生，以創(chuàng)新性實驗、實踐能力提高班、大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目和學(xué)科競賽為主。在虛擬仿真教學(xué)資源的支撐下，在層次型的教學(xué)體系中，無論是進(jìn)行虛擬仿真實驗夯實學(xué)科知識，還是使用虛擬仿真軟件進(jìn)行研究性、創(chuàng)新性實驗，都能靈活運(yùn)用自主學(xué)習(xí)模式、PBL教學(xué)模式、團(tuán)隊協(xié)作模式等進(jìn)行教學(xué)，發(fā)揮學(xué)生的能動性，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[9]。

在高層次的實驗教學(xué)中，通過科研項目，學(xué)生進(jìn)行虛擬仿真資源的設(shè)計制作。例如通過大創(chuàng)項目，學(xué)生運(yùn)用Unity3D、Soliworks等軟件開發(fā)了三相交流電的虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)，進(jìn)行建模渲染、編程、約束設(shè)計等。在學(xué)校每年主辦省級的實驗技能大賽中，機(jī)械制圖競賽面向機(jī)電類、材料類、多媒體類等專業(yè)的學(xué)生，通過競賽活動激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，涌現(xiàn)出一批拔尖的學(xué)生。另外，近三年，實驗教學(xué)部培養(yǎng)的學(xué)生多人次獲得國家級、省級的機(jī)械設(shè)計學(xué)科競賽獎項。

（三）教學(xué)評價

虛擬仿真實驗教學(xué)不能脫離真實實驗，應(yīng)該做到虛實結(jié)合，互相協(xié)同。因此，虛擬仿真實驗教學(xué)評價也應(yīng)該做到客觀、科學(xué)，能對教學(xué)進(jìn)行有效地管理。在教學(xué)評價時采用過程評價模式，重點(diǎn)放在實驗過程，而非最后的結(jié)果和數(shù)據(jù)。每個項目在實驗過程中設(shè)置一到兩個檢查點(diǎn)，進(jìn)行教學(xué)評價。在虛擬仿真實驗中也不例外。例如在傳統(tǒng)的機(jī)械制圖實驗課程中，有時多個學(xué)生同時舉手讓老師查看過程，效率較低。在互聯(lián)網(wǎng)的虛擬仿真實驗平臺上，提供了多種形式的實驗過程記錄文件，可以現(xiàn)象截圖、記錄數(shù)據(jù)，生成數(shù)據(jù)圖等，這些形式的文檔和數(shù)據(jù)有力支撐了教學(xué)的評價體系，使教師的評價有據(jù)可依，并做出有效的教學(xué)反饋和教學(xué)管理。

在研究型、創(chuàng)新型實驗中，給予選修的學(xué)分，采用多種形式的考核方式，例如提交項目成果、撰寫實踐報告、發(fā)表論文、申請專利等。根據(jù)平時表現(xiàn)、成果、報告、答辯等，給予優(yōu)秀、良好、合格、不合格四種等級的評價。不合格者不獲得對應(yīng)的學(xué)分[10]。

四、實施過程的反思和建議

在實驗教學(xué)的過程中，要明確虛擬仿真的目的是為了促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)規(guī)律的理解，在機(jī)械類課程中即對現(xiàn)實中無法大規(guī)模拆裝的機(jī)械結(jié)構(gòu)的內(nèi)部特征進(jìn)行仿真實驗，由虛擬仿真實驗推動機(jī)械原理教學(xué)的漸進(jìn)發(fā)展。因此，教師在教學(xué)設(shè)計時，要充分考慮虛擬仿真內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)之間的關(guān)系，逐步推進(jìn)實驗內(nèi)容和實驗任務(wù)的深入。

五、結(jié)語

虛擬仿真實驗是信息化教學(xué)更高級的一種形式，它不是孤立存在的，而是一種綜合了各種教育技術(shù)的教學(xué)模式。在探索和實踐虛擬仿真實驗教學(xué)的過程中，教師和學(xué)生應(yīng)該著重利用現(xiàn)代教育技術(shù)高效率和更符合學(xué)習(xí)需求的特點(diǎn)，發(fā)揮新技術(shù)的優(yōu)勢，協(xié)調(diào)各種教學(xué)資源，讓它更順暢地融入教學(xué)環(huán)節(jié)中。

參考文獻(xiàn)

[1]中共中央、國務(wù)院.中共中央、國務(wù)院印發(fā)《中國教育現(xiàn)代化2035》[DB/OL].http：//www.gov.cn/xinwen/2019-02/23/content_ 5367987.htm.2019-02-23.

[2]蒙艷玫，唐治宏，董振，等.機(jī)械工程虛擬仿真實驗教學(xué)體系的研究與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2016，33（5），109-112.

[3]戴亞虹，李宏，鄔楊波，等.新工科背景下“學(xué)踐研創(chuàng)”四位一體實踐教學(xué)體系改革[J].實驗技術(shù)與管理，2017，34（12）：189-195+225.

[4]吳暐.基于構(gòu)建主義的“模具特種加工”教學(xué)模式研究[J].課程教育研究，2019，8（1），251-252.

[5]丁銳，金軒竹，Ron Tzur.建構(gòu)主義教學(xué)實驗研究：演進(jìn)性學(xué)習(xí)進(jìn)階的構(gòu)建取向[J].教育科學(xué)研究，2019，29（7），54-60.

[6]王力，趙建平，費(fèi)葉琦.基于工程應(yīng)用意識培養(yǎng)的工程圖形學(xué)課程教學(xué)體系改革研究[J].大學(xué)教育，2019，（08）：59-61+96.

[7]劉清濤，張新榮，賀朝霞.工程機(jī)械開放式虛擬仿真實驗教學(xué)管理平臺建設(shè)[J].實驗技術(shù)與管理，2018，35（7）：148-151.

[8]王守信，郭萍.高等學(xué)校實驗教學(xué)分層次培養(yǎng)模式探討[J].實驗技術(shù)與管理，2012，29（1），23-25.

[9]吳涓，孫岳民，雷威，等.東南大學(xué)機(jī)電綜合虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)規(guī)劃思路與進(jìn)展[J].實驗技術(shù)與管理，2014，31（10）， 5-9.

[10]劉銀萍，杜宇上，陳安，等.電子設(shè)計創(chuàng)新實踐能力提高班人才培養(yǎng)模式的探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2018，40（6），19-22.

Research and Practice on Teaching Model of Electromechanical Virtual Simulation Experiment

TAN Ya-li， ZOU Min-qing， HU Zhao-yong， YANG Ji-ying

（Department of Experiment Teaching， Guangdong University of Technology，

Guangzhou， Guangdong 510006， China）

Abstract： Mechanical Drawing course and Mechanical Design course are important basic courses for electromechanical majors. The virtual simulation experiment teaching center of the experimental teaching department has carried out the teaching reform and practice of combining virtual with real in mechanical and electrical experiment courses. Under the guidance of constructivism theory， it integrates teaching resources， optimizes teaching process and evaluation system， and opens up a new way for cultivating innovative talents with a solid foundation， wide vision and strong ability.

Key words： electromechanical courses; virtual simulation experiment; teaching reform