[摘 要] “機械設計基礎”是高等院校非機械類專業(yè)以及機電類專業(yè)開設的一門非常重要的技術基礎課。實驗是機械設計基礎實踐教學的一個重要組成部分。提高實踐教學質(zhì)量，有利于幫助學生深入理解理論知識。通過對虛擬實驗平臺應用于“機械設計基礎”的實踐環(huán)節(jié)，獲得很好的教學效果。

[關鍵詞] 虛擬實驗平臺;機械設計基礎;實踐環(huán)節(jié)

[基金項目] 本文系2016年國家自然科學基金青年項目“固體氧化物燃料電池連接體合金/涂層界面的電致擴散機理研究”（51601173）資助

[作者簡介] 張文穎（1986—），女，湖北武漢人，工學博士，中國地質(zhì)大學（武漢）機械與電子信息學院副教授，碩士生導師，主要從事固體? ? ? 氧化物燃料電池研究。

[中圖分類號] G642.0 ? ?[文獻標識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2020）34-0145-02 ? ? [收稿日期]2019-09-20

一、“機械設計基礎”實踐環(huán)節(jié)的現(xiàn)狀

“機械設計基礎”是高等院校非機械類專業(yè)以及機電類專業(yè)的基礎課程。該課程具有內(nèi)容多、概念多、符號多、公式多的特點，而近機類和非機類專業(yè)的學生接觸機械相關課程比較少，缺乏認知，因此學生理解起來非常困難。

實驗是機械設計基礎實踐教學的一個重要組成部分，是學生理論知識與實踐的一個有機結(jié)合。通過實踐教學，學生能夠充分發(fā)揮其主體的作用，進一步深刻理解復雜理論知識，提升課堂教學質(zhì)量。

但傳統(tǒng)的實驗受制于實驗室場地的大小、設備多少，在很大程度上影響到教師講授和學生學習的質(zhì)量。因此，結(jié)合“機械設計基礎”課程的實驗需要，虛擬實驗平臺對于突破傳統(tǒng)實驗室在時間空間的限制是很有必要的[1，2]。再者，老師進行實物教學之前，學生通過虛擬實驗平臺進行模擬實驗有利于理解相關的知識點和操作步驟，以期獲得更好的教學效果。

二、“機械設計基礎”的虛擬實驗平臺

虛擬實驗平臺首先必須滿足實驗教學的需要，這有利于學生借助虛擬實驗對象更快速有效地學習實驗原理、掌握試驗方法以及熟悉實驗技能，從而提高實驗教學效率和學生的創(chuàng)新實踐能力[3]。其次可以作為課堂實驗教學的延伸。課堂的實驗教學受限于時間和地點等客觀條件，而虛擬環(huán)境的使用能夠讓學生不受時間和地點的限制隨時隨地在網(wǎng)頁或者移動端實現(xiàn)對平臺內(nèi)各虛擬實驗室中的設備及對象進行操作，以達到課堂實驗教學的效果。最后，虛擬實驗可以解決實驗設備損壞未及時修復、臺數(shù)不足的問題，并一定程度上節(jié)約了實驗成本。

虛擬平臺的設計包括虛擬實驗室登錄界面和實驗系統(tǒng)界面。實驗登錄界面一方面用于防止非授權(quán)用戶進入，另一方面便于教師查看學生實驗數(shù)據(jù)。實驗系統(tǒng)界面主要包括實驗選擇、實驗教學管理和幫助。實驗選擇按照機械設計基礎實驗主要包括典型機構(gòu)認知實驗、機構(gòu)運動簡圖測繪實驗、典型機械零件認知實驗、軸系零件的搭接實驗以及減速器拆裝實驗等。虛擬實驗的實現(xiàn)：借助3D模型。針對機械設計基礎中若干個具有代表性的機構(gòu)或機器模型，運用軟件的三維建模功能使得機構(gòu)或機器模型能夠在計算機中虛擬實驗平臺中展示。以減速器的拆裝實驗為例，其中需要包含減速器的功能說明、工作原理以及實際應用介紹;減速器的各零部件展示以及文字提示，如名稱、功能以及設計原則;借助交互性以實現(xiàn)減速器裝配和拆卸的實驗過程，如安裝邏輯順序、糾錯提示等。最后還要包含實驗方法的說明或者幫助、實驗報告填寫以及生成，以及線下實驗預約和實驗安排等功能。實驗教學管理一方面提供教師進行實驗報告評閱、成績評價、在線反饋和答疑以及總結(jié)的功能，另一方面管理員具有對新教師和新學生的注冊，以及新實驗模塊的審批的授權(quán)功能。

虛擬實驗平臺的實現(xiàn)利用Solid works和3D Max進行高仿真建模，隨后將模型導入Unity 3D中利用Unity 3D進行場景搭建和動畫仿真。接著通過Unity 3D自帶的語言編輯系統(tǒng)，建立人機交互界面，實現(xiàn)實驗操作和操作介紹等功能。最后優(yōu)化程序以及人機交互界面，投放至電腦端或者移動端即可在實現(xiàn)對減速虛擬實驗的相應實驗操作。虛擬實驗具有很大的靈活性，不需要依賴于實驗硬件，可以隨時隨地進行實驗，這節(jié)省了人力、物力，極大提高了實驗的效果[4]。

三、虛擬實驗平臺在實踐教學環(huán)節(jié)中的作用

（一）改善實踐教學手段

受到各種條件的限制，往往面臨實驗設備匱乏的問題，這就導致很多機械設計的實驗無法在實驗室內(nèi)進行，而理論教學又太過于抽象枯燥，這時就需要運用虛擬實驗技術。在計算機上建立一個虛擬的實驗平臺，學生可以隨時在計算機上模擬各種實驗。虛擬實驗操作簡潔明快，豐富的人機交互以及動畫演示可以激發(fā)學生的學習熱情。

以機構(gòu)運動簡圖測繪實驗為例：通過鼠標點擊相應按鈕可實現(xiàn)各種機構(gòu)的運動;通過鼠標拖拽可以實現(xiàn)機構(gòu)的視角的變換和放大與縮小;通過鼠標點擊測量按鈕可以實現(xiàn)構(gòu)件運動尺寸的測量;通過畫板功能按照運動副的位置和一定的比例繪制機構(gòu)運動簡圖，最后進行機構(gòu)自由度的計算和報告輸出。實驗者能夠在所設計的虛擬實驗平臺中進行機構(gòu)運動的觀察、構(gòu)件運動尺寸的測量、機構(gòu)運動簡圖繪制、機構(gòu)自由度計算和報告輸出等功能。

虛擬實驗平臺不僅可以完美展示機構(gòu)的運動，還可以實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的測量和簡圖的繪制，并且系統(tǒng)具有報錯提示的功能，學生可以根據(jù)相關提示信息不斷反復的深入理解相關知識點，直到順利地完成實驗。

（二）創(chuàng)新實踐教學模式

傳統(tǒng)的實驗教學環(huán)節(jié)，學生往往在老師的指導下按部就班地完成實驗，完全處于被動狀態(tài)，這種教學模式根本無法激發(fā)學生主動參與實驗過程的積極性，并且不能將所學的機械設計基礎理論知識點與機械設計基礎實驗項目有效結(jié)合起來。在整個實驗教學中，教學模式不具備創(chuàng)新性，學生更是沒有機會開展自主探究式學習，這樣的教學模式對培養(yǎng)學生的綜合創(chuàng)新設計能力并沒有實質(zhì)性的幫助。而完全依靠虛擬實驗平臺教學的方式，又難免讓學生缺少激勵和鞭策而自我懈怠。

因此，采用實物實驗和虛擬實驗相結(jié)合的教學模式進行實踐教學將極大地提高教學的有效性。虛擬實驗安排在實物實驗的之前，有利于學生進行模擬實驗開展有效的預習，從而保證實物教學的高效性;實物實驗后再一次進行虛擬實驗，則有利于課下學生以加深理解和鞏固所學的知識點。

四、虛擬實驗平臺在實踐教學環(huán)節(jié)的意義

虛擬實驗平臺改變傳統(tǒng)的實驗教學手段，對教師改進教學方法、優(yōu)化教學內(nèi)容、提升課堂的有效性具有重要意義;虛擬實驗平臺彌補實驗硬件和軟件的不足，優(yōu)化了教學資源的配置，實現(xiàn)了教學資源的共享;虛擬實驗平臺豐富了教學資源。為學生提供更加形象生動直觀的學習環(huán)境，激發(fā)了學生的學習積極性，培養(yǎng)了學生自主學習的習慣;虛擬實驗平臺有利于學生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

五、結(jié)語

虛擬實驗平臺對機械類、近機械類和非機械類本科生的實踐教學具有很大的應用價值。不僅有利于教師和學生更加靈活的安排實驗時間，還有助于學生利用該虛擬平臺進行相關知識點的預習，減少教學時間成本，提高學生的學習效率，并且通過與軟件預先設定的功能進行必要的人機互動，進一步起到深刻理解知識點的作用。

參考文獻

[1]常金光，顧若陽，孟麗麗，郭帥，李鵬.基于Unity 3D的機械設計基礎虛擬實驗平臺設計[J].機械工程師，2017（2）：95-97.

[2]郭帥，孟麗麗，常金光，顧若陽，李鵬，任方超.基于web的虛擬實驗平臺的設計[J].黑龍江科技信息，2016（28）：105-106.

[3]梁俊斌，蔣嬋.利用虛擬實驗培養(yǎng)獨立學院學生創(chuàng)新思維的研究[J].廣西教育，2011（4）：27-28.

[4]徐春明，周艷，孫瑛，蔣國璋，李公法.機械設計實驗教學創(chuàng)新實踐[J].大學教育，2018（12）：49-51.