劉征宏 ，吳家福 ，姚固文 ，鐘麗瓊

（貴陽學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550005）

在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，以超星、慕課為代表的在線學(xué)習(xí)平臺迅速崛起，與互聯(lián)網(wǎng)高度結(jié)合的移動學(xué)習(xí)方式受到全國高校及學(xué)生的歡迎，教學(xué)的方式正在被重新定義。實驗教學(xué)作為課堂理論知識的補(bǔ)充與拓展，對人才的培養(yǎng)同樣起著至關(guān)重要的作用。如何跟上時代的腳步，在原有的教學(xué)基礎(chǔ)上設(shè)計適合線上教學(xué)的實驗教學(xué)體系是高校需要思考的問題。本文以機(jī)械基礎(chǔ)實驗教學(xué)為研究對象，基于新工科建設(shè)要求，融入工程教育專業(yè)認(rèn)證和OBE 理念，構(gòu)建了新的機(jī)械基礎(chǔ)實驗教學(xué)體系，設(shè)計了基于Web 的軟硬件結(jié)合、數(shù)字資源豐富的三維虛擬實驗平臺。本文的研究結(jié)果將進(jìn)一步完善機(jī)械基礎(chǔ)實驗教學(xué)體系，解決機(jī)械基礎(chǔ)實驗設(shè)備儀器資源短缺問題，為實驗類課程的線上教學(xué)提供一種新思路。

1 機(jī)械基礎(chǔ)實驗教學(xué)體系構(gòu)建

隨著工程教育專業(yè)認(rèn)證及新工科建設(shè)的不斷推進(jìn)，各高校對學(xué)生的綜合創(chuàng)新及實踐能力要求越來越高，有關(guān)實驗教學(xué)的研究備受關(guān)注。實驗教學(xué)在整個課程體系中有著重要的地位，學(xué)生的基礎(chǔ)理論、基本技能和創(chuàng)新設(shè)計能力等方面在課堂的有限時間里不能得到充分的培養(yǎng)，實驗教學(xué)作為課堂的拓展與補(bǔ)充，對上述學(xué)生能力的訓(xùn)練起到了積極作用，但現(xiàn)有的機(jī)械基礎(chǔ)實驗教學(xué)還存在諸多明顯的不足[1]。因此，為適應(yīng)新時代教育的發(fā)展，構(gòu)建能鞏固學(xué)生基礎(chǔ)、提升學(xué)生綜合創(chuàng)新實踐能力的實驗教學(xué)體系顯得尤為重要[2]。

1.1 傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足

目前，各高校都在積極地從實驗項目、教學(xué)方法、實驗設(shè)備、實驗場地等方面提高實驗教學(xué)質(zhì)量和成效。但多數(shù)實驗教學(xué)仍然存在以下主要問題：1）教學(xué)方式較為傳統(tǒng)、不夠新穎?，F(xiàn)有的教學(xué)方法為老師對實驗與案例進(jìn)行講解，隨后向同學(xué)們示范實驗，學(xué)生再按照老師的講解重復(fù)操作[3]。機(jī)械基礎(chǔ)實驗項目大多局限于基礎(chǔ)理論知識的驗證性實驗，缺乏實驗的構(gòu)思、設(shè)計、參與、交互等過程，學(xué)生的創(chuàng)造性思維無法得到充分培養(yǎng)。2）實驗內(nèi)容缺乏系統(tǒng)性。實驗項目主要是對一個知識點進(jìn)行單方面驗證的驗證性實驗，各知識點之間聯(lián)系不夠緊密，缺少系統(tǒng)性的聯(lián)結(jié)，學(xué)生理解到的理論知識較為零散，無法串聯(lián)起整個理論體系。3）實驗資源和場地受限。目前，很多高校尤其是地方院校實驗資源相對匱乏，主要體現(xiàn)在實驗設(shè)備臺套數(shù)不夠，學(xué)生需分組實驗，影響了教學(xué)效率；實驗設(shè)備老舊，很多設(shè)備跟不上學(xué)科發(fā)展，不能支撐學(xué)科知識更新，有些配置較低，操作反應(yīng)遲鈍。因此，亟需構(gòu)建系統(tǒng)的機(jī)械基礎(chǔ)實驗教學(xué)體系，借助數(shù)字化方法拓展實驗教學(xué)資源。

1.2 機(jī)械基礎(chǔ)實驗教學(xué)體系構(gòu)建

機(jī)械基礎(chǔ)實驗教學(xué)體系構(gòu)建，既要符合教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)、工程教育專業(yè)認(rèn)證要求，又需結(jié)合學(xué)校辦學(xué)定位及相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)方案，突出培養(yǎng)特色。構(gòu)建以引導(dǎo)認(rèn)知型實驗、基礎(chǔ)型實驗、綜合設(shè)計型實驗和研究創(chuàng)新型實驗四個層次為構(gòu)架的機(jī)械基礎(chǔ)實驗教學(xué)體系，以機(jī)械認(rèn)知、機(jī)械設(shè)計和機(jī)械研究為一條主線，鞏固學(xué)生基礎(chǔ)，培養(yǎng)工科人才的創(chuàng)新思維[4]。引導(dǎo)認(rèn)知型實驗主要包括機(jī)構(gòu)、機(jī)械結(jié)構(gòu)及零部件認(rèn)知、機(jī)構(gòu)認(rèn)知、機(jī)構(gòu)簡圖；基礎(chǔ)型實驗主要包括機(jī)構(gòu)簡圖測繪、動平衡實驗、滑動軸承壓力實驗；綜合設(shè)計型實驗主要包括計算機(jī)繪圖、速度波動調(diào)節(jié)、機(jī)械傳動設(shè)計與性能分析；研究創(chuàng)新型實驗主要為機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計[5]。

2 數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)平臺研究

數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)平臺需要將信息技術(shù)和教育交叉融合，充分利用虛擬仿真、計算機(jī)圖形、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等創(chuàng)新實驗教學(xué)方式，為培養(yǎng)新工科人才搭建符合“互聯(lián)網(wǎng)+”時代背景的實驗實踐平臺。因此，探索以計算機(jī)技術(shù)為代表的新興技術(shù)在實踐教學(xué)中的應(yīng)用，對于實驗教育手段的創(chuàng)新具有重要意義。

2.1 3D模型及動畫構(gòu)建

在實驗教學(xué)體系的框架下，通過3D 建模軟件、3D 掃描等建模技術(shù)構(gòu)建實驗設(shè)備及零部件的三維模型，如齒輪、軸、軸承、電機(jī)、帶輪、鏈輪、連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、刀具、夾具、減速器、變速器、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、機(jī)床等；構(gòu)建機(jī)構(gòu)運(yùn)動、機(jī)器運(yùn)動、加工過程仿真、車間虛擬仿真等3D 動畫，如連桿機(jī)構(gòu)演化、不同類型凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動、不同類型齒輪運(yùn)動、以減速器為代表的機(jī)器運(yùn)動、車銑刨磨鉆鏜锪切削加工過程、生產(chǎn)線模擬等。

通過建模將實驗所包含設(shè)備、相關(guān)零部件、場景等數(shù)字化；通過動畫設(shè)計構(gòu)建相關(guān)機(jī)構(gòu)及機(jī)器的運(yùn)動原理、相關(guān)產(chǎn)品的加工制造過程仿真、生產(chǎn)線及車間運(yùn)行等動畫。除了滿足“機(jī)械制圖”“機(jī)械原理”“機(jī)械設(shè)計”“機(jī)械制造技術(shù)”等課程實驗內(nèi)容，也為相關(guān)理論課程教學(xué)提供了多媒體資源。

2.2 基于VR的虛擬仿真交互實驗平臺構(gòu)建

多媒體技術(shù)、三維建模技術(shù)、仿真技術(shù)、動畫設(shè)計、虛擬現(xiàn)實等數(shù)字化技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于教學(xué)，并取得了很好的效果。虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality, VR）技術(shù)借助計算機(jī)等設(shè)備產(chǎn)生一個逼真的三維視覺、觸覺、嗅覺等多種感官體驗的擬真環(huán)境，具有沉浸式交互、多通道感知等特性[6]，主要應(yīng)用于VR 實驗室、VR 圖書館、VR 課堂等。隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，關(guān)于網(wǎng)絡(luò)化與VR 技術(shù)結(jié)合的研究也越來越受到高校的重視。

VR 虛擬實驗環(huán)境的搭建是改進(jìn)物理模型、板書或者幻燈片等授課形式的關(guān)鍵，逼真的、交互性好的虛擬系統(tǒng)可以大大激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的主動性和創(chuàng)造力。將所構(gòu)建的模型及動畫與虛擬仿真實驗室現(xiàn)有的環(huán)幕、3D 投影儀、3D 眼鏡等硬件設(shè)備相融合，通過交互過程開發(fā)，構(gòu)建了一個虛擬的、逼真的、可交互的軟硬件相結(jié)合的虛擬實驗平臺。虛擬實驗平臺的構(gòu)建如圖1 所示。虛擬實驗系統(tǒng)的涵蓋范圍可以隨技術(shù)的發(fā)展而逐步擴(kuò)大，內(nèi)容也會不斷更新迭代。機(jī)械行業(yè)的各種零件的模型、零件毛坯到成品的加工過程、零件的多種加工方式以及零件加工的原理和工作過程的動態(tài)模擬等均可以通過該系統(tǒng)進(jìn)行展示。

圖1 基于VR的虛擬實驗平臺構(gòu)建

2.3 網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗教學(xué)平臺研究

網(wǎng)絡(luò)實驗平臺的研究讓學(xué)生不必再被時間和空間限制，實驗預(yù)習(xí)、實驗作業(yè)等可通過移動學(xué)習(xí)的方式在其他地方完成，使實驗教學(xué)更加靈活，同時使交互操作和學(xué)習(xí)資料一體化。為了發(fā)布虛擬實驗網(wǎng)絡(luò)平臺，需借助UE4引擎技術(shù)，在UE4中使用C++編程或藍(lán)圖技術(shù)進(jìn)行交互設(shè)計。

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的UE4 虛幻引擎技術(shù)，采用C++腳本語言進(jìn)行交互過程開發(fā)[7]，融合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過業(yè)務(wù)流程及需求分析、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計、功能設(shè)計等步驟，設(shè)計了基于Web 的三維虛擬實驗平臺[8-9]。該平臺具有在線虛擬實驗、實驗教學(xué)管理及平臺管理維護(hù)等功能，使學(xué)生能夠擺脫時間和空間等因素的限制，實現(xiàn)對機(jī)械類不同層次實驗（如引導(dǎo)認(rèn)知型實驗、基礎(chǔ)型實驗、綜合設(shè)計型實驗等）的在線學(xué)習(xí)和動手操作。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗平臺功能模塊圖如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗平臺功能模塊圖

學(xué)生在教師的指導(dǎo)下選擇減速器拆裝實驗進(jìn)入實驗場景，以減速器拆裝實驗為例，該平臺具有如下主要功能：1）通過鼠標(biāo)操作實現(xiàn)瀏覽視角變換，通過滾輪操作實現(xiàn)縮放功能；2）使用鼠標(biāo)點擊場景中的按鈕，實現(xiàn)減速器整體及各部件、組件的組裝和拆卸演示；3）使用鼠標(biāo)拖拽、點擊零部件進(jìn)行交互組裝，并提示正確的操作順序，拆卸操作也類似；4）點擊相關(guān)按鈕，可測量相應(yīng)的軸徑、齒輪齒數(shù)、齒輪模數(shù)等參數(shù)。

網(wǎng)絡(luò)實驗平臺的功能實現(xiàn)：以虛擬實驗平臺的減速器拆裝實驗為例，對虛擬實驗的設(shè)計與實現(xiàn)進(jìn)行講解。該實驗分為構(gòu)建三維零部件模型、設(shè)計與實現(xiàn)模型交互功能、發(fā)布網(wǎng)絡(luò)三個步驟。

3 結(jié)語

機(jī)械基礎(chǔ)實驗教學(xué)體系的建設(shè)是一個持續(xù)更新的動態(tài)、系統(tǒng)建設(shè)過程[10]。本文基于實驗教學(xué)體系的構(gòu)建，在教學(xué)資源開發(fā)、數(shù)字化平臺構(gòu)建、虛擬實驗平臺設(shè)計等方面提出了新思路[11-12]，并做出了創(chuàng)新性的實踐，為開展線上與線下結(jié)合的教學(xué)活動打下了堅實的基礎(chǔ)，豐富了現(xiàn)有教學(xué)方法[13-14]。同時，也提供了一個數(shù)字化教學(xué)平臺，有效推進(jìn)和帶動了數(shù)字化實驗教學(xué)體系的構(gòu)建。