“机械设计”课程的真实实验与虚拟实验对比分析

王顺 王丽慧

摘 要：自虚拟实验（Virtual Experiment）在大学工科 “机械设计”课程实验教学中使用以来，遇到了诸多问题与争议。文章结合机械设计内容分析了真实实验（Physical Experiment）和虚拟实验各自的特点。分析表明，在保持真实实验在机械设计实验教学基础地位不变的前提下，虚拟实验是真实实验的必要补充和扩展，能够促进教学模式向“以学生为中心”转变，是机械设计实验教学适应科技进步与教学模式转变的重要手段。结合“机械设计”课程内容，针对两类实验在实验教学中的运用提出建议。

关键词：机械设计；实验教学；真实实验；虚拟实验

中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2018）06-0026-03

工科大学机械类“机械设计”课程的教学基本目标是，通过对材料、信息及能量的运用与控制，使学生具备设计能够有效工作且可靠的通用机械零部件的知识和能力[1]，并掌握典型机械零部件实验方法。这要求学生不仅掌握理论知识，还要有一定的动手实验能力，并最终着眼于工程实际设计与实验能力的培养，也是合格工程师必备的基本条件之一。传统的工科教育，学生获取理论知识主要通过课堂学习，实践知识和实际能力的培养主要通过实验环节完成，这里的实验指的是真实实验。课堂教学基本采用“粉笔（ppt）+讲授”的注入方式，实验教学包括学生对实际零部件模型操作或测量的动手实验和教师演示学生观察的演示实验。这些教学方式通常是以“教师为中心”的模式为主导。面对社会对工程人才要求知识面广、综合实践能力强以及具备创新意识的状况下，这种传统的教学方式越来越不适应工科大学机械工程教育的发展[2]，尤其是机械设计实验教学的发展。

科技的进步，特别是“信息+网络”技术的快速发展，给大学各课程的实验教学改革提供了新的方式方法[3-5]，比如，远程网络实验、虚拟实验等[6]。近年来“互联网+实验”的虚拟实验持续升温，人们对此褒贬不一。一种观点认为，虚拟实验是一种先进高效的实验教学手段，适合国内大规模本科培养，也有利于教学模式向“以学生为中心”转变[7-8]。另一种观点认为“能实不虚”，虚拟实验的效果低于真实实验。

本文结合“机械设计”课程，就真实实验和虚拟实验各自的特点展开论述。分析两种类型实验在教学实践中的應用。另外，结合 “机械设计”课程的具体内容，通过实例阐明如何合理有效地利用两类实验。

一、真实实验的特点及其作用

（一）真实实验的优点及其作用

“机械设计”真实实验对学生理解书本知识、增强对通用零部件的感性认知、培养结构拆装及零部件测量等动手能力及实践经验，起到非常重要的作用，至今沿用。即便基于数学和信息网络技术逐渐发展起来的虚拟实验或远程实验已经走进实验教学多年，传统真实实验仍然是机械设计实验教学的主导方式和基础。相对于虚拟实验，几个优点决定了它在“机械设计”实验教学中具有不可替代的作用。

1.培养如何设计实验的能力。包括选用仪器和工

具、操作、现象观察、数据收集及解释等。2.长于培养学生动手技能和实践能力。能培养学生正确使用仪器、传感器或软件等工具测量零件性能参数。比如构建组装零部件、机械故障排除、传感器安置、电路连接以及仪器标定或调零等，这些是工程实践必备的一个基本技能。3.能够利用触觉感知对理论知识获得感性认识，理解理论模型预测能力及其局限。4.通过处理实验中遇到的不可预测问题，真实实验使学生感受到研究的复杂性，并

有机会培养处理技巧。比如，在齿轮参数测量实验中的误差问题，能够让学生认识到测量的随机性和不完美性，学习准确测量的规程及技巧。在这方面，真实实验具有虚拟实验无法比拟的优势。5.参与真实实验，能够更好地培养学生的工程兴趣、锻炼交流及团队合作等，对增强学生的能力大有裨益，这一特点往往是最容易被忽略的。

（二）真实实验的局限性

尽管真实实验具有诸多优点，但随着工业科技及社会人才需求的不断发展，大学本科培养的变化，传统真实实验的局限性也逐渐显露。首先，一些真实实验成本高、耗时长、效率低。比如，机械零件磨损量实验，真实实验在一两个学时内往往无法得到较为完整的磨损三阶段曲线，哪怕是跨阶段的磨损曲线也是比较耗时的。其次，实验参数也不容易改变，要开展更加丰富的实验十分困难。像动压滑动轴承实验，若开展不同润滑油对轴承性能影响绝非易事。可见，真实实验要改变实验条件，获取更多实验结果的时间成本和经济成本高昂。加之国内院校本科生培养规模庞大，实验仪器生均比例低，真实实验的这一缺点愈发突出。再次，现有真实实验教学阻碍了教学模式的转变。近些年来，由于教学激励机制等问题，学校和教师缺乏对“机械设计”实验课在经费、时间和精力上的投入，实践性教学条件严重不足[9]，学生很少有机会有条件认真做实验，久而久之实验课变成了应付、走过场，严重影响了学生科学实验兴趣培养和研究技能的增强，更谈不上“以学生为中心”的教学模式的转变。最后，机械设计教学虽然强调了科学技术与工程实践相结合，实际上绝大部分学校几乎不具备将科技知识与工程实践相结合的师资条件和能力，缺乏能够将理论充分应用于实践的真实实验。可见，真实实验难以在本科规模化培养过程中更进一步发挥作用，势必要在教学内容、教学方法及手段方面进行革新。

二、虚拟实验的特点及作用

（一）虚拟实验的优点及其作用

虚拟实验是利用理论模型、数值方法、信息网络和计算机技术，将真实的物理现象或过程模型化，在计算机上以图片、视频、动画或曲线等直观形式展现，并通过网络共享使用。相对于真实实验，有如下优点。

1.容易改变实验条件参数。虚拟实验中，学生能够轻松改变实验参数，实现不同条件下的实验研究，使实验变得简单易行。此外，还可以通过排除次要信息的混淆干扰，实现重要参数对结果影响的研究，获得实验的关键信息。比如，仅仅通过修改时间得到不同时长下的实验结果，分析时间尺度的影响。

2.可以开展真实实验难以甚至无法观察的实验现

象，对于需要进行交互方式研究难以观察的现象，优势更明显。将理论知识或模型方程与物理现象或零件应用直接联系、对比和扩展。比如，微观尺度下的许多实验，真实实验难以实现，更不要说通过交互式方式研究实验现象随参数变化。

3.虚拟实验受客观条件限制相对较小，效率高于真实实验。虚拟实验可以提供短时间甚至某一瞬间的更多的实验结果，使学生完成更多的实验并获取更多的结果信息，计算机也能够记录学生实验的全过程。学生可以多次重复实验，且几乎不受时间、地点等客观条件的限制。

4.理解概念性知识，虚拟实验可以代替真实实验。理解这些知识并不需要触觉信息参与。虚拟实验能够方便、高效、透彻地让学生理解知识。

（二）虚拟实验的局限性

由于虚拟实验的实际功效依赖于数学、信息、网络和计算机等一系列理论知识和技术条件，加之机械设计课程内容的特点，不可避免存在一些问题。这主要包括以下几点。

1.最大的问题是如何精确模拟真实物理过程。由于理论基础、技术条件或主观认识等原因，设计虚拟实验时可能漏掉实际当中的一些重要因素，导致一定的偏差，甚至错误结果。因此，设计虚拟实验时，要明确实验目标及其主要和次要影响因素，客观衡量实验室所具备的技术能力和条件。例如，若无法合理模拟零件之间的接触，对机械零件拆装虚拟的真实感就会差很多。

2.有限的预设的输入和输出会限制学生的创造性。虚拟平台把学生限制在预设的环境中，影响了他们的学习激情和好奇心。当然，这方面随着信息网络和相关技术的发展，会不断改善。

3.模拟的适用性和效率取决于网络技术和软件标

准。虚拟实验的开展，难免会遇到大量学生同时上网实验的情况，容易造成网络拥堵，硬件计算能力不足的情况，导致实验无法正常开展。因此，具备足够容量和计算能力的硬件条件，是虚拟实验取得应有效果的基本前提条件。

4.虚拟实验导致学生忽视操作安全规则和实验伦

理问题。这些是真实实验必须要考虑的[10]。虚拟实验无论怎样操作都不会涉及安全和实验伦理问题，学生往往会忽略掉这些实际上十分重要的内容。这也是虚拟实验无法代替真实实验的一个重要原因。

可见，就像软件不能代替实际系统模型一样，虚拟实验不能完全替代真实实验，无法提供完全真实的实验。我们在教学过程中运用虚拟实验时，应该时刻牢记这一点。

三、真实实验与虚拟实验在“机械设计”中的运用

吉林大学的“机械设计”课程包括[11]：疲劳强度、摩擦学基础知识和通用零部件的结构类型及特点、失效形式、材料及热处理、应用及调整维护等基本知识，以及通用零部件的设计计算。

疲劳强度和接触强度部分，主要涉及应力、疲劳寿命和摩擦磨损等基础知识的理解。这些概念有些属于微观尺度下真实实验难以观察的物理量，有些实验周期长，比如，零件三个磨损阶段实验，采用虚拟实验显然要更加合适。但是，磨损虚拟实验的难点在于磨损系数等参数需要大量的真实实验结果分析研究确定。而实现这些微观尺度下的虚拟实验需要数学、物理、摩擦学、接触力学及材料学等多学科综合，需要较强计算能力和图像显示功能的硬件设施，吉林大学“机械设计”教师在这方面做了一些初步尝试。带传动教学的主要目的是通过研究带传动效率理解打滑和弹性滑动的特点与区别。该实验涉及仪器设备调平衡、加载并读取载荷，同时观察皮带打滑现象，虚拟实验的真实感不强，实现起来难度很大，真实实验就非常合适。齿轮传动实验中齿轮精度实验，显然真实实验更为合适。目前对测量误差模型化还需要进一步的科学研究，不具备虚拟的理论条件。而且零件尺寸测量的真实实验也能够培养学生操作测量工具的能力和技巧，虚拟实验无法使学生感受到测量工具与被测零件接触力度的大小对测量结果的影响。滚动轴承轴系部件设计实验，可以采用虚实结合方式。学生先在虚拟平台上预习和练习，并根据给定要求设计轴系。然后到实验室现场组装设计的轴系，并测量零部件尺寸，最后画出装配图。实践表明，这样大大提升了实验效率和效果，教学效果非常好。当然，轴系设计虚拟实验时，若能够将零件之间的接触也加入，学生通过电脑操作拆装零件也能够感受到零件之间的接触，将极大提升虚拟实验的真实感[12]。对液体动压径向滑动轴承摩擦实验，亦可以运用虚实结合的原则。吉林大学已有实验台完全可以实现确定润滑油类型和滑动轴承结构尺寸下的压力和温度测量。利用我们开发的液体动压向心滑动轴承虚拟平台，可以轻松实现改变润滑油黏度、轴瓦材料、偏心距、軸承结构尺寸等参数的实验研究，大幅度增加了实验获得的信息量。

顺便指出，“能实不虚”并不意味着有了真实实验，就没必要进行虚拟实验。对某一实验而言，尤其实验中遇到设计复杂、微观或者参数难以测量的问题时，虚拟实验显然是更好的选择。虚拟平台更容易做到将真实实验向理论知识和工程实践两个方向上拓展，可以在不过多增加实验教学学时和学生负担的情况下，最大限度实现理论与工程实践的结合和综合，还可以帮助学生对真实实验的理解[13]，达到扩展知识面和眼界、提升能力的目的。在多年的教学实践中，我们将机械设计课程实验中的一部分，开发了虚拟平台，与真实实验配合使用，取得了良好的效果。

四、结论

在机械设计实践教学中，真实实验在培养学生实验设计、动手技能、随机处理、团队合作与交流以及操作规程和伦理等方面，发挥重要的作用。但也存在耗时多、效率低、成本高等缺点。特别是在大规模本科生培养条件下，完全采用真实实验的实验教学显然已经无法适应课程实验教学的需求。随着科技的不断发展，虚拟实验会越来越接近真实实验的效果，特别是在概念性理解、难以观察的实验现象或微观尺度现象等方面可以替代真实实验。而且虚拟实验可以根据需要合理地更加形象化地甚至夸张地表现一些实验现象，以便于学生理解。虚拟实验效率高、耗时低的优点使其应用前景广阔，在推进机械设计实验教学向“以学生为中心”模式改革进程中必将发挥越来越重要的作用。但也要避免“一切实验都可虚拟”的错误观念，而忽视真实实验基础性地位和重要作用。

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