虚拟仿真技术在机械类课程教学中的应用研究

陈辉

摘要：虚拟仿真技术对实验教学是一项重要的支撑技术，通过分析机械类课程的教学现状，提出采用虚拟教学的方法改善现有实验教学的不足，提升教学效果。并通过虚拟教学实验中心的建设，探讨虚拟仿真技术在机械类课程教学中的应用方法。

关键词：虚拟仿真；机械课程；虚拟教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）03-0124-02

作为高等院校的机械类专业，其人才培养的目标是培养出面向生产、管理、服务一线需要的高端技能型人才。机械类课程普遍具有理论和实践相结合的特点，因此在教学过程中需要学生操作和实验的课程较多。但是，实验设备的更新速度和数量毕竟是有限的，难以满足全部的教学需求，这就需要我们探索新的教学方法。

一、机械类课程教学现状

机械类课程的教学，在传统的教学模式中，理论课与实验课是分离的，课堂与实验室也是分离的，学生在理论课中理解不到位，而在实验课中又容易忘记理论，这样导致了学生的知识掌握不扎实。并且，一般实验过程是按照指导书要求的步骤进行的，实验参数不能任意改动，学生在动手过程中不能真正地参与到思考活动中。随着教学改革的发展，出现了一些新型的教学模式，如“项目教学”“教、学、做”一体化等[1]。通过制作一些实际的机械零件，然后在上面进行安装、试验和调试，大大提高了学生的动手能力。但是实际操作时要受到设备数量、安全等方面的限制，而且时间长，占用课时多，成本较高。

二、虚拟教学方法概述

虚拟教学利用实物和计算机软件共同模拟出真实的情境，让学生在模拟的情境下进行探究和学习。虚拟教学不完全是虚拟环境，虚实结合才能更好地发挥虚拟仿真技术在教学中的优势。使虚拟教学方法生动形象，更接近现实工作场景，提高学生学习兴趣，使学生在短时间内进入相应情境，真实地体验在现实生活中进行操作的感觉，以达到更快掌握知识和技能的目的[2]。而且这种教学方法可以利用计算机软件的优势创造出灵活多样的实验过程，有利于加深学生对知识的理解。虚拟教学方法不仅仅是使用虚拟仿真技术进行教学，还要和其他教学活动有机地结合在一起，才能发挥虚拟教学的效果[3]。

虚拟教学以其高效率、低成本、内容丰富、性能有效和安全等优势得到越来越多的应用和推广。有的教师将“项目教学”“教、学、做”一体化和虚拟仿真教学的方法结合起来，充分发挥各自的优点，得到更好的教学效果[4]。

虚拟教学很容易与其他先进的教学方法相结合。因此在机械类课程的教学中，将虚拟教学与其他教学方法相结合有助于提高课程教学效果，而且成本低、效率高，使学生可以不受场地与设备的限制，掌握更多的技能，在机械类课程教学中具有重要的意义[5]。

三、虚拟仿真教学实验中心的建设

根据高等院校在机械类专业教学中的实际情况，探索一系列切实可行的虚拟教学方案。结合学校的教学要求，建设了机械工程虚拟仿真实验教学中心。实验中心按照“设计—仿真—实践”教学模式，将力学、机械设计、机械原理、机械制造、材料制備与仿真计算进行有机融合，训练学生的建模能力和计算分析能力，再通过覆盖的实验中心按专业要求进行实践验证和强化，有效地提高了学生工程实践的水平。

1.坚持“面向工程，面向应用”，通过数字化、网络化、开放性实验平台，进行虚拟仿真应用型人才培养。

虚拟仿真教学中心结合我校的办学思想，在网络交互式平台上，以工程特色为本，面向行业，服务全省，培养虚拟仿真应用型人才。在实际教学过程中，由于条件限制，有很多实验都难以开出或现实状况还无法再现，比如发动机装配、变速箱参数化模块化组装实验、机构受力变形等，还有构件应力分布这些难以直观看到的问题，通过虚拟仿真实验的开展，以原理演示、动画仿真、作用机理仿真、虚拟测试来解决上述问题，将工程问题通过虚拟的场景再现，创造一个虚拟真实的环境，激发学生的学习热情和创新潜力。

2.坚持以项目为驱动的虚拟仿真教学，鼓励学生自主研发和创新设计，培养学生团队协作和工程素养。

学生的任何一个综合实验项目都是一个准工程性的课题，即以工程项目的形式对学生进行综合虚拟仿真教学和要求。面对实际的工程问题，学生更能激发创新思维和学习动力，通过学科竞赛和创新学分，鼓励和引导学生自主设计和创新，以学生团队和导师负责制相结合的方式，全面提升大学生团队合作精神和工程意识。同时，中心组织对软件开发有兴趣的教师和学生，组建一支团结年轻有朝气的虚拟仿真开发团队，对新的实验项目进行开发，并与企业保持良好合作渠道，自主研发适合本校学科发展需要的专业化仿真软件。同时，通过这个途径，鼓励学生进行大胆创新，敢想、敢做，从硬、软两个方面训练了学生工程实践能力，培养学生工程素养，树立工程观念。

3.坚持“教—学—研—用”结合，为学生提供工程实践应用平台。一方面，通过科研项目、学科竞赛和综合创新训练项目，运用虚拟实验平台，引导学生进行大胆创新，引入参数化设计和模块化设计理念，在虚拟环境下对设计作品或产品进行设计评估和改进，在获得实验验证的基础上，进行工程制造、装配、调试。学生设计的作品有的搬上了教学讲台进行示范教学，有的通过申报专利正在进行知识成果的转换，因此，虚拟化教学过程在这种教研转换中扮演了举足轻重的角色。另一方面，中心通过虚拟实验平台，鼓励和引导师生开展互换性、装配、测试测量技术的虚拟研究，对动力机械相关产品的测试检测工作，例如内燃机、水泵机器等，向外辐射，对外服务，也让学生在虚拟学习中了解实际工程的需要和技术要求。这些举措是虚拟仿真教学紧跟时代和工程企业的实际需求，使学生所学具有鲜明的工程应用特征。

四、结语

教学的核心，在于充分鼓励学生亲自动手进行探索与实践。而实验是培养创造性思维，传播科学思想和科学的有效方法。以往由于实验室各种软硬条件的限制，这一点往往是最难实现或者代价最大的。而采用虚拟仿真技术进行的虚拟实验，可以节约成本，突破实验教学在时间和空间上的限制，提高学习者的自主性和创新性，充分发挥计算机技术网络的优势，成为对传统教学方式的有力补充。同时降低误操作的危害与损失，为学生提供实用的知识与技能。总之，虚拟仿真技术在机械专业教学中的应用前景十分广阔，通过网络，学生可以随时进行实验。并且随着技术的发展，资源共享，更多的学生都能享受到虚拟技术带来的教学体验。

参考文献：

[1]吴涓.东南大学机电综合虚拟仿真实验教学中心建设规划思路与进展[J].实验技术与管理，2014，10（31）：5-9.

[2]廖洁丹，娄华冼，琼珍，盖作启，唐陆平，顾万军.构建虚拟仿真实验教学中心 促进实践教学创新人才培养[J].教育教学论坛，2017，（35）：276-278.

[3]陈萍，创新性、前沿性、工程性的虚拟仿真教学体系。周会超，周虚.构建虚拟仿真实验平台，探索创新人才培养模式[J].实验技术与管理，2011，28（03）：277-280.

[4]杜一宁.虚拟实验的研究现状以及在教学中的意义[J].浙江海洋学院学报（自然科学版），2010，4（29）：390-393.

[5]王晓迪.虚拟仿真实验教学中心建设中八项关系的理解与探讨[J].实验技术与管理，2014，8（31）：9-11.