虚拟仿真教学在机械原理课程中的应用研究

崔光珍 肖艳秋 王才东 吴 超

郑州轻工业大学机电工程学院 河南郑州 450002

机械原理是机械类或近机械类专业的一门重要的技术基础课，它是将学生前期所学理论基础和实际机械相结合来探讨机械内部基本规律的基础性技术课程。本课程的教学目标是使学生掌握机构的结构和运动分析方法、机械的动力分析方法、机构设计和机械系统方案设计方法，着重培养学生机械创新设计思维与能力。为了达到该教学目标，机械原理授课教师必须不断深化课程内涵教育建设，并依据需求变化改进授课。

近些年来，广大机械原理授课教师从不同角度提出机械原理课程改革方案与方法。如从工程教育角度基于SETP(Software-Theory-Experiment-Project)和OBE(Outcome-Based Education)教学模式提出了机械原理教学改革方案[1,2]；结合现代化教学理念，将翻转课堂应用于机械原理课程教学过程，并总结归纳出课程案例设计方法[3]；随着互联网教学模式的推出，出现了基于MOOC的机械原理教学改革方案[4]；而今，为实现《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》建设目标，切实做到现代信息技术与教育的全面深度融合，以信息化引领教育理念和教育模式的创新，结合机械原理课程特点，将虚拟仿真技术应用于机械原理教学过程，弥补传统教学方式的不足，将是行之有效的方法。

1 沉浸式教学 将学生代入课堂

机械原理课程并不是具体研究某种机械，而是将机械简化为机构，从而研究其共性问题。因此，在授课过程中，既要培养学生基于实际工程问题，将复杂机械结构简化为相应机构的能力；又要培养学生，应用前期所学基础理论知识对机构综合与分析问题进行严密地逻辑推理，最终使学生具有解决工程问题的能力。如何使学生感性认知工程问题，掌握将工程问题转化为机构综合与分析问题，如何使枯燥的理论推导过程变得更为符合当代大学生的学习兴趣，使学生愿意进入课堂，提高授课质量是亟待解决的问题。

当代大学生在信息化新媒体环境下伴随互联网长大，手机等移动客户端成为其不可或缺的一部分，要实现“低头族”放下手机抬头听课，使学生注意力集中于课堂，提高课堂学习效率，授课过程和方法须借鉴现代信息化技术—虚拟仿真技术教学。基于虚拟仿真技术，学生可以直观了解工程问题，进而实现现场教学与课堂教学融合，提高学生学习兴趣，把学生的注意力拉回到课堂上；同时，结合启发式教学方法，借助虚拟仿真技术的交互性功能，引导学生完成自主学习，使学生理解机构综合与分析问题的由来及其解决方法，培养学生的独立思考和解决问题的能力；最后，在公式理论等推导过程中，通过适时地虚拟仿真，使学生深刻理解公式中参数的实际物理意义，有助于教师讲解推导过程和深化学生对该推导过程的理解与记忆。

2 集思广益 增加“新鲜”教学案例

机械原理课程是一门理论与实际相融合的课程，通过虚拟仿真技术营造实际工程氛围与教师理论讲解相结合来达到提高教学质量的目标，还须做好底层的“工程案例”选择与设计。当前我国科学技术发展迅速，为使课堂与时代发展接轨，授课教师须与时俱进，除了追求实际工程案例新颖，在案例选择与设计过程还须注意以下三点。

(1)以课程教学目标为准则，优选教学案例。根据机械专业人才培养目标及其特色，优选校企合作案例，使学生明白学有所用，更容易激发学生的学习兴趣，后期组织学生到相应企业进行实习实训，将有助于学生进一步加深对所学知识的理解。但是，实际工程问题与科研项目往往比较复杂，因此需要结合机械原理知识点对案例进行合理简化。

(2)案例的兼容性。机械原理各章节知识点具有一定的独立性，为使学生在学习完本课程后对机构有整体认知，具有机械系统整体设计能力。在案例选择时优选涵盖多个机械原理课程教学重点难点的综合型案例，使学生明白整体机械系统与局部机构的关系，掌握各类机构的优点及应用分析能力，培养学生机构创新及用不同机构创新机械系统的能力。

(3)案例的可扩展性。一方面，机械原理课程在机械专业人才培养过程中起着承上启下的作用，故选择案例时应优选可扩展用于后续专业课教学的案例，这样既有助于学生后期巩固所学知识，又使得教学具有一定的连贯性。另一方面，通过案例将学生从课堂引入实践创新中，并将项目扩展到课外，引导学生应用所学知识基于课堂案例进行扩展性的创新实践设计，形成“学习—实践—创新”三位一体的教学模式。

3 激发自主学习意识 提升创新设计能力

在机械原理教学过程中，做到为学生“留白”，如基于虚拟仿真技术将工程问题引入，并积极引导学生自己去发现相关理论知识点，落实以学生为中心的教学理念，把传统的课堂讲授变成学生自学探寻理论的过程，这样有助于培养学生发现—分析—解决问题的能力。同时，为加强学生团队协作能力培养，增加生生、师生讨论交流，将部分章节留给学生自学，并以小组报告的形式汇报学习成果；汇报成绩评定则由小组内评分、小组外评分、教师评分三部分组成，以此来激发学生自主学习能力。为切实提高学生的创新能力，基于虚拟仿真技术将往年的创新设计案例引入课堂，激发学生创新意识，并鼓励学生参加创新设计赛事，将理论知识应用于实际的创新实践当中。

4 结语

机械原理课程的教学过程应注重工程实践与理论教学相结合。依据当前产业技术的发展需求、行业对人才培养的要求，在机械原理课程中引入虚拟仿真教学，更新教学案例和方法，构建满足行业发展需要的机械原理教学模式是行之有效的改革方法。在将虚拟仿真技术应用于机械原理课程教学的过程中，积极尝试与探索新的教学模式，加强课堂教学对学生的引导，向培养高素质的机械工程人才这一目标不断迈进，将是机械原理课程教学改革的目标和建设方向。