机电一体化专业课程虚拟实验的教学反思

刘辉 徐荣

[摘 要]文章从机电一体化专业特点和学生学习需求出发，分析了虚拟实验开设的必要性，阐述了虚拟实验应用优势与组成架构，以机电一体化课程虚拟实验为例，介绍了虚拟实验教学设计思路、实施过程、实验效果，针对存在的不足，提出虚拟实验的教学反思。

[关键词]机电一体化;虚拟实验;教学反思

[中图分类号]G642.0;TP391.9[文献标识码]A[文章编号]1008-7656（2020）04-0018-04

引言

虚拟实验是建立在多媒体技术和软件仿真技术相互融合的基础上，利用计算机搭建的一种虚拟的实验平台。在这个平台上，学习者可以通过互联网在任意一台计算机上访问并进行实验操作[1]。虚拟实验平台提供可操作的虚拟实验器材，学习者可以通过接近真实的人机交互界面，选择不同类型的虚拟器件，按照实验原理进行仪器的连接与调节，实现使用虚拟仪器来完成实验操作[2]。

陈涛等学者认为，虚拟实验有效解决了传统实验的危险性和成本高的问题[3]。张宁等学者提出，虚拟仿真代表了教育新的生产力[4]。虚拟实验在现代科研和教育研究中已经成为不可或缺的一部分，但是这些研究的主体主要是企业技术人员和高校教师，他们拥有相关的技术平台、教研团队和较多的学习时间，而继续教育在线平台学习的机电一体化专业成人学生较难达到这样的条件，探索适合他们学习虚拟实验的教学路径变得十分迫切。基于此，笔者通过自身的教学实践和反思，探究适合成人学习的虚拟实验策略，希望能为电大系统开设虚拟实验教学提供参考。

一、虚拟实验开设必要性

（一）专业特点

机电一体化专业是安徽广播电视大学（以下简称安徽电大）实施成人高等学历继续教育改革后开设的专业。据学校相关部门提供的统计数据（2019年12月31日），该专业在校生已经有2000余人，遍布全省各个地市，为经济发展提供了许多专业人才。随着安徽经济的快速发展，省政府已经把先进制造业作为核心产业来打造，把合肥作为举办全球制造业大会的城市。快速发展的工业经济和专业人才的需求是相辅相成的，这也正是学校机电一体化专业发展的需求。

机电专业人才的培养除了需要理论知识的传授外，同样离不开实践性教学。机电一体化专业中包含一些实践性课程，如液压与气压传动、数控编程、机电一体化系统等，这些课程的学习都需要大量的实践操作来巩固和理解[5]。对于电大的学生而言，普遍存在工学矛盾，为了更好地为他们提供学习支持服务，帮助他们掌握知识，开设课程虚拟实验是不可或缺的。

（二）学习需求

受到实训场地不足和实践环节指导老师缺乏等因素的影响，安徽电大机电一体化专业实践环节的实施，一直以来通过与一些高校合作来进行。随着高校扩招，合作高校较难再为开放教育的学生提供保质保量的教学服务，很多开放教育课程实验和毕业实践环节难以开展，只有采用观看网络视频的方式来完成。

机电专业的学生除了掌握机电一体化的基础理论之外，还需要通过学习系统设计原理和综合集成技术，把各项技术有机地结合起来进行简单的机电一体化系统的分析和设计，这就需要大量的实践操作来巩固理论的内容，拓宽自己的视野，从而获取更多的就业机会[6]。开设课程虚拟实验，有助于学生进行远程网上模拟操作，更有利于学生的职业发展需要。

二、虚拟实验应用优势与组成架构

（一）应用优势

虚拟实验是通过计算机软件仿真技术来实现的，通过把现实中的实验资源虚拟化和数字化，设置合适的参数，利用鼠标和键盘操作实现实验的构建。通过虚拟实验的学习与实践达到课程实践环节教学的目标。与传统实验相比，虚拟实验具有的优势如表1所示[7]。

（二）组成架构

关于虚拟实验的教学，安徽电大前期开展了调研和座谈，不仅了解教师对课程实践环节的需求，也搜集了学生在课程实践方面的建议，在此基础上引进了基于云技术打造的虚拟仿真实验教学平台，该平台运用分布式和虚拟化技术，将实验资源和教学活动通过互联网来完成，将实验内容、操作软件、数据库、案例库及其他资源有机的结合在一起[8]。图1可以看出平台将使用者分学生、教师、管理员三类：学生在对实验进行操作前进行准备知识的学习，在学习过程中通过交流平台与老师沟通和联系，在完成实验后可以查看成绩;老师需要在实验前对实验库进行筛选，列出实验的要求，指导学生按照步骤来完成实验，并及时回复学生在平台的留言;管理员则需要对相应的老师和学生的账户进行设置，将虚拟仿真实验教学资源以及师生操作的数据和和管理系统存放在云存储系统中。虚拟实验平台具有虚拟化共享的优势，保证了教学活动在数据中心的正常运行，增加了教学交流与互动。

三、机电一体化系统课程虚拟实验设计与实施

（一）设计思路

机電一体化系统是机电专业的核心课程，也是一门实践性很强的课程。学生在理论学习过程中，掌握了机械、检测、控制和编程等内容，需要结合实际的应用实例进行实验实训，提高自己进行系统设计和开发的实际能力。在安徽继续教育在线平台上，机电一体化系统课程共设有五个模块，其中第五个模块是虚拟实验模块。以课程中工业机器人自动化生产线虚拟实验为例，进行实验设计。首先，省校课程责任教师根据课程教学计划对实验内容进行选择并导入虚拟实验平台。实验内容是在工业自动化流水线上工业机器人对物品的识别和剔除。其次，对实验考核环节进行设定，学生的网上操作行为（形成性考核）占总成绩的70%，最后提交的实验报告（终结性考核）占总成绩的30%，最终的成绩是两者的合成。最后，与选择机电一体化系统课程的分校老师进行沟通，及时告知课程虚拟实验已经上线，方便他们将信息通过班级QQ群、手机短信等方式通知到每位学生。

（二）实施过程

工业机器人自动化生产线虚拟实验是以三维形式实现机器人结构展示、功能描述、工作原理动画展示、虚拟生产过程展示等，主要由检测机器人、机械手臂和搬运机器人三个部分组成。实验要求能够按照检测、抓取和搬运的流程进行操作，首先对货物进行检测，把不合格的产品剔除，这一环节通过检测机器人来完成;然后对合格的产品进行输送并搬运到传输链上，这一环节通过机械手臂来完成;最后一个环节是对产品进行打包，由搬运机器人运输入库。

在整个实验过程中，学生通过键盘上的W、S、Q和E按键，对机器人底盘角度、大臂角度和小臂角度进行设置，实现机器人前进、后退、左移和右移的控制。学生通过按住鼠标左键进行视角方位的调整，前后滚动鼠标滚轮实现视野的放大和缩小。实验最终达到剔除不合格的产品的目的，对合格产品打包并运输入库。学生在实验操作过程中如果遇到困难可以通过网络平台的方式给老师留言寻求解答，也可以通过平台提供的帮助提示，点击操作演示说明进行反复查看，实现问题的解决。当所有实验内容完成后，学生点击提交实验，系统会自动给予评判，得出自己的实验分数。

（三）实验效果

选修机电一体化系统课程虚拟实验的学生，2019年春季为103人，分布在省内芜湖市分校、安庆市分校、淮北市分校、铜陵金桥培训中心、蚌埠市分校、广德县直属教学点、郎溪县工作站、滁州市分校、宣州市分校、定远县工作站、安徽广播电视大学汽车学院、固镇县工作站等13个教学点。2019年春季前半个学期，学生的上线学习和考核情况不是很理想，4月份已经登录过平台参与网上学习的人数占比15%，5月份已经登录过平台参与网上学习的人数占比26%。经过与分校和工作站负责人及课程辅导教师联系，让他们积极督促学生上线学习并完成课程虚拟实验实验的形成性考核和期末考核，6月上旬至学期末学生上线人数有大幅度提升。经过一个学期的学习，在13个分校总共103个学生的课程实践环节即虚拟实验学习与考核过程中，93个学生完成了形成性考核与期末考核，完成率达到90%，最终成绩及格率为89%。

（四）存在的不足

机电一体化课程实践环节由传统模式改为虚拟实验模式取得了一定的成效，但仍然存在一些不足。首先，由于计算机仿真虚拟实验刚开始应用，许多分校教学点对虚拟实验的教学过程和考核形式还没有完全适应，不能较好地指导学生进行学习和完成实验内容，下一步省校需要加大宣传，进行实地或是远程培训，让他们认识和了解虚拟实验;其次，根据学生对虚拟实验在使用过程中产生的疑问，建议平台设计方在虚拟实验帮助提示模块添加视频讲解说明，这样可以帮助学生对知识点的理解和准确把握实验过程的操作步骤;再次，在实验过程中师生互动不够，教学互动区没有学生提问，这可能是分校、工作站的辅导老师对学生的引导还不够;最后，虚拟实验平台不能按照教学点进行学生学习情况的统计，只能够显示全部学生的成绩，建议后期能进行改进，这样可以更有针对性地督促学生登陆平台完成学习与考核。

四、虚拟实验教学反思

（一）以学生为中心，合理选择实验内容

结合工业技术发展现状，充分调研学生学习需求，不能让网上虚拟实验流于形式，更不能让学生学习只是为了应付考试，而是出于对他们提供帮助、达到学以致用的目的。目前，机电一体化专业开设的课程虚拟实验基本涵盖了本专业涉及的课程实践环节，学生参与度不错。下一步需要对实验内容进行更新和扩充，选择更多具有代表先进制造技术、先进控制技术和工业物联网技术的内容，来满足学生工作和学习的需求。

（二）依托教学团队，提高教学质量

电大的优势在于系统办学，对于分布在全省各地市的学生来说，课程学习的需求会有很多，这就需要系统内教师的集思广益。虚拟实验是为学生提供课程实践环节教学服务的，但是学生的学习背景各不相同，有的学生进行课程虚拟实验学习时，会出现不知道从哪里登陆平台，或是登陆平台后不知如何操作等一系列问题，这就需要分校老师及时给予帮助，让他们熟悉虚拟实验的操作流程和学习环节，最终完成实验考核。另外，分校老师在助学的过程中，也能及时了解学生对课程虚拟实验内容学习的建议以及平台使用过程存在的问题，然后通过邮件或是电话的形式及时反馈给省校，这样就方便省校责任教师汇集信息和总结经验，为下一步做好教学支持服务进行有效调整。

（三）将思政教育贯穿于教学全过程

省校课程责任教师在开展网上教学活动时，要将思政教育贯穿于教学全过程，引导学生参加网上虚拟实验学习，熟练实验操作技能，将自身专业水平提升与国家发展相结合，树立制造强国的远大理想和家国情怀。

虚拟实验作为课程实践环节的一部分，不仅提高了课程的整体教学效果，也锻炼了学生们的动手能力，更是激发了他们的学习热情。为了更好地发挥虚拟实验的作用，下一步需要不断丰富实验内容，完善实验设计方案，把更有趣、生动、有代表性的实验讲授给学生。

[参考文献]

[1]张智焕.张惠娣.机械工程控制的虚拟仿真实验教学实践[J].实验技术与管理，2014（7）.

[2]肖茂华，路琴，康敏，等.农业院校机械工程虚拟仿真实验平台的构建[J].现代教育技术，2018（4）.

[3]陈涛，范林坤.汽车运输安全虚拟仿真实验设计[J].实验技术与管理，2020（3）.

[4]张宁，赵毅强，蘭馗博，等.“新工科”背景下关于虚拟仿真实验的几点思考和建议[J].实验技术与管理，2020（3）.

[5]祖强，魏永军，熊宏齐.江苏省高校虚拟仿真实验教学共享平台建设与实践[J].实验技术与管理，2019（36）.

[6]苏永红.网络教育中虚拟现实技术在机械学科的应用[J].山西广播电视大学学报，2016（6）.

[7]岳大灵，魏列江，刘增光，等.液压系统电气控制虚拟实验系统的开发[J].中国教育技术装备，2016（20）.

[8]关松磊.虚拟仿真实验平台在实验教学中的应用现状[J].长春教育学院学报，2018（11）.

[作者简介]刘辉（1982-），男，安徽寿县人，安徽广播电视大学讲师，硕士，研究方向：现代远程教育及计算机虚拟实验;徐荣（1984-），女，安徽宿松人，安徽广播电视大学副教授，硕士，研究方向：现代远程教育及传感检测技术。

[责任编辑 何一辉]