虚拟实验平台在“机械设计基础”实践环节中的应用研究

[摘 要] “机械设计基础”是高等院校非机械类专业以及机电类专业开设的一门非常重要的技术基础课。实验是机械设计基础实践教学的一个重要组成部分。提高实践教学质量，有利于帮助学生深入理解理论知识。通过对虚拟实验平台应用于“机械设计基础”的实践环节，获得很好的教学效果。

[关键词] 虚拟实验平台;机械设计基础;实践环节

[基金项目] 本文系2016年国家自然科学基金青年项目“固体氧化物燃料电池连接体合金/涂层界面的电致扩散机理研究”（51601173）资助

[作者简介] 张文颖（1986—），女，湖北武汉人，工学博士，中国地质大学（武汉）机械与电子信息学院副教授，硕士生导师，主要从事固体      氧化物燃料电池研究。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）34-0145-02     [收稿日期]2019-09-20

一、“机械设计基础”实践环节的现状

“机械设计基础”是高等院校非机械类专业以及机电类专业的基础课程。该课程具有内容多、概念多、符号多、公式多的特点，而近机类和非机类专业的学生接触机械相关课程比较少，缺乏认知，因此学生理解起来非常困难。

实验是机械设计基础实践教学的一个重要组成部分，是学生理论知识与实践的一个有机结合。通过实践教学，学生能够充分发挥其主体的作用，进一步深刻理解复杂理论知识，提升课堂教学质量。

但传统的实验受制于实验室场地的大小、设备多少，在很大程度上影响到教师讲授和学生学习的质量。因此，结合“机械设计基础”课程的实验需要，虚拟实验平台对于突破传统实验室在时间空间的限制是很有必要的[1，2]。再者，老师进行实物教学之前，学生通过虚拟实验平台进行模拟实验有利于理解相关的知识点和操作步骤，以期获得更好的教学效果。

二、“机械设计基础”的虚拟实验平台

虚拟实验平台首先必须满足实验教学的需要，这有利于学生借助虚拟实验对象更快速有效地学习实验原理、掌握试验方法以及熟悉实验技能，从而提高实验教学效率和学生的创新实践能力[3]。其次可以作为课堂实验教学的延伸。课堂的实验教学受限于时间和地点等客观条件，而虚拟环境的使用能够让学生不受时间和地点的限制随时随地在网页或者移动端实现对平台内各虚拟实验室中的设备及对象进行操作，以达到课堂实验教学的效果。最后，虚拟实验可以解决实验设备损坏未及时修复、台数不足的问题，并一定程度上节约了实验成本。

虚拟平台的设计包括虚拟实验室登录界面和实验系统界面。实验登录界面一方面用于防止非授权用户进入，另一方面便于教师查看学生实验数据。实验系统界面主要包括实验选择、实验教学管理和帮助。实验选择按照机械设计基础实验主要包括典型机构认知实验、机构运动简图测绘实验、典型机械零件认知实验、轴系零件的搭接实验以及减速器拆装实验等。虚拟实验的实现：借助3D模型。针对机械设计基础中若干个具有代表性的机构或机器模型，运用软件的三维建模功能使得机构或机器模型能够在计算机中虚拟实验平台中展示。以减速器的拆装实验为例，其中需要包含减速器的功能说明、工作原理以及实际应用介绍;减速器的各零部件展示以及文字提示，如名称、功能以及设计原则;借助交互性以实现减速器装配和拆卸的实验过程，如安装逻辑顺序、纠错提示等。最后还要包含实验方法的说明或者帮助、实验报告填写以及生成，以及线下实验预约和实验安排等功能。实验教学管理一方面提供教师进行实验报告评阅、成绩评价、在线反馈和答疑以及总结的功能，另一方面管理员具有对新教师和新学生的注册，以及新实验模块的审批的授权功能。

虚拟实验平台的实现利用Solid works和3D Max进行高仿真建模，随后将模型导入Unity 3D中利用Unity 3D进行场景搭建和动画仿真。接着通过Unity 3D自带的语言编辑系统，建立人机交互界面，实现实验操作和操作介绍等功能。最后优化程序以及人机交互界面，投放至电脑端或者移动端即可在实现对减速虚拟实验的相应实验操作。虚拟实验具有很大的灵活性，不需要依赖于实验硬件，可以随时随地进行实验，这节省了人力、物力，極大提高了实验的效果[4]。

三、虚拟实验平台在实践教学环节中的作用

（一）改善实践教学手段

受到各种条件的限制，往往面临实验设备匮乏的问题，这就导致很多机械设计的实验无法在实验室内进行，而理论教学又太过于抽象枯燥，这时就需要运用虚拟实验技术。在计算机上建立一个虚拟的实验平台，学生可以随时在计算机上模拟各种实验。虚拟实验操作简洁明快，丰富的人机交互以及动画演示可以激发学生的学习热情。

以机构运动简图测绘实验为例：通过鼠标点击相应按钮可实现各种机构的运动;通过鼠标拖拽可以实现机构的视角的变换和放大与缩小;通过鼠标点击测量按钮可以实现构件运动尺寸的测量;通过画板功能按照运动副的位置和一定的比例绘制机构运动简图，最后进行机构自由度的计算和报告输出。实验者能够在所设计的虚拟实验平台中进行机构运动的观察、构件运动尺寸的测量、机构运动简图绘制、机构自由度计算和报告输出等功能。

虚拟实验平台不仅可以完美展示机构的运动，还可以实现实验数据的测量和简图的绘制，并且系统具有报错提示的功能，学生可以根据相关提示信息不断反复的深入理解相关知识点，直到顺利地完成实验。

（二）创新实践教学模式

传统的实验教学环节，学生往往在老师的指导下按部就班地完成实验，完全处于被动状态，这种教学模式根本无法激发学生主动参与实验过程的积极性，并且不能将所学的机械设计基础理论知识点与机械设计基础实验项目有效结合起来。在整个实验教学中，教学模式不具备创新性，学生更是没有机会开展自主探究式学习，这样的教学模式对培养学生的综合创新设计能力并没有实质性的帮助。而完全依靠虚拟实验平台教学的方式，又难免让学生缺少激励和鞭策而自我懈怠。

因此，采用实物实验和虚拟实验相结合的教学模式进行实践教学将极大地提高教学的有效性。虚拟实验安排在实物实验的之前，有利于学生进行模拟实验开展有效的预习，从而保证实物教学的高效性;实物实验后再一次进行虚拟实验，则有利于课下学生以加深理解和巩固所学的知识点。

四、虚拟实验平台在实践教学环节的意义

虚拟实验平台改变传统的实验教学手段，对教师改进教学方法、优化教学内容、提升课堂的有效性具有重要意义;虚拟实验平台弥补实验硬件和软件的不足，优化了教学资源的配置，实现了教学资源的共享;虚拟实验平台丰富了教学资源。为学生提供更加形象生动直观的学习环境，激发了学生的学习积极性，培养了学生自主学习的习惯;虚拟实验平台有利于学生实践能力和创新能力的培养。

五、结语

虚拟实验平台对机械类、近机械类和非机械类本科生的实践教学具有很大的应用价值。不仅有利于教师和学生更加灵活的安排实验时间，还有助于学生利用该虚拟平台进行相关知识点的预习，减少教学时间成本，提高学生的学习效率，并且通过与软件预先设定的功能进行必要的人机互动，进一步起到深刻理解知识点的作用。

参考文献

[1]常金光，顾若阳，孟丽丽，郭帅，李鹏.基于Unity 3D的机械设计基础虚拟实验平台设计[J].机械工程师，2017（2）：95-97.

[2]郭帅，孟丽丽，常金光，顾若阳，李鹏，任方超.基于web的虚拟实验平台的设计[J].黑龙江科技信息，2016（28）：105-106.

[3]梁俊斌，蒋婵.利用虚拟实验培养独立学院学生创新思维的研究[J].广西教育，2011（4）：27-28.

[4]徐春明，周艳，孙瑛，蒋国璋，李公法.机械设计实验教学创新实践[J].大学教育，2018（12）：49-51.