多维协同虚拟仿真创新实践教学体系构建

王志琼， 刘广武， 刘津彤， 刘继明， 黄 莹， 周淑红

（吉林大学机械与航空航天工程学院，长春 130022）

0 引 言

“新工科”需要进行科学、人文与工程的交叉融合，需要以培养多元化、创新型卓越工程人才为目标，需要从经验主义转向实操实训，从学习结果（即考试成绩）走向能力养成［1-3］。而在机械与航空航天专业传统实践教学体系中，存在着实验对象多为复杂机械机构但实验学时与模型数量有限、大型和高成本设备无法广泛应用、开放性和创新性实验占比较低、实习实训存在安全隐患等问题。这些问题表明传统的实践教学模式难以满足“新工科”对高校人才培养提出的新要求，无法跟上高校“新工科”建设的步伐，急需转型。

虚拟仿真是继“互联网＋教育”之后的“智能＋教育”技术，是一种新的教育生产力。信息技术、智能技术与实验教学的深度融合可破解高等学校实验、实习、实训中的老大难问题，解决原先“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的问题［4］。

近几年，国内高校各个学科领域积极响应教育部《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》文件精神，着力于虚拟仿真实验教学平台和虚拟仿真实验教学系统的设计与建设［5-12］。我校机械与航空航天工程学院在原来国家级机械基础实验教学示范中心的基础上进行优化组合，组建机械虚拟仿真实验教学中心，并开发设计了虚拟仿真实验教学平台。中心2015年入选为国家级机械虚拟仿真实验教学示范中心。为进一步拓宽实践教学的深度和广度，持续提高学生的自主创新能力，让学生早接触早了解现代信息新技术，中心购置多种虚拟现实教学系统，如何开发“新工科”背景下的虚拟现实教学系统并应用于本科教学，成为急需解决的问题。应这样的教学需求建立了多维协同虚拟仿真创新实践课程群，构建了多维协同虚拟仿真创新实践教学体系，为学生适应现代社会发展需求及创新创业奠定良好基础。

1 创新实践教学体系构建思路

根据“新工科”多元化、创新型人才培养理念，结合新版本科教育培养方案和机械工程学科特点，实施以“创新模式、重构体系、筑建平台、逐级提升”为主线的一系列实践教学改革。

依托两个国家级实验教学示范中心和科研平台，以机械工程专业主干学科的核心课程为体系主线，以机械基础实验教学中心实践教学的系列课程为建设核心，开发基于工程类“工程图学（大一）、机械原理（大二）、机械设计（大三）、机械精度设计基础（大三）、机械制造技术基础（大三）”5大理论课程所要求学历水准的“虚拟仿真实验、虚拟现实实验、虚实结合实验、开放创新实验”四位一体的创新实践教学课程体系，如图1所示。

图1 创新实践教学体系依托平台

应用虚拟仿真实验教学平台和DVS3D虚拟现实实践教学系统，搭建虚拟仿真创新实践教学平台，构建培养阶段3层次“基础→专业→创新”、课程层级递进式“1→2→3→4级”、教学方式混合式“虚拟仿真→虚拟现实→物理空间”的多维协同虚拟仿真创新实践教学体系，如图2所示。该体系旨在拓宽学生视野，优化知识结构，提高学生应用新技术的能力，综合设计能力和创新能力，为国家培养基础理论扎实的创新型人才。

图2 创新实践教学体系构建思路

2 递进式实践课程群建设

图3 实践课程群梯级建设方案

按照创新实践教学体系构建思路，以典型零部件为载体，构建4层级递进式的6项虚拟仿真创新实践实验教学项目，如图3所示。从三维构图、设计方案解析、系统性能测试、加工制造过程、制造工艺到装配精度的机电产品自然设计流程，以多维度的专业视角，借助CAD／CAM和虚拟仿真、虚拟现实技术，协同多项现代工业技术和信息技术，设计开发独立设课的机械工程综合实验Ⅴ实践课程群，同时开设开放性创新实验项目。通过增加选修课程和开放性创新项目的内容及数量，深化和扩展实践教学资源，提高教学维度和深度，培养适应现代社会发展需求、具有扎实理论基础和宽广专业视野的工程专业人才。

制定实践课程群内涵建设大纲，包括实践课程层级、典型实验教学项目名称、编号、学时、开设年级、教学方式、服务理论课程、培养目标等信息，如表1所示。通过进一步确立实验教学大纲，撰写实验指导书，使其成为整个教学培养方案中的一个训练模块，具有完整性、先进性、综合设计性，自成体系。

表1 实践课程群内涵建设大纲

2.1 实践课程群1级内涵建设

实践课程群的第1级为运用虚拟仿真实验教学平台的机械零件三维剖析实验。其建设内涵为遵循工程图学的认知规律，把投影与视图、形体分析与构型设计结合。开发典型机械零件的虚拟现实系统，实现对典型机械零件三维模型的任意剖切、展示剖面等功能。基于虚拟仿真实验教学平台设计制作机械零件多角度剖面及投影虚拟仿真实验，建立机械零件的教学数据库，利用虚拟仿真软件系统完成二维图形和三维零件剖切面的对应，让学生在数据库中快速找到与二维图形有关的三维零件，并进行多角度剖切面的观察对比。

实践课程群1级建设使学生了解机械零件的结构特点，辅助掌握工程图学课程中的难点，培养学生对虚拟仿真平台的操作能力，增加学习的积极性和主动性，克服教学模型无法大量剖切和数量有限的弊端。

2.2 实践课程群2级内涵建设

(1)常用典型机械机构虚拟仿真实验。参照模型等素材，应用计算机完成常用典型机械机构的3D数字化设计方案，构建数字模型，并进行虚拟仿真实验，进而对机构的运动学及动力学特性做出定性及定量的分析评价。

(2)摩托车发动机虚拟拆装实验。如图4所示，以摩托车发动机总成为对象和载体，依据理论和实验课程内容，基于虚拟仿真实验教学平台、虚拟现实系统平台、发动机展示与拆装平台，建立一系列发动机典型零部件的拆装实验，实现网络虚拟拆装、三维立体环境虚拟拆装、现场实验拆装相结合的实验环境，做到虚实结合，提高实验教学效果［13］。网络虚拟拆装实验能够实现学生自主选择拆装工具、设计拆装方法、自主拆装，了解典型零部件的基本结构及组成关系。三维立体环境使学生切身融入虚拟现实环境中，运用3D交互系统进行典型零部件的虚拟拆装，设置零部件的拆装顺序及拆装路径，通过三维立体环境增强学生的三维立体感。最后学生到实验室学习摩托发动机，选择典型机构进行真实拆装实验［14］。

图4 摩托车发动机虚拟拆装实验

实践课程群2级建设采用虚实结合的实验教学方式，提升学生对复杂机械零件的综合认知，加强机构拆解和装配的综合能力，克服复杂机构组成结构、整机拆装过程讲解难，实验效果受限于模型数量、学时不足等难题。

2.3 实践课程群3级内涵建设

(1)汽车曲轴虚拟设计实验。深入了解虚拟现实技术的体系结构，让学生能够利用虚拟现实相关设备进行汽车曲轴的虚拟设计，并在虚拟现实环境中进行数据修改和设计方案优化。

(2)汽车分动器DVS3D虚拟现实实验。如图5所示，在DVS3D虚拟现实系统上，建立JCF2015型汽车分动器的精确装配数模的拆解和装配。学生进入DVS3D“虚拟真实”的分动器三维虚拟世界，进行多视角观摩、空间剖切、虚拟拆装，直观了解和研究产品级的数字化分动器的功能和结构。让学生巩固理论课程所学知识，研究探索产品级汽车分动器的精确数字化开发技术，高效地掌握机械工程常用零部件及模块的结构设计、工作过程、装配及加工制造工艺。

图5 汽车分动器DVS3D虚拟现实实验

通过1、2级基础培养阶段的训练，实践课程群3级建设让学生初步掌握虚拟现实系统应用，培养学生产品级、专业级、数字化开发设计能力，提高综合实践能力与自主创新意识。

2.4 实践课程群4级内涵建设

实践课程群的第4级为机构虚拟现实数字化创意设计新技术实验。建设的内涵主要为结合工程图学、机械原理及虚拟样机技术课程基本理论知识，创造性地设计模型机构、探索其运行规律，训练学生的综合设计能力和创新能力，为后续课程及今后从事实际工作奠定良好的基础。学生自主设计机构方案（方案来源于生活、社会需求、图书资料、互联网等），在计算机上利用三维设计软件CATIA、ADAMS进行机构设计及运动学分析、仿真及试验组装等工程实际设计。在DVS3D虚拟现实系统上，通过动态观察组装机构系统的运动情况，包括工作到位情况、运行轨迹情况、速度变化情况等方面，做出定性的分析和评价。进而根据评价结果对系统结构进行重组调整，直到模型机构运行灵活、动作可靠，充分满足预先设计要求［15-16］。

实践课程群4级建设实现了“3D虚拟真实”环境下的机械零部件和产品虚拟设计、装配、剖切、展示、评价的一体化流程，培养学生独立解决复杂工程问题的能力和创新实践能力，全面服务于大学生的创新、创业实践活动。

3 实践教学应用及示范辐射

3.1 实践教学应用

遵照大学生多维协同虚拟仿真创新实践教学体系构建思路，2016年中心面向机械工程专业独立设课、单独记学分的机械工程综合实验实践教学课程，该实验课程目前包含5个实验项目，已经连续授课4年，每年约有350人受益。结合校教务处开放性创新实验要求，中心面向全校学生开设了开放性创新实验项目。同时中心面向南岭校区6个学院所有工科类学生开设虚拟仿真实验课程。系列实验将物理空间实践教学导入DVS3D虚拟现实的平台环境中，全面贯彻了“基础→专业→创新”3层次培养理念、辅以递进式“实践教学体系重构”的虚拟仿真课程建设思想，教学效果良好。

3.2 示范辐射

（1）基于国家级机械虚拟仿真实践教学平台，虚拟仿真创新实践课程群依托校园网络，面向全校师生，实行全覆盖、全天候的开放。同时对有合作关系的院校有条件的开放，进行交流学习，实现资源共享。

（2）近年来，DVS3D虚拟现实实验室接待了20余所院校科技人员及师生参观、学习与交流。

（3）机械工程综合实验Ⅴ的3个实验项目案例入选了教育部高等学校实验教学指导委员会的“高校本科实验教学典型案例汇编”，已于2019年1月出版发行［17-18］。

（4）通过实践，逐步摸索并总结出“创新模式，重构体系，筑建平台，逐级提升”的虚拟仿真实践教学管理平台建设思路和方略，为学校国家级机械虚拟仿真实验教学示范中心建设提供了前期项目试点的实践基础。

4 结 语

多维协同虚拟仿真创新实践教学体系的构建，坚持以问题和需求为导向，把解决高校传统实践教学存在的突出问题作为深化高等教育“新工科”建设、教学改革的着力点，通过实验课程与生产实际相结合，将教改课题和科研课题的研究成果引入到本科教学，自主开发基于虚拟仿真实验教学平台和虚拟现实实践教学系统的多维协同虚拟仿真创新实践课程群，丰富课程、创新教法、改进内容，推进理论教学和实践教学紧密结合，使学生掌握先进的学科前沿技术，强化学生的创新实践意识，力争培养具有较强工程实践能力的创新型工程人才。