虚拟仿真技术在机械类专业人才培养中的应用研究

河北农业大学机电工程学院 张艺 张淼 孙铂 马志凯 李昕

《国家中长期教育改革和发展纲要（2010-2020）》中明确提出高校应注重人才培养质量，加大教学投入，加强实验室建设，着力培养知识丰富、本领过硬的人才。强化实践教学环节，充分调动学生学习积极性和主动性，养成良好学风。机械设计基础是一门理论性、实践性和设计性均较强的机械类及近机类专业的技术基础课，对培养学生的机械设计与制造、实践应用能力等方面具有不可代替的重要作用[1]。

机械设计基础课程教学存在学生课堂参与度较低，相关概念抽象难懂，学生实践能力培养受实验、课设条件限制不宜提高等问题。虚拟仿真技术，简称VR技术，也称为虚拟现实。采用计算机图形技术、计算机仿真技术等为基础，搭建一种虚拟环境，使用户借助一定的I/O 设备，与虚拟世界中的物体实现进行交互[2]。国内外学者对VR 技术在教育领域的应用做出了许多研究。张俊等[3]采用虚拟技术搭建了机械基础实验教学平台，实现了齿轮泵、二级圆柱齿轮减速器和RV 减速器的虚拟实验教学。徐兵等[4]进行了虚拟仿真技术在数控技术课程中的应用研究，取得了较好的教学效果。Luzanin 等[5]提出了一种基于概率神经网络的手势识别系统，通过使用数据手套实现了虚拟装配与维护仿真。可见，虚拟仿真技术可将虚拟环境与实践动手结合起来，突破传统“教室”的边界，提升学生学习的主动性和便捷性，优化教学效果。

1 课程教学中存在的问题

机械设计基础课程的相关知识专业性较高，概念较抽象不直观，加之学生为初次接触，其在学习时普遍感觉吃力，理解识记困难。教师进行理论讲授时，单纯地进行概念讲授，存在教学资源不足、概念过于抽象等问题，必须辅以实验或实践教学。传统的实践教学受实验课时、授课地点等的限制，学生接触机械实物的机会少、时间短，不利于强化培养学生实践应用能力。同时实验受设备硬件条件限制，参数设置的数据点较少，相关规律展示不明显。

利用虚拟仿真技术将各种实验参数化、虚拟化，既可以使结构、规律形象直观地显示，调动学生学习的积极性、主动性。又可以把教学引入学生的手机端、电脑端，突破传统授课方式在时间、空间、硬件条件等方面的限制，增加实践环节教学时长，助力提高学生实践动手能力。

2 虚拟仿真技术在课程教学中的应用

2.1 录屏虚拟机械的拆装过程，丰富教学资源

多媒体技术利用文字、图片、视频等相结合的方式向学生演示知识点，在现代教学中发挥着不可代替的作用。机械设计基础课程需要讲授多种机构，例如齿轮机构、凸轮机构、连杆机构等的工作原理，还需讲授一些复杂机械，例如齿轮减速箱的内部结构及运动原理。传统教学方式利用简单的图片和文字解释进行授课，机构和复杂机械的内部结构不能进行直观展示，机械及机构的运动过程也不能动态地进行演示，学生对机构、机械的运动特征理解较为困难，掌握程度差，学习难度高。

可将VR 技术与多媒体技术相结合，授课前，利用VR 教学实训平台提供的录屏功能，将机构、机械的爆炸分解及其运动过程制作成实时录像。在课堂教授时播放录像，使学生可以看到机构及机械内部的详细拆装过程，并可直观观察机构、机械的运动特征，将抽象的文字描述变为更形象生动的录像观看，使学生学习难度大大降低，学习兴趣大大提升。通过录制机构、机械的爆炸拆装录像，既丰富了课程的教学资源，又将抽象概念变为直观演示，改善了枯燥抽象的教学形式，直观动态演示了机构、机械等的内部构造，便于学生理解。

2.2 虚拟与现实结合，VR 技术助力实验教学

将VR 技术用于机械设计基础课程实验教学的预习教学，依托桌面式、头盔式等多种VR 硬件设备，利用实验平台自带软件及课程资源，搭建VR 实训室，为学生提供逼真、安全的实验环境，使学生在虚拟的实验环境中，自己动手操作虚拟实训平台，360°立体直观地虚拟操作机构、机械，完成机构的运动观察和复杂机械的爆炸拆解，并发现问题，解决问题，锻炼其实践动手能力。该虚拟实验环节设置于正式实物实验之前，用作机构运动简图的绘制、减速器拆装等实验的预实验。通过增设虚拟预实验，提高了学生的学习兴趣，并使其对相关的实验内容进行简单的预习。通过虚拟预实验与实物实验相结合，调动了学生学习的积极性，提高了学生实践操作熟练程度，同时还可降低因误操作或操作不当造成实验设备的损耗。

传统机构运动简图测绘实验教学，由30 名同学共同使用一整套教学设备，全套设备共分为6 组，每组含三至四个不同的机构模型。实验时，将学生分为5 人一组，使用一组实验设备，学生只需完成自己组内机构模型的运动简图绘制。受实验设备及实验时长的影响，学生只能完成自己组内机构模型的运动简图测绘，并不能对全套30 个机构模型的结构及运动进行测绘和观察。但使用虚拟实训平台后，学生可在实训平台完成所有机构模型的结构及运动观察，极大地丰富了实验教学内容，显著地提升了实验教学效果。学生使用虚拟平台进行实验的过程如图1 所示。

图1 学生使用虚拟平台进行实验学习

2.3 利用网络虚拟实训平台，突破了传统教学的空间及时间限制

网络虚拟仿真实训平台可提供凸轮机构设计、齿轮啮合传动过程、圆柱齿轮参数计算、齿轮传动设计计算等内容。通过将凸轮、齿轮机构等参数化、虚拟化、云端化，实现了凸轮及齿轮设计从传统的教室教学到电脑端、手机端教学的突破。云端虚拟实验的教学一方面突破了传统教学在时间、空间等方面的限制，使学生可在线上随时进行凸轮、齿轮机构的设计，无形中延长了学生的实训时长，提升学习主动性。另一方面，学生可在实训平台输入多样化的齿轮机构参数，实训平台可利用图形、动画等方式将学生输入的多样化参数进行实时展示，使学生可直观观察到设计参数对齿轮机构运动的影响规律，降低了学生学习的难度。同时由于网络虚拟仿真实训平台随时对学生开放，学生还可根据自己的情况，随时在手机端或电脑端查看虚拟实训平台的其他实验模块，将网络实训学习用作理论学习的补充，真正做到理论与实践相结合，改善理论授课效果。

机械设计基础的课程设计是培养锻炼学生设计能力的重要环节。学生在进行课程设计时，由于初次进行复杂机械的设计，经验不足，可能存在诸多问题，例如初期参数选择不当，导致最终设计结果累计误差过大；初期设计计算错误未及时发现，导致课设末期需要进行设计大修但时间过短等问题。利用网络虚拟仿真实训平台，学生可在课程设计时使用齿轮传动设计模块，在平台中输入相关设计参数，自动得出相关齿轮传动设计结果，一方面可帮助其检查设计计算结果的正确性，避免学生在设计早期出现设计错误，提高课程设计的一次性成功率。另一方面，学生在设计过程中如对某些参数进行修改，后续环节的设计结果也会随之变化，更改方便快捷，提高了设计更改效率。图2 所示为学生进行课程设计的过程。

图2 学生进行课程设计的过程图

2.4 线上线下混合教学，学习过程透明化管理

机械设计基础课堂授课内容繁多复杂，单纯依靠课堂听讲，学生难以当堂全部掌握。在传统课堂授课的同时使用相关网络授课工具及虚拟仿真网络实训平台进行线上教学，采用线上、线下混合的方式进行教学，教师将授课内容发布在云端，学生可通过手机端，在相关平台自主进行相关知识的提前预习和课后复习。教师将传统纸质作业按知识点进行编辑，上传至相关平台，在平台端按时发放、收取及批改作业，最后由平台根据每个学生所有作业监测点的完成情况给出学生作业部分的综合评分，可作为学生平时成绩评定的重要依据之一。此外，线上教学平台还可实现对非主观题的自动评分，降低教师的作业批改工作量。

线上教学平台还可提供课堂实时小测、到课率统计等功能，教师可利用课堂实时小测，迅速了解学生对知识点的掌握情况，实时调整授课进度，切实做到以学生为中心，真正贯彻OBE 教学理念。同时平台会记录学生在整个线上线下混合教学过程中的各种日常状态，包括作业完成度、课堂小测完成度、到课率等。教师可通过设置各个环节的相应权重，最终由平台自动计算得出每个同学的平时成绩，形成较为客观的过程考核结果，作为学生的平时成绩。学生平时成绩生成流程如图3 所示。

图3 学生平时成绩生成流程图

3 结语

为提高高校人才培养质量，强化实践教学环节，增强实践技能培养，笔者将VR 技术在机械类人才培养中进行应用。通过将机构机械拆装、运动等的VR 录像引入理论教学，提升了学生学习的积极性；通过沉浸式虚拟实验教学锻炼学生实践动手能力，利用网络虚拟实训平台助力学生课程设计，提升了学生设计能力；通过辅以线上线下混合教学完成各教学环节全程监控，给出了较为全面客观的平时成绩。通过一系列措施，使课程学习的沉浸感明显，直观性增强，操作感强，提高了学生学习的积极性、主动性，同时为学生自学提供了便捷性，使学习突破了传统教室的界限，学生自主性提高，显著地改善了本课的教学效果。

理论和实践相结合对于机械类人才培养至关重要，高质量机械人才的培养更需要扎实的实践技能培养，而虚拟仿真实训教育作为虚拟仿真技术在高等教育领域的应用，为机械类人才的实践技能提升提供了重要的技术支撑，是高校在固有硬件条件下提升学生实践技能培养的重要方法和手段。