机构创新设计虚拟仿真实验教学平台建设实践

高瞻，徐向阳

（重庆交通大学 机电与车辆工程学院， 重庆）

一 引言

工科专业的特点是实践性强，在教学过程中实验环节有着举足轻重的地位和作用。在机械工程学科中，实验是重要环节。通过实验教学能验证课堂所学的理论知识，加深学生对理论知识的认知和掌握，借助实验教学可使学生不再是纸上谈兵，而是通过实操提升观察能力，动手能力，实际问题的应用能力[1-4]。进一步，除了验证性实验，要培养学生的思辨力、创造力和工程能力，还需要在基础性实验的基础上，结合多门专业基础课程，开设独立的综合创新性实验，培养学生综合应用本专业各种基本理论知识、分析工程实际问题和解决工程实际问题的实战能力。大学生实践能力的培养是当前大学生个人全面发展的需要，是培养创新人才的重要环节[5-7]。

机构搭建综合创新实验正是根据《机械设计》和《机械原理》两门专业基础课程，基于为培养新工科的创新性工程人才而开设的独立性综合实验课程。在实际实验教学开展过程中，因工程机械专业的特点，具有以下困难：1）机构搭建创新实验台架和零件种类多，运行过程中设备后期维护成本大；2）受资金和场地的限制，可采购的实验设备台套数、台架种类、零部件种类有限，无法充分满足培养学生创新性实践能力的需求；3）受教学课时的限制，难以有充足的时间供每位学生开展自主设计和创新性实验；4）实验室的优质资源难以开放共享，造成资源浪费[8-12]。如上所述，仅仅在实验室采用真实设备进行实验教学的模式存在难度，即使开展实验，也会导致学生的实操技能锻炼不够，创新性和综合性挑战不足，从而制约高素养工程人才的培养。

为解决上述问题，并针对学院培养高素养交通工程人才的特色定位，我校对于机构搭建综合创新实验进行了机构创新设计虚拟仿真实验教学平台的建设。通过虚实结合实验，完成以下几个实验阶段的逐步递进：验证型——设计型——综合型——创新型实验，由浅入深，循序渐进地开展培养交通机械类人才的教学，提高学生的通用工程实践能力及创新能力，为学生的创新创业训练计划、大学生机械创新大赛和工程训练等提供良好的创新基础能力。虚实结合的实验教学模式，能充分结合线上线下教学，提高学习效率，将学生的学习积极性调动起来，同时在线下课堂上更侧重于培养学生的思辨能力和创新能力，教学效果较单一的课堂教学有很大的提升[13-14]。

二 课程设计目标与任务

以机械专业基础课程作为理论支撑，基于信息化技术和网络技术，采用现代化的技术手段，研发机构创新设计虚拟仿真实验教学平台，设计包含一系列机构搭建的综合实验，从而创建虚实结合的实验教学模式，让实验满足创新实验课程的高阶性、创新性和挑战度。

学生可运用专业知识，基于网络平台进行通用典型机构搭建、典型交通机构搭建，以及创新性自由设计搭建，通过虚拟仿真实验掌握实验的操作过程，进一步整合所学的各门专业基础课程知识，再到实验室进行真实实操。过程中典型机构的搭建主要通过虚拟仿真课程掌握，而实验室的实操更侧重于创新型机构搭建，如此在本科生实验教学中应用基于网络的虚实结合实验教学模式，改善和提高课堂实验教学效果，并解决机构创新设计实验中因教具价格昂贵，采购零部件品种有限，实验场地有限，学时不足，设备无法多人共同实验等普遍问题[13]。

该实验项目符合国家和院校虚拟仿真实验教学建设的要求，同时也满足专业认证的创新性实验平台建设要求，达到了建立具有的高阶性、创新性和挑战度的虚拟仿真实验教学平台的目标。

三 机构创新设计虚拟实验平台的方案设计

建立机构创新设计综合实验虚实结合的实验教学模式，其实验内容包含四个部分：实验预习，虚拟仿真实验，真实实操实验和实验报告，实验模块的构成如图1 所示。

图1 机构创新设计综合实验的模块构成

机构创新设计综合实验的虚拟实验教学平台包含两项内容，即实验预习和虚拟实验。其虚拟仿真平台的设计流程如表1 所示。

表1 机构创新设计综合实验的虚拟实验教学平台设计流程

四 机构创新设计虚拟实验教学平台内容建设

机构创新设计虚拟实验教学平台结合了网络技术、信息技术和现代化技术手段，其虚拟教学平台里的零件库是基于三维建模软件Solidwork 建立的，运用软件中二维草图、旋转、拉伸、阵列等命令，结合机械制图知识建立虚拟平台的零部件模型；再应用Solidwork 的三维动画模块进行机构运动动画的制作；然后导入到3DMAX 中进行模型渲染和美化；最后将美化后的零部件以及制作的动画视频导入到Unity 软件中进行交互设计，最终得到的一款具有院校特色的交互式机构创新设计虚拟仿真教学平台。

机构创新设计虚拟实验教学平台设置制作了三个模块，分别为通用机械典型机构搭建模块、交通机械典型机构搭建模块和创新机构自由搭建模块(教学平台界面如图2)。每个模块又分为零件库和机构搭建板块，其中机构搭建板块中包含预习子块和虚拟仿真子块。

图2 机构创新设计虚拟实验教学平台界面

虚拟仿真子块模拟真实的实验场景，场景可以全景旋转。场景中有机构搭建台架，能让使用者选择需要的零部件，拖动到实验台架上组装搭建，过程中可进行场景和零部件的漫游，包含平移、旋转、缩放，也能进行视图切换等功能，实现交互式教学效果，让学生实操和真实课堂实验同样体验的机构搭建。

(一)实验预习子块

预习子块由实验目的、实验原理、实验要求、实验流程、机构原理介绍、机构二维简图、机构运动原理动画和演示组装动画构成（预习子块界面如图2 所示），主要通过文字、二维机构简图、三维立体图形和动画为学生提供实验前的预习准备，即学生可在课前通过网络平台进行线上实验预习。

学生可根据该子块加深对理论知识的认知、理解和掌握，同时自学通用机械典型机构、交通机械典型机构的二维机构简图、分析各种机构的运动原理，构件数和运动副种类、数量和相对位置关系等，进行机构自由度计算，掌握各种机构的搭建方法。

图3 预习子块界面

图4 虚拟仿真子模块

（二） 虚拟仿真子块

完成每个模块的预习项目后，可进入虚拟仿真子块操作。通用机械典型机构模块中可进行典型平面机构、典型轮系和典型空间机构的虚拟搭建；交通机械典型机构模块中可进行车辆典型机构、飞机典型机构、火车典型机构等的虚拟搭建；创新机构自由搭建模块中，可自主创新进行机构的搭建，培养学生的综合机械能力和工程能力。

在虚拟仿真子块中，建立了和真实实验室场景相同的虚拟环境。虚拟实验室中，摆放着和真实实验相同的机构虚拟搭建台架，可全景旋转察看，进而在虚拟实验过程中，根据搭建机构所需的零部件进行选择和拖动，通过一步步地搭建建立正确的机构。

五 虚实结合实验的教学质量管理

对该实验进行过程管理，并实行实验教学改革，建立虚实结合的实验教学模式。第一步，实验可通过在线网络平台进行充分的预习，让学生了解并熟悉通用典型机构和交通典型机构的原理和搭建方法；第二步，在网上进行通用典型机构和交通机械典型机构的虚拟搭建实验操作；第三步，在实验室进行通用典型机构和交通机械典型机构的真实实验操作；第四步，在网上进行自主创新机构的虚拟实验操作；第五步，在实验室进行自主创新机构的真实实验操作；第六步，完成并提交实验报告。

其中，第二步、第四步是为补充第三步、第五步在真实实验中的不足，例如实验课堂时间有限，实验教具的零件种类有限，即课堂时间和教具种类无法全面覆盖通用典型平面机构、轮系、空间机构和典型交通机构的搭建。此外，对于复杂创新机构的真实搭建，实验室现场的零部件也有所限制。因此需要利用虚拟仿真平台，先虚拟仿真通用机械和交通机械的典型机构搭建，再在课堂选择部分典型机构进行真实搭建，在课堂有限的时间内，把更多的时间用在创新机构的搭建上，提高学生的综合能力。虚拟仿真结合真实课堂，能够系统地在学生头脑里建立各种机构的关系网络图谱，让学生更全面的掌握各种基础机构，在此基础上进行创新机构设计和搭建才能游刃有余，让实验更具挑战性和综合性。

六 结语

机构创新设计虚拟实验教学平台的引入，以及虚实结合教学模式的创建，有效改善了学生的实验条件，即让学生加深了对理论知识的理解和熟悉，又与传统课堂实验互补，可以提高学生的综合专业素养，开阔学生的思维，培养学生的创新能力和动手能力，提高了实验教学质量，实验了对传统实验教学的改革。

该虚拟实验教学平台发布在重庆交通大学的虚拟仿真实验教学平台上。近2 年应用到机械学院本科大四学生的独立综合实验——《机构搭建综合创新实验》中，取得了良好的应用效果，未来会在其他工科专业中推广。实际使用中，学生可以登录线上平台进行课前预习、课前自学和课后复习，全方位了解机构创新搭建，熟悉并掌握实验过程，进行虚拟仿真。同时本虚拟仿真平台基于网络开放，可以共享给校内其它学生以及其他高校师生，实现资源共享，扩大受益人群。同时，也得到了更多用户的体验反馈，便于虚拟仿真平台的完善和改进，实现双赢的局面。