虛擬實驗室在機械課程中的作用

摘要：從學校的實踐教學背景出發，結合基于工作過程課程改革及機械基礎實驗課程的自身特點，深入分析了虛擬實驗室發展的及在課程中的作用，并就如何建設虛擬實驗室，提出建設的內容和設想。

關鍵詞：機械基礎；虛擬實驗室；作用多

中圖分類號：G420 文獻標識碼：A 文章編號：1002-7661（2012）09-213-02

《機械知識》、《機械基礎》、《液壓傳動》是我校機械類專業的多門重要的專業基礎課，與生產實際結合緊密，這些課程不僅含有大量的機械基礎知識和抽象的概念，還涉及多種工業零件，同時還包含有大量的要求學員理解的圖形與計算。而作為機械類課程教學中占有非常重要地位的“機械知識實驗教學”，由于儀器設備，配套設施，場地等實驗設備的限制以及資金等問題，與我們現有的教學需求還存在一定差距，給我們的教學造成了諸多局限。同時，為更好的滿足基于工作過程系統化的教學改革需要，在教學中要求“教、學、作”于一體，這就對學員的實際動手能力，解決、分析問題的能力提出了更高的要求。而事實上，在我們所面對的教學對象中，多數的學員文化基礎不扎實，底子較薄，在學習過程中，難以直接形成理性認識，嚴重制約了學員的學習效果，影響到后續課程的學習。因此，這就需要在教學過程中，引入豐富的教學手段，并輔以更為直觀、交互性更強的實驗設備、實驗系統來提升學員學習興趣，幫助學員形成感性認識，從而最終達成教學目的。

一般說來，對于現代化條件下的教學，需要考慮四個域，既物理域、信息域、認知域和社會域，其相互關系見圖1。而虛擬實驗室研究的系統集理論與實踐于一體，改變了單一的理論教學形式。采用動態仿真、人機交互幫助學員認知相關零部件和設備的結構、工作原理，理解各種機構運動過程和抽象概念，模擬各種機械傳動和液壓傳動的工作過程，培養學員的實際動手能力和分析、解決問題的能力。并通過結合生活和工作實例使學員加深理解、應用。力求在學時減少的前提下，提高教學質量，增加學員的學習興趣。同時為后續的專業課學習打下堅實的基礎。為此，機械基礎虛擬實驗室系統具有以下教學作用。

圖1 信息時代下教學的四個域

一、變教員主導的“說教式”課堂為學員主導的“疑問式”課堂

機械基礎虛擬實驗室是集理論、實驗與研究于一體的教研仿真系統。借助計算機的虛擬現實技術、參數化建模技術，在進行理論講授的過程中，采用動畫仿真，實驗演示，形象地說明機械基礎知識中的各種抽象概念、動態過程及工作原理（見圖2）。并且虛擬實驗系統提供可供學員裝配、操作的人機交互界面，為學員實際操作，更加深入的了解機械的內部結構提供了可能；學員可在上機實際裝配操作中，發現問題，尋找解決問題的途徑中得到鍛煉提高。這種教學模式改變了傳統的以教員主導、學員被動接受的教學弊端，在教員層面上，豐富了教學形式和內容；學員層面上，增加了學員動手機會，方便學員直接形成感性認識，使課堂教學變得生動有趣，同時也大大提高了學員的學習興趣。

圖2 仿真實驗室主界面

二、變局部、封閉的教學系統為整體、開放的教研系統

局部分析是研究的基礎，整體性分析才是研究的目標。由于機械相關知識是一個復雜龐大的體系，涉及我校多個系、專業，在我校多年的發展過程中，涉及機械知識的有關專業各自開發過一些獨立的教學課件，但這些課件缺少一定的縱向延續性和橫向貫穿性，從而造成了資源的浪費和開發的重復性；為了更加凸顯“教、學、作”一體的教學指導思想，更加緊貼裝備，緊貼專業，緊貼實際；因此虛擬實驗室可充分考慮該系統的實用性和開放性，采用動態聯編的方式，為各專業預留接口，充分實現系統的可重用、可修改和可擴充的要求。

三、變演示實踐性教學為操作實踐性教學

為了使機械類專業的學員，畢業后在任職第一線能勝任實際工作，必須在學校學習過程中加強實踐能力的培養，實踐性教學的目的就是使學員能夠綜合地應用所學的知識解決實際問題，培養學員的實際動手操作能力。

過去的機械知識實踐性教學，通常是到工廠車間進行參觀，認知各種零部件、機構，觀看各種傳動形式，這樣就具有一定的局限性，不只是時間和空間上的局限性，還缺少實際動手操作的訓練，因而限制了實踐性教學的內容，影響了教學效果。機械基礎虛擬實驗室則可以解決上述問題。虛擬實驗室系統包含兩大部分，分別是：機械基礎知識認知實驗室和工程創新與設計實驗室。學員可以進入機械基礎知識認知實驗室，認知各種零部件、液壓元件及典型產品；同時學員也可以進入工程創新與設計實驗室，在里面進行各種機構運動方案拼接組合及液壓基本回路搭接，因此它可以作為我們實踐性教學的素材庫。這種以虛擬制造環境為背景的教學模式，有利于激發學習者的觀察力、發現力、想象力、邏輯聯想力，有利于認知思維深化與發展，增強了培養分析與工程實踐能力的力度，開闊了學員的視野，極大提高了學習的趣味性與教學效率。

四、變昂貴永久型設備為節約發展型設備

實踐是機械類學員學習中的非常重要的一環，在學員的整個學習階段起著舉足輕重的作用，而傳統實踐操作需要借助于具體的實驗設備，在實際操作中，一些實驗設備價格昂貴，損耗大，實驗成本高，財力投入大，而機械基礎虛擬實驗室系統中的虛擬設備不存在磨損、破壞、可反復使用、反復拆裝。因此可以節約教學資源、彌補實驗設備、場地的不足，徹底打破時間、空間的限制，教學方式靈活，實驗自主性強。同時，由于武器裝備的不斷更新換代，以往而用于實驗教學的不少設備處于淘汰行列，不能滿足于教學的需要。本實驗室中的虛擬設備和儀器則緊跟實際教學需要，緊貼實際工作實例，同時它還可以不斷的更新、補充最新前沿技術，即能滿足教學要求，又能提高辦學效益。

五、應用前景展望

虛擬實驗室的實驗環境、實驗對象、實驗過程是可創造、可重復、可再生的，與實驗室相比，可節省大量人力、物力和財力，并能實現教學資源的充分共享，促進教學資源的開發與建設。

機械工程虛擬實驗室注重實驗操作的交互性和實驗結果的仿真性，學員可以全面了解機械原理、機械零件以及實驗設備的工作原理以及實驗目的等內容，可以完成實驗操作，所取得的實驗結果等效于甚至優于真實環境中所取得的結果，起到培養學員學習興趣、提高學員的創新能力的作用。

依托校園網或軍網均可完成機械工程虛擬實驗室提供的實驗項目，突破了時間和空間的限制，為學員的自主學習、部隊的干部戰士繼續教育和軍隊的工程技術人員的再學習、研究提供了條件，為開展遠程教學提供了平臺。

參考文獻

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（上接212頁）面積推導印象十分深刻，

教師在使用教材時要根據學生的實際，通過多種方式呈現教材，引導學生把靜態的知識結論建立在動態的思考之上，把抽象的數學概念、規則建立在形象的感知之上，將教材內容生活化、動態化、情境化、形象化，以使學生體驗知識的發生和發展過程。

三、適當補充，使教材內容更加全面完整

做為教師，我們要尊重教材，但是不能“唯教材，要創造性的的使用教材，要依據學生的自身情況，突出個性化。在使用教材的過程中，要依據學生的自身情況而定，這是創造性地使用教材的核心。每位學生的基礎不同，對問題的看法也有所不同。真正的數學課堂，是不受“結論”束縛的，不受預定“程序”干擾的，在處理教材時，要尊重學生的理解，不能只用教材上的方法，有時學生想到的方法不一定是最優的，但可能是最適合他的。

例如：四下“三角形、梯形面積”公式推導中，教材都是采用以舊引新的方法，利用兩個完全一樣的三角形（或梯形）經過旋轉，拼成一個平行四邊形，從而得出三角形（或梯形）面積是和它等底等底高的平行四邊形面積的一半。很多教師根據教材上出示的方法來教學，都會在課前讓學生準備兩個完全一樣的三角形（或梯形），學生所準備材料的影響，大都會用教材中的方法順利的得出公式。但這樣的教學缺少變化，不利于學生思維的發展。

對于教材較單一的方法，教師可以對本節課教學內容進行適當的補充：以小組合作的形式來推導公式，（每個小組有一個平行四邊形，一個直角三角形，一個等腰三角形，一個鈍角三角形和1個銳角三角形）學生在材料限制的情況下，能開動腦筋，積極思考，會想出課本以外的其它方法：

1、將一個平行四邊形沿對角線剪開，然后重合證實兩個三角形完全一樣，恢復原樣之后，學生容易發現平行四邊形的底和高同三角形底和高的關系，從而順利地推出三角形面積的計算公式。

2、把一個等腰三角形沿著底邊上的高，從中間剪開成兩個三角形拼成一個長方形。 拼成的長方形的長就是原三角形的高，長方形的寬是原三角形的底邊的一半。所以長方形面積=底×高÷2也就是三角形的面積。所以三角形面積=底×高÷2

3、把一個直角三角形的一條高對折后剪開，把剪下的小三角形補在一邊，拼成長方形。

4、把一個三角形沿著兩邊的中點對折，然后把兩邊多余部分往里折，折成一個2層的長方形。折成的長方形的長是原三角形底邊的一半，寬也是原三角高的一半，所以長方形面積=底÷2×高÷2。而這樣的長方形有2個，所以三角形面積=底÷2×高÷2×2，變形后得：三角形面積=底×高÷2

新課標要求教師“要根據學生的具體情況，對教材再加工，有創造地設計教學過程。也就是提倡從“教教材”變為“用教材教”。講究要把教材用好、用活。這樣的設計更有利于調動學生學習的主動性和積極性，更適合學生自主、合作、探索的方式學習，更有利于培養學生的探索意識和創新精神。也為后面推導梯形的面積和圓的面積打下了好的基礎，在下面幾個圖形的面積推導公式中學生就不會只局限于教材的方法。

我國著名的教育家葉圣陶先生曾經說：“教材只能作為教課的依據，要教好，使學生受益，還要老師的善于運用。”教材是實施教學的工具，而不是惟一的標準。這就要求我們要立足新課標，以學生發展為本，全面研讀教材，認真按教材的編寫意圖，大膽進行處理。只有這樣，才能使教材“唯我所用”，而不是教師上課的唯一標準。這樣才能使我們的課堂能更好的發揮學生學習的主動性，更好的啟迪學生的思維，使我們的課堂教學更有實效。