虛擬仿真在《機械基礎》實驗教學中的運用

摘要：而在實驗教學中如何讓學生培養更加緊貼職業技術的需要，成為目前必須面對的一個實際問題。本用虛擬實驗幫助學生認知各種機械元件和設備的結構，理解簡單的材料力學抽象概念，模擬各種傳動裝置的工作過程，讓學生自由的虛擬裝配，培養學生的實踐能力，加深學生對課程基礎理論的理解和強化。利用虛擬實驗系統具有良好的沉浸性、交互性和構想性，并能結合生活和工作實例進一步培養學生的創新能力，加強學生的感性認識。

關鍵詞：學生；實驗；裝配；虛擬仿真

中圖分類號：G423.04 文獻標識碼：A 文章編號：1002-7661（2012）09-230-01

《機械基礎》課程是職業技術院校機械類專業的一門必修主干課程，是對學生的維修能力、創新能力、工程意識進行培養訓練的一門重要的技術基礎課，對于機械類、近機類學生學習專業課程起到承上啟下的重要作用，其中大部分教學內容需要進行實驗教學。為了實現職業技術學院教育的人才培養目標，體現“教、學、作”一體化思想為指導，基以“必須夠用為度”為原則，我一直探索和研究怎樣在教學中提高學生動手的積極性和效果。通過多年實踐，積累了一下經驗，下面談談我的幾點心得。

一、傳統實驗教學存在的問題

近幾年來，教學改革的深入對學生解決實際問題的有了更高要求。傳統的實驗教學手段已經不能滿足新形勢下的教學要求，從而面臨各種各樣的問題。

1、實驗室建設費用高昂傳統的實驗教學主要依賴費用高昂的實驗設備，存在前期投入大、后期維護費用高，開展過程受時間、地點、人力、物力、財力等限制問題，致使實驗教學無法有效開展，嚴重影響教學質量。

2、教師指導難以到位有限的教師很難在有限的時間內細致地指導大批的學生，教學目標難以達到。設計性和探究性試驗更是難以開展。

3、教學目標難以落實培養動手能力、設計能力和創新能力是實驗教學的重要目標。但是目前學生主要根據實驗指導書進行驗證性實驗，脫離了實際工作環境，動手能力難以提升。針對傳統實驗教學中存在的教學方法單一，知識學習和實驗動手操作相互分離，學生缺乏學習主動性和創造性等問題。

二、虛擬仿真技術在教學中的運用的優勢

一般說來，虛擬實驗室又稱為虛擬現實（Virtual Reality），簡稱VR或稱靈境技術，實際上是一種可創建和體驗虛擬世界（Virtual World）的計算機系統。此種虛擬世界由計算機生成，可以是現

實世界的再現，亦可以是構想中的圖1

世界，用戶可借助視覺、聽覺及觸覺等多種傳感通道與虛擬世界進行自然的交互，使其系統在教學中具有三個顯著特點，如圖1所示。在虛擬實踐中學生可以完成 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，起到培養學生學習興趣、提高學生的創新能力的作用，架起了學生形成感性認識與理性認識之間的橋梁，改變了單一的理論教學形式，避免了學生形成認知困難和現有實驗設備不足的缺陷。為此，運用虛擬實驗具有以下教學優勢。

1、使學生學習更具有沉浸性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，實驗操作，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。并且還提供了可供學生裝配、操作、自有搭接的人機交互界面，為學生在沒有實物的情況下，虛擬實驗，更加深入的了解機械裝置的內部結構提供了可能；學生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。這種教學模式使學生能完全沉浸與實驗中，在教師層面上，豐富了教學形式和內容；學生層面上，增加了學生動手機會，方便學生直接形成感性認識，使課堂教學融入實踐教學，同時也大大提高了學生的學習興趣。

2、體現“教、學、做”一體化的交互性機械基礎知識是一個復雜龐大的體系，涉及我校多個專業，在實際教學過程中，由于缺少相應的資金和設備更新，導致了機械基礎在授課過程中理論與實踐的脫節，受限于條件，在實踐的操作上也缺乏縱向延續性和橫向貫穿性，從而造成了學生的學習難以直接轉化成能力；為了更加凸顯職業教育“教、學、做”一體的教學指導思想，更加緊貼裝備，緊貼專業，緊貼實際。

3、體現教學與實踐為一體的構想性為了使機械類專業的學生，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生能夠綜合地應用所學的知識解決實際問題，培養學生的實際動手操作能力。

因此，該實驗室首先考慮的是教學的實用性，使虛擬實驗室切實能應用到實際教學中，無論是演示、交互還是結構拆裝都以教學為中心，豐富了課堂教學的手段，提高了學生學習的趣味性與效率。同時教師作為教學環境中不可或缺的一個要素，在教學工作中必須不斷的充實與研究，對實驗內容及方式的設計需要存在整體構想，根據需求不斷的進行打破與重構。而采用傳統的實踐操作研究需要借助于具體的實驗設備，在實際研究中，一些實驗設備價格昂貴，損耗大，實驗成本高，財力投入大，虛擬實驗室的虛擬設備則不存在磨損、破壞、可反復使用，使教師完全可根據自身的構想不斷的更新和重組實驗內容，不再受限于實驗設備、場地的不足，徹底打破時間、空間的限制，還可以不斷的更新、補充最新前沿技術，使實驗的跟蹤性、前瞻性變得可能。