機(jī)械工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的研究與實(shí)踐

蒙艷玫， 唐治宏， 董　振， 陸冠成， 李先旺， 梁　策

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 廣西 南寧　530004)

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機(jī)械工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的研究與實(shí)踐

蒙艷玫， 唐治宏， 董振， 陸冠成， 李先旺， 梁策

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 廣西 南寧530004)

構(gòu)建了廣西大學(xué)具有地方性綜合大學(xué)鮮明特色的層次化、模塊化、虛實(shí)結(jié)合的開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，該體系以實(shí)驗(yàn)獨(dú)立設(shè)課為主線，涵蓋機(jī)械工程本科教育全過程。通過將科研成果轉(zhuǎn)化、自主研發(fā)和聯(lián)合研發(fā)，建立了必修與選修實(shí)驗(yàn)相結(jié)合、課內(nèi)和課外相結(jié)合的開放性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，建設(shè)了產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的學(xué)生課外實(shí)踐和科技創(chuàng)新平臺(tái)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系已成為廣西大學(xué)教學(xué)體系不可或缺的部分，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐相結(jié)合、實(shí)踐與創(chuàng)新相結(jié)合、課內(nèi)與課外相結(jié)合、學(xué)校與社會(huì)相結(jié)合。

虛擬仿真； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系； 機(jī)械工程專業(yè)

1　虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)成和建設(shè)原則

傳統(tǒng)的機(jī)械類實(shí)驗(yàn)教學(xué)依附于理論課程，是理論教學(xué)的輔助教學(xué)形式，實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)主要是驗(yàn)證理論知識(shí)、讓學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，學(xué)生是被動(dòng)地參與，而不是積極主動(dòng)地探究。實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中各門課程的實(shí)驗(yàn)往往都是孤立的，忽略了實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系，缺乏各學(xué)科知識(shí)的關(guān)聯(lián)性、交互性和系統(tǒng)性。此外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)受到設(shè)備、場(chǎng)地、師資等條件的限制，特別是涉及高危或極端環(huán)境、高成本、高消耗的大型或綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要完全依賴于實(shí)體設(shè)備，制約了學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[1-2]。

針對(duì)以上問題，廣西大學(xué)機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心進(jìn)行了深入的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，構(gòu)建了以實(shí)驗(yàn)獨(dú)立設(shè)課為主線，涵蓋機(jī)械工程專業(yè)本科教育全過程的層次化、模塊化的開放式實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)體系，解決了同一專業(yè)的各門實(shí)驗(yàn)課分散、孤立且多有重復(fù)，缺乏關(guān)聯(lián)性和系統(tǒng)性的突出問題，使它們既與理論課程體系有機(jī)結(jié)合，又相對(duì)獨(dú)立[2-3]。

教學(xué)體系中每個(gè)課程實(shí)驗(yàn)?zāi)K為一門獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)課，單獨(dú)考核和計(jì)算學(xué)分；學(xué)生課外實(shí)踐和科技創(chuàng)新模塊通過基于項(xiàng)目總線(projectbus)驅(qū)動(dòng)的本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式，鼓勵(lì)學(xué)生參與教師的科研項(xiàng)目和企業(yè)委托項(xiàng)目。本科生從大二年級(jí)開始到畢業(yè)設(shè)計(jì)，自主立項(xiàng)并參加指導(dǎo)教師的實(shí)驗(yàn)技能項(xiàng)目，中心提供給學(xué)生完全開放的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐學(xué)習(xí)環(huán)境。此項(xiàng)改革分別獲得了2009年廣西優(yōu)秀教學(xué)成果二等獎(jiǎng)和2012年廣西優(yōu)秀教學(xué)成果一等獎(jiǎng)。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的過程中，中心積極引入現(xiàn)代化教學(xué)手段，將基于互聯(lián)網(wǎng)的開放環(huán)境與傳統(tǒng)的基于硬件操作的實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，建設(shè)了與實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)彌補(bǔ)了實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)受設(shè)備、場(chǎng)地、師資限制的缺點(diǎn)和進(jìn)行高成本、高消耗、大型綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的困難，極大地提升了中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。鮮明的改革特色使廣西大學(xué)機(jī)械工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心被評(píng)為2014年國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)置與開發(fā)遵循“系統(tǒng)性、層次性、工程性、交互性”和“以實(shí)為本、虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛”的原則。一是綜合運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)以及網(wǎng)絡(luò)通信等先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建緊密聯(lián)系工程實(shí)際的、逼真的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果，使學(xué)生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中進(jìn)行高效、安全且經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)；二是提高優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的使用效率和受益面，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共建共享，提高資源的利用率[4-7]；三是推動(dòng)科研成果向本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)移植和轉(zhuǎn)化，推動(dòng)工程實(shí)踐與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心服務(wù)社會(huì)的功能，擴(kuò)大影響力；四是要與機(jī)械工程實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、互依共存，形成系統(tǒng)性、層次化、模塊化、虛實(shí)結(jié)合的開放式機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)教學(xué)新模式。

2　虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建

獨(dú)立設(shè)課的開放式實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)體系的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，包括基于硬件操作的實(shí)驗(yàn)教學(xué)、基于虛擬現(xiàn)實(shí)的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)(含網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn))教學(xué)兩大部分，其中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系由與實(shí)體實(shí)驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、互依共存4個(gè)平臺(tái)、9個(gè)教學(xué)模塊組成(見圖1)。

圖1　虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

每個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊獨(dú)立考核和計(jì)算學(xué)分，每個(gè)模塊根據(jù)不同專業(yè)對(duì)象的需要，除了基本必修實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目外，還提供大量綜合性、設(shè)計(jì)性和研究性的選修實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在完成必修實(shí)驗(yàn)+選修實(shí)驗(yàn)課時(shí)的學(xué)習(xí)并經(jīng)過考核合格后可獲得學(xué)分。課程分為A、B、C三檔：A檔為基本必修實(shí)驗(yàn)，B檔為A+綜合性、設(shè)計(jì)性選修實(shí)驗(yàn)，C檔為A+B+研究性選修實(shí)驗(yàn)。每學(xué)期，各個(gè)模塊的實(shí)驗(yàn)均循環(huán)滾動(dòng)開出，方便學(xué)生選修、重修及第二學(xué)位的選修。

2.1機(jī)械制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

機(jī)械制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)涵蓋了“金工實(shí)訓(xùn)”、“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”、“先進(jìn)制造技術(shù)”、“計(jì)算機(jī)集成制造”、“特種加工技術(shù)”和“機(jī)械CAD/CAM”、“數(shù)控原理”、“數(shù)控編程”等基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，在機(jī)械工程開放性教學(xué)體系中劃分為“金工實(shí)訓(xùn)”、“現(xiàn)代加工實(shí)驗(yàn)技術(shù)”和“機(jī)械CAD/CAM及數(shù)控技術(shù)”3個(gè)教學(xué)模塊，3門實(shí)驗(yàn)獨(dú)立設(shè)課。在中心的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)、虛擬制造系統(tǒng)等軟硬件環(huán)境中，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目從基礎(chǔ)型、綜合設(shè)計(jì)型、研究型3個(gè)層次進(jìn)行搭建。

(1) 基礎(chǔ)性金工虛擬實(shí)訓(xùn)比傳統(tǒng)的校內(nèi)外實(shí)體實(shí)訓(xùn)有著自身的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，全真模擬數(shù)字化加工車間的工作環(huán)境、工作步驟和工作內(nèi)容，使學(xué)生通過完全沉浸式的職業(yè)角色扮演，真實(shí)地體驗(yàn)各個(gè)職業(yè)崗位，了解設(shè)備原理和工作過程，熟悉了工作步驟、工作內(nèi)容，并學(xué)習(xí)訓(xùn)練相關(guān)工作技能。

(2) “現(xiàn)代加工虛擬仿真技術(shù)”是在學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)代制造設(shè)備、技術(shù)和工藝過程，了解零件加工要求、精度等質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)方法的同時(shí)，以更全面、更系統(tǒng)的形式構(gòu)建了面向新型制造模式的先進(jìn)制造技術(shù)的學(xué)習(xí)，以生產(chǎn)解決方案為主線，將 “機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”、“先進(jìn)制造技術(shù)”、“計(jì)算機(jī)集成制造”、“特種加工技術(shù)”“生產(chǎn)信息化技術(shù)”等緊密結(jié)合的系列專業(yè)課程群知識(shí)點(diǎn)貫穿其中，構(gòu)建完整的現(xiàn)代制造模擬流程和虛擬訓(xùn)練過程，給學(xué)生創(chuàng)造了適應(yīng)多品種、小批量生產(chǎn)模式的生產(chǎn)組織與決策、技術(shù)應(yīng)用與開發(fā)創(chuàng)新、信息管理與集成的現(xiàn)代制造工程虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容[2,8]。

(3) 機(jī)械類專業(yè)學(xué)生的核心能力是機(jī)械CAD/CAM/CNC技術(shù)應(yīng)用能力，該能力是通過機(jī)械CAD設(shè)計(jì)—機(jī)械CAD/CAM實(shí)訓(xùn)—數(shù)控技術(shù)實(shí)訓(xùn)、實(shí)習(xí)—畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)來逐步形成的。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)針對(duì)解決一個(gè)實(shí)際問題，設(shè)計(jì)出總體方案，實(shí)施其全過程。實(shí)踐教學(xué)借助于三維大型CAD軟件和數(shù)控加工中心和三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x等大型硬件設(shè)備、中心教師的科研教學(xué)成果、以及自主研發(fā)的車銑鉆CAD/CAM一體化系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)化開放式數(shù)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和設(shè)計(jì)開發(fā)綜合平臺(tái)，采用虛實(shí)結(jié)合的方式，構(gòu)建了一個(gè)全開放的機(jī)械CAD/CAM一體化、現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)綜合教學(xué)平臺(tái)[2,9-10]。

2.2機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的教學(xué)內(nèi)容包括“機(jī)械制圖”、“計(jì)算機(jī)繪圖”、“機(jī)械零件與原理”、“機(jī)械設(shè)計(jì)”等基礎(chǔ)課程整合的“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”；“計(jì)算機(jī)輔助工程”、“虛擬樣機(jī)技術(shù)”等專業(yè)課程整合的“虛擬樣機(jī)實(shí)驗(yàn)技術(shù)”。教學(xué)模塊的實(shí)驗(yàn)通過基礎(chǔ)型、綜合設(shè)計(jì)型、研究創(chuàng)新型3個(gè)層次進(jìn)行規(guī)劃。

(1) 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過二維、三維軟件學(xué)習(xí)，熟悉典型零件的計(jì)算機(jī)繪圖、零部件設(shè)計(jì)，在虛擬環(huán)境中觀察典型零部件的組成和運(yùn)動(dòng)情況，以齒輪泵和減速箱為例學(xué)習(xí)零部件測(cè)繪和虛擬裝配等。通過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生既有很強(qiáng)的感性認(rèn)識(shí)，又鍛煉了設(shè)計(jì)能力，為基于想象的開放性創(chuàng)意設(shè)計(jì)提供了虛擬實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)，拓展了學(xué)生的創(chuàng)造空間，使他們獲得機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)械方案設(shè)計(jì)和創(chuàng)新實(shí)踐的思維方式。

(2) 虛擬樣機(jī)實(shí)驗(yàn)技術(shù)。該實(shí)驗(yàn)課通過在計(jì)算機(jī)上構(gòu)造能夠反映產(chǎn)品特性的數(shù)字化模型，模擬在真實(shí)環(huán)境下系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性，并根據(jù)仿真結(jié)果精簡(jiǎn)和優(yōu)化系統(tǒng)，完成物理樣機(jī)無法完成的虛擬實(shí)驗(yàn)，從而無需制造物理樣機(jī)就可獲得產(chǎn)品級(jí)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。該實(shí)驗(yàn)?zāi)K通過對(duì)大型CAD軟件和工程分析軟件ANSYS、ADMAS建模仿真分析，經(jīng)ENSING三維可視化軟件在虛擬現(xiàn)實(shí)硬件平臺(tái)展示產(chǎn)品設(shè)計(jì)分析的結(jié)果，掌握在高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的先進(jìn)數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，能極大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新思維。

虛擬樣機(jī)技術(shù)集成了可運(yùn)行的虛擬仿真創(chuàng)新設(shè)計(jì)環(huán)境，包括各種仿真工具、分析工具、控制工具、設(shè)備和組織協(xié)同工作的方法等，可以改善從產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)到動(dòng)態(tài)仿真再到整機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的各個(gè)階段。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)可以建立零件模型、進(jìn)行虛擬裝配、檢查零部件的裝配間隙和干涉，應(yīng)用分析軟件對(duì)樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真并對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行校核和計(jì)算，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，方便地更改模型，從而提高設(shè)計(jì)效率、縮短設(shè)計(jì)周期、降低生產(chǎn)成本。

在教學(xué)過程中提倡以機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)需求為主導(dǎo)的學(xué)習(xí)思想，并根據(jù)基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程的具體要求，注重對(duì)虛擬建模、運(yùn)動(dòng)仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)等各個(gè)階段的綜合培訓(xùn)，結(jié)合學(xué)生課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)以及課外實(shí)驗(yàn)技能項(xiàng)目、參與教師科研項(xiàng)目和學(xué)科競(jìng)賽等課外實(shí)踐環(huán)節(jié)，以漸進(jìn)和知識(shí)構(gòu)建的思路組織自主實(shí)踐內(nèi)容，促使學(xué)生在不同階段自主學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)，有效提高機(jī)械類本科生創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐能力。

2.3機(jī)械電子網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

機(jī)械電子網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)由“電工電子技術(shù)”和“機(jī)電系統(tǒng)分析與測(cè)控”兩個(gè)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊組成。

(1) 電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊涵蓋了“電工技術(shù)”和“電子技術(shù)”基礎(chǔ)課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，具有遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、虛擬實(shí)驗(yàn)智能指導(dǎo)和提交實(shí)驗(yàn)結(jié)果后自動(dòng)評(píng)定實(shí)驗(yàn)成績(jī)與效果的功能，實(shí)驗(yàn)過程智能指導(dǎo)，可以監(jiān)控學(xué)習(xí)者的實(shí)驗(yàn)過程。當(dāng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中遇到問題時(shí)，可以通過該系統(tǒng)尋求指導(dǎo)教師的幫助，系統(tǒng)也可以主動(dòng)對(duì)學(xué)生的不當(dāng)實(shí)驗(yàn)操作給予提示，避免發(fā)生錯(cuò)誤。學(xué)生或教師可以直接對(duì)系統(tǒng)提問，系統(tǒng)會(huì)反饋相關(guān)的知識(shí)信息；學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)、提交實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，自動(dòng)批改功能可以獲取學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，將有用信息提交給評(píng)價(jià)推理機(jī)。評(píng)價(jià)推理機(jī)利用教師在知識(shí)庫(kù)中預(yù)先錄入的樣例對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果信息進(jìn)行鑒別，根據(jù)匹配樣例和批改規(guī)則對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行推理分析，最后給出該實(shí)驗(yàn)成績(jī)并反饋給實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、呈現(xiàn)給學(xué)生，成績(jī)和相關(guān)信息將匯總到成績(jī)管理模塊。

(2) 機(jī)電系統(tǒng)分析與測(cè)控遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊涵蓋了“機(jī)械控制工程基礎(chǔ)”、“機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)”、“電液控制工程”3門課程的虛擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)以當(dāng)代大型工程測(cè)控應(yīng)用軟件Matlab和LabVIEW為開發(fā)工具，結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，開發(fā)了虛實(shí)結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程測(cè)控實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。平臺(tái)基于遠(yuǎn)程仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開放接口，具有遠(yuǎn)程開發(fā)性的架構(gòu)，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于萬(wàn)維網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備共享，推進(jìn)建設(shè)虛擬仿真大實(shí)驗(yàn)室的進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)了24小時(shí)完全開放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程測(cè)控綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)是一個(gè)綜合了傳感技術(shù)、控制技術(shù)、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)處理和計(jì)算機(jī)技術(shù)的平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以虛擬儀器理念為基礎(chǔ)，以實(shí)驗(yàn)對(duì)象虛實(shí)相結(jié)合為主線，以實(shí)驗(yàn)對(duì)象共享和復(fù)用為目標(biāo)，有效解決了測(cè)控實(shí)驗(yàn)對(duì)象設(shè)備龐大、成本高、易受場(chǎng)地限制和難以在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)現(xiàn)等問題，并將實(shí)驗(yàn)對(duì)象參數(shù)化和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)化，以逼近現(xiàn)實(shí)過程測(cè)控。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不但可以將真實(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)融入平臺(tái)并進(jìn)行分析與處理，而且還可以作為遠(yuǎn)程仿真分析和遠(yuǎn)程控制的綜合平臺(tái)，為培養(yǎng)面向工程實(shí)際的應(yīng)用人才奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.4學(xué)生課外實(shí)踐和科技創(chuàng)新虛擬仿真平臺(tái)

學(xué)生課外實(shí)踐和科技創(chuàng)新平臺(tái)利用網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件、網(wǎng)絡(luò)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及開放實(shí)驗(yàn)室資源，提供一個(gè)全開放的自主學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。學(xué)生課外實(shí)踐和科技創(chuàng)新模塊通過基于項(xiàng)目總線(projectbus)驅(qū)動(dòng)的本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式，鼓勵(lì)學(xué)生參與教師的科研項(xiàng)目和企業(yè)委托項(xiàng)目，學(xué)生從大二開始到畢業(yè)設(shè)計(jì)，也可以自主申請(qǐng)與立項(xiàng)實(shí)驗(yàn)技能項(xiàng)目，從課內(nèi)到課外為學(xué)生提供完全開放的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐學(xué)習(xí)環(huán)境。

通過公共基礎(chǔ)、專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課外實(shí)踐和科技創(chuàng)新活動(dòng)，使學(xué)生從入學(xué)到畢業(yè)各個(gè)階段都能得到嚴(yán)格、良好的實(shí)踐訓(xùn)練。同時(shí)，根據(jù)專業(yè)類型和學(xué)生的需求設(shè)置基本型實(shí)驗(yàn)、提高型實(shí)驗(yàn)和科技創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，把研究型教學(xué)思想貫穿實(shí)驗(yàn)教學(xué)的始終，使學(xué)生獲得創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

中心經(jīng)過十幾年的探索，構(gòu)建了以實(shí)驗(yàn)獨(dú)立設(shè)課為主線的開放性、層次化、模塊化的虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式。該模式是虛擬仿真條件下工學(xué)結(jié)合的教學(xué)模式，在機(jī)械設(shè)計(jì)、產(chǎn)品開發(fā)、加工制造等各環(huán)節(jié)，恰當(dāng)?shù)剡M(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，做到虛實(shí)結(jié)合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，使課堂教學(xué)、虛擬仿真、實(shí)際操作三位一體，創(chuàng)建了學(xué)習(xí)的最佳環(huán)境和情境，實(shí)現(xiàn)了學(xué)習(xí)活動(dòng)與生產(chǎn)實(shí)踐的有機(jī)融合、課堂教學(xué)過程與虛擬生產(chǎn)過程對(duì)接。

3　結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真技術(shù)在機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)得到了充分的體現(xiàn)。

(1) 機(jī)械工程實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式需要投入大量的設(shè)備和場(chǎng)地，耗工耗料。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)利用計(jì)算機(jī)完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開發(fā)的構(gòu)想，實(shí)現(xiàn)虛擬制造和樣機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)分析，節(jié)省了大量人力、財(cái)力和時(shí)間。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中反復(fù)學(xué)習(xí)，充分發(fā)揮創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維。通過數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，拉近機(jī)械工程教學(xué)與產(chǎn)業(yè)實(shí)際的距離。通過虛擬制造，使學(xué)生對(duì)機(jī)械工程有更為清晰的認(rèn)識(shí)，產(chǎn)業(yè)適應(yīng)能力增強(qiáng)。

(2) 基于虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)形式，將實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生理解和掌握知識(shí)，促進(jìn)知識(shí)的轉(zhuǎn)化和拓展，提高學(xué)生綜合專業(yè)能力。通過貼近機(jī)械工程的仿真實(shí)驗(yàn)，也使學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力得到的全面的提高。

實(shí)驗(yàn)中心從建立新型的學(xué)習(xí)環(huán)境入手，圍繞學(xué)校的機(jī)械工程復(fù)合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃，集成自主研發(fā)和聯(lián)合研發(fā)的開放式網(wǎng)絡(luò)化機(jī)械CAD/CAM/CNC軟件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、制造過程仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、虛擬裝配系統(tǒng)、數(shù)字化工廠仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，建設(shè)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、互依共存的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，以此形成一個(gè)虛實(shí)結(jié)合的開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，大量極具創(chuàng)新和個(gè)性化的開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目強(qiáng)化了學(xué)生的動(dòng)手能力和工程實(shí)踐能力，全面提升了學(xué)生在機(jī)械工程技術(shù)方面的綜合素質(zhì)。近5年來，學(xué)生立項(xiàng)創(chuàng)新實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)技能項(xiàng)目147項(xiàng)，申請(qǐng)專利94項(xiàng)，在各類創(chuàng)意、創(chuàng)新大賽中獲得獎(jiǎng)項(xiàng)120項(xiàng)。廣西多家龍頭制造企業(yè)對(duì)廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)生的評(píng)價(jià)是基礎(chǔ)扎實(shí)、動(dòng)手能力強(qiáng)、能吃苦、定位好，充分證明了虛實(shí)結(jié)合的開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)模式改革取得了實(shí)效。

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Researchandpracticeofvirtualsimulationexperimentalteachingsysteminmechanicalengineering

MengYanmei,TangZhihong,DongZhen,LuGuancheng,LiXianwang,LiangCe

(CollegeofMechanicalEngineering,GuangxiUniversity,Nanning530004,China)

Anopenexperimentalteachingsystembasedonindependentdesignedexperimentisresearchedandconstructed,whichincludeshierarchicalandmodulardesigninthewholeprocessofundergraduateeducationformechanicalengineering.Throughthewayofscientificresearchresultstransformation,independentdevelopmentandjointdevelopment,openvirtualsimulationexperimentalteachingcontentsareconstructed,whichcombinecompulsoryandelectiveexperiments.Theconstructionof“School-EnterpriseCooperation”students’scientificandtechnicalinnovationplatform,realizesthecombinationoftheoryandpractice,practiceandinnovation,teachingandextracurricular,schoolandsocialcombination,whichwillbecomeanindispensablepartofteachingsystem.

virtualsimulation;experimentalteachingsystem;mechanicalengineeringspecialty

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.028

2015- 11- 30

國(guó)家級(jí)廣西大學(xué)機(jī)械工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心(教高廳函[2015]3號(hào))；新世紀(jì)廣西高等教育教學(xué)改革工程資助項(xiàng)目(2015JGA124)

蒙艷玫(1963—)，女，廣西南寧，博士，教授，博士生導(dǎo)師，國(guó)家級(jí)廣西大學(xué)機(jī)械工程虛擬仿真中心主任，主要研究方向?yàn)樘摂M樣機(jī)技術(shù)、機(jī)電系統(tǒng)智能檢測(cè)與控制技術(shù).

E-mail：gxu_mengyun@163.com

G642

A

1002-4956(2016)5- 0109- 04