分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在機(jī)械教學(xué)中的應(yīng)用

孫輝

[摘要]在高校機(jī)械教學(xué)中，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對學(xué)生的實(shí)踐能力培養(yǎng)具有重要意義，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)是高校信息化水平的重要衡量指標(biāo)。以高校機(jī)械教學(xué)入手，分析高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在機(jī)械教學(xué)中的實(shí)際運(yùn)用，并提出完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的相關(guān)策略，以期為推動高校機(jī)械教學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供參考性建議。

[關(guān)鍵詞]機(jī)械教學(xué);虛擬仿真實(shí)驗(yàn);虛擬實(shí)驗(yàn)室

[中圖分類號]? G712??????????? ??????? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A???????? ?????? [文章編號]? 2096-0603（2018）36-0177-01

機(jī)械教學(xué)作為高校工科專業(yè)的重要專業(yè)，具備理論性與實(shí)踐性相結(jié)合的特點(diǎn)。因此，開設(shè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)檢驗(yàn)學(xué)生對知識的掌握程度、培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，全面提升學(xué)生專業(yè)能力具有重要意義。隨我我國高校教學(xué)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室不能滿足高校機(jī)械教學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，因此，建設(shè)虛虛擬實(shí)驗(yàn)室，開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是高校機(jī)械教學(xué)發(fā)展的趨勢。目前，我國機(jī)械教學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)尚不完善，高校虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在高校機(jī)械教學(xué)中的實(shí)際運(yùn)用及如何完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系是當(dāng)前高校機(jī)械教學(xué)的重要課題。

一、高校機(jī)械教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室開發(fā)現(xiàn)狀

當(dāng)前我國高校機(jī)械教學(xué)對實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)，主要有機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、金相技術(shù)與熱處理、金屬材料力學(xué)、數(shù)控技術(shù)、液壓與氣壓技術(shù)、機(jī)構(gòu)創(chuàng)新綜合等實(shí)驗(yàn)室，承擔(dān)機(jī)械工程教學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)、學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目、教師課題研究及畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)任務(wù)，對機(jī)械教學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要意義。我國高校實(shí)驗(yàn)室開發(fā)普遍存在的現(xiàn)狀是實(shí)驗(yàn)室開發(fā)以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室為主，操作方式以傳統(tǒng)實(shí)物操作為主，在發(fā)揮其作用的同時也存在許多不足。一方面，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中利用實(shí)物操作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式不能滿足當(dāng)前紅河學(xué)院的實(shí)驗(yàn)教學(xué)、學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目要求;另一方面，部分實(shí)驗(yàn)室存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備老舊損壞和實(shí)驗(yàn)設(shè)備短缺的問題，不利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展。針對機(jī)械教學(xué)實(shí)驗(yàn)室存在的問題，應(yīng)有效利用現(xiàn)有條件，將虛擬仿真技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，著重開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)室，對部分典型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行試點(diǎn)改革。其中，進(jìn)行試點(diǎn)改革的典型實(shí)驗(yàn)主要有機(jī)械常見機(jī)構(gòu)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖測繪實(shí)驗(yàn)、機(jī)械加工分析實(shí)驗(yàn)等。通過對部分典型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行試點(diǎn)改革的調(diào)查來看，取得了良好的教學(xué)效果，能有效滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，同時有效解決了部分傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)設(shè)備老舊破損和短缺問題。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在機(jī)械教學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用

（一）機(jī)械常見機(jī)構(gòu)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)

機(jī)械常見機(jī)構(gòu)認(rèn)知主要是針對機(jī)械常見機(jī)構(gòu)，如連桿機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、組合機(jī)構(gòu)、運(yùn)動機(jī)構(gòu)的類型和運(yùn)動情況進(jìn)行觀察，對機(jī)械的基本要素進(jìn)行掌握。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中，主要是通過參觀機(jī)械示教陳列柜中的機(jī)械常見結(jié)構(gòu)，對其進(jìn)行觀察和掌握，但示教陳列柜所陳列的機(jī)械常見機(jī)構(gòu)種類不齊全、更新不及時，導(dǎo)致傳統(tǒng)的教學(xué)方法較為落后。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在機(jī)械教學(xué)中的應(yīng)用中，開發(fā)機(jī)械常見機(jī)構(gòu)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)教學(xué)，利用互聯(lián)網(wǎng)軟件建立機(jī)械常見機(jī)構(gòu)的三維模型，并模擬其裝配過程和運(yùn)動情況，有效解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室在機(jī)械教學(xué)中存在的問題，并提高了學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)積極性。

（二）機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖測繪實(shí)驗(yàn)

機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖測繪實(shí)驗(yàn)的教學(xué)要求是要求學(xué)生熟練掌握機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的測繪方法。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中，主要是通過觀察機(jī)械運(yùn)動情況進(jìn)行測繪。但由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室部分設(shè)備老舊，且存在設(shè)備缺損問題，開展機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖測繪實(shí)驗(yàn)難度大，測繪結(jié)果誤差大。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，通過開發(fā)機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖測繪系統(tǒng)，利用互聯(lián)網(wǎng)軟件建立機(jī)構(gòu)的三維模型，并仿真模擬其運(yùn)動情況，通過增加測繪功能，逐步播放機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程，進(jìn)行有效測繪。可通過在仿真實(shí)驗(yàn)室下進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖測繪實(shí)驗(yàn)，能直觀地反映機(jī)構(gòu)運(yùn)動規(guī)律和過程，增強(qiáng)學(xué)生對機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的理解。

（三）機(jī)械加工分析實(shí)驗(yàn)

機(jī)械加工分析實(shí)驗(yàn)的教學(xué)要求主要是鞏固學(xué)生的統(tǒng)計(jì)分析學(xué)理論知識，使學(xué)生熟練掌握統(tǒng)計(jì)分析法并利用統(tǒng)計(jì)分析法判斷問題。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法主要是在實(shí)驗(yàn)室中通過在機(jī)床上進(jìn)行機(jī)械零件加工，得到一定基數(shù)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。傳統(tǒng)試驗(yàn)方法耗時長、成本高、誤差較大、整體實(shí)驗(yàn)效率較低、整體實(shí)驗(yàn)效果不理想。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行機(jī)械加工分析，利用虛擬仿真加工生成數(shù)據(jù)基數(shù)，得到樣本數(shù)據(jù)，進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)。該方法主要有兩種形式，一是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)輸入;二是通過模擬仿真加工自動生成樣本數(shù)據(jù)。該方法相較于傳統(tǒng)試驗(yàn)方法的優(yōu)勢有兩點(diǎn)：一是降低耗時、降低成本，有效提升實(shí)驗(yàn)效率;二是樣本數(shù)據(jù)受其他因素的影響較小，可靠性高，得到的分析結(jié)果準(zhǔn)確性高。

三、完善虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)體系的策略

當(dāng)前，高校實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)狀和高校機(jī)械教學(xué)對實(shí)驗(yàn)室的要求不相匹配，完善虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)體系，能有效提高高校機(jī)械教學(xué)教學(xué)效果，促進(jìn)學(xué)生的綜合素質(zhì)發(fā)展。以現(xiàn)有資源位依托開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，高校在完善虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)體系時，應(yīng)當(dāng)充分利用現(xiàn)有資源，一方面是軟硬件基礎(chǔ)，充分利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室的軟硬件進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)室開發(fā);另一方面是充分發(fā)揮高校在計(jì)算機(jī)技術(shù)方面的優(yōu)勢，進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)。

綜上所述，當(dāng)前我國高校機(jī)械教學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的發(fā)展程度較低，現(xiàn)狀不容樂觀。通過對部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)際教學(xué)中的應(yīng)用效果來看，能有效解決高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題，有效提升教學(xué)效果。因此，高校要充分重視虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在機(jī)械教學(xué)中的應(yīng)用，致力于完善虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)體系。通過充分發(fā)揮高校的資源優(yōu)勢，不斷進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)室開發(fā)，并充分將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用到實(shí)踐教學(xué)中，提升學(xué)生的應(yīng)用能力，從而提升學(xué)生的綜合素質(zhì)，適應(yīng)社會對機(jī)械專業(yè)人才不斷提高的要求。

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