虛擬仿真教學在機械原理課程中的應用研究

崔光珍 肖艷秋 王才東 吳 超

鄭州輕工業大學機電工程學院 河南鄭州 450002

機械原理是機械類或近機械類專業的一門重要的技術基礎課，它是將學生前期所學理論基礎和實際機械相結合來探討機械內部基本規律的基礎性技術課程。本課程的教學目標是使學生掌握機構的結構和運動分析方法、機械的動力分析方法、機構設計和機械系統方案設計方法，著重培養學生機械創新設計思維與能力。為了達到該教學目標，機械原理授課教師必須不斷深化課程內涵教育建設，并依據需求變化改進授課。

近些年來，廣大機械原理授課教師從不同角度提出機械原理課程改革方案與方法。如從工程教育角度基于SETP(Software-Theory-Experiment-Project)和OBE(Outcome-Based Education)教學模式提出了機械原理教學改革方案[1,2]；結合現代化教學理念，將翻轉課堂應用于機械原理課程教學過程，并總結歸納出課程案例設計方法[3]；隨著互聯網教學模式的推出，出現了基于MOOC的機械原理教學改革方案[4]；而今，為實現《教育信息化十年發展規劃(2011-2020年)》建設目標，切實做到現代信息技術與教育的全面深度融合，以信息化引領教育理念和教育模式的創新，結合機械原理課程特點，將虛擬仿真技術應用于機械原理教學過程，彌補傳統教學方式的不足，將是行之有效的方法。

1 沉浸式教學 將學生代入課堂

機械原理課程并不是具體研究某種機械，而是將機械簡化為機構，從而研究其共性問題。因此，在授課過程中，既要培養學生基于實際工程問題，將復雜機械結構簡化為相應機構的能力；又要培養學生，應用前期所學基礎理論知識對機構綜合與分析問題進行嚴密地邏輯推理，最終使學生具有解決工程問題的能力。如何使學生感性認知工程問題，掌握將工程問題轉化為機構綜合與分析問題，如何使枯燥的理論推導過程變得更為符合當代大學生的學習興趣，使學生愿意進入課堂，提高授課質量是亟待解決的問題。

當代大學生在信息化新媒體環境下伴隨互聯網長大，手機等移動客戶端成為其不可或缺的一部分，要實現“低頭族”放下手機抬頭聽課，使學生注意力集中于課堂，提高課堂學習效率，授課過程和方法須借鑒現代信息化技術—虛擬仿真技術教學。基于虛擬仿真技術，學生可以直觀了解工程問題，進而實現現場教學與課堂教學融合，提高學生學習興趣，把學生的注意力拉回到課堂上；同時，結合啟發式教學方法，借助虛擬仿真技術的交互性功能，引導學生完成自主學習，使學生理解機構綜合與分析問題的由來及其解決方法，培養學生的獨立思考和解決問題的能力；最后，在公式理論等推導過程中，通過適時地虛擬仿真，使學生深刻理解公式中參數的實際物理意義，有助于教師講解推導過程和深化學生對該推導過程的理解與記憶。

2 集思廣益 增加“新鮮”教學案例

機械原理課程是一門理論與實際相融合的課程，通過虛擬仿真技術營造實際工程氛圍與教師理論講解相結合來達到提高教學質量的目標，還須做好底層的“工程案例”選擇與設計。當前我國科學技術發展迅速，為使課堂與時代發展接軌，授課教師須與時俱進，除了追求實際工程案例新穎，在案例選擇與設計過程還須注意以下三點。

(1)以課程教學目標為準則，優選教學案例。根據機械專業人才培養目標及其特色，優選校企合作案例，使學生明白學有所用，更容易激發學生的學習興趣，后期組織學生到相應企業進行實習實訓，將有助于學生進一步加深對所學知識的理解。但是，實際工程問題與科研項目往往比較復雜，因此需要結合機械原理知識點對案例進行合理簡化。

(2)案例的兼容性。機械原理各章節知識點具有一定的獨立性，為使學生在學習完本課程后對機構有整體認知，具有機械系統整體設計能力。在案例選擇時優選涵蓋多個機械原理課程教學重點難點的綜合型案例，使學生明白整體機械系統與局部機構的關系，掌握各類機構的優點及應用分析能力，培養學生機構創新及用不同機構創新機械系統的能力。

(3)案例的可擴展性。一方面，機械原理課程在機械專業人才培養過程中起著承上啟下的作用，故選擇案例時應優選可擴展用于后續專業課教學的案例，這樣既有助于學生后期鞏固所學知識，又使得教學具有一定的連貫性。另一方面，通過案例將學生從課堂引入實踐創新中，并將項目擴展到課外，引導學生應用所學知識基于課堂案例進行擴展性的創新實踐設計，形成“學習—實踐—創新”三位一體的教學模式。

3 激發自主學習意識 提升創新設計能力

在機械原理教學過程中，做到為學生“留白”，如基于虛擬仿真技術將工程問題引入，并積極引導學生自己去發現相關理論知識點，落實以學生為中心的教學理念，把傳統的課堂講授變成學生自學探尋理論的過程，這樣有助于培養學生發現—分析—解決問題的能力。同時，為加強學生團隊協作能力培養，增加生生、師生討論交流，將部分章節留給學生自學，并以小組報告的形式匯報學習成果；匯報成績評定則由小組內評分、小組外評分、教師評分三部分組成，以此來激發學生自主學習能力。為切實提高學生的創新能力，基于虛擬仿真技術將往年的創新設計案例引入課堂，激發學生創新意識，并鼓勵學生參加創新設計賽事，將理論知識應用于實際的創新實踐當中。

4 結語

機械原理課程的教學過程應注重工程實踐與理論教學相結合。依據當前產業技術的發展需求、行業對人才培養的要求，在機械原理課程中引入虛擬仿真教學，更新教學案例和方法，構建滿足行業發展需要的機械原理教學模式是行之有效的改革方法。在將虛擬仿真技術應用于機械原理課程教學的過程中，積極嘗試與探索新的教學模式，加強課堂教學對學生的引導，向培養高素質的機械工程人才這一目標不斷邁進，將是機械原理課程教學改革的目標和建設方向。