機(jī)械設(shè)計專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)建的探討

(南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，南京 210037)

一、機(jī)械設(shè)計專業(yè)的實(shí)驗(yàn)分類

機(jī)械設(shè)計專業(yè)知識體系廣、實(shí)踐性強(qiáng)、學(xué)習(xí)難度大，需借助實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)讓學(xué)生對相關(guān)原理、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)等內(nèi)容獲得直觀的認(rèn)識，以加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解。然而，現(xiàn)實(shí)情況是課堂理論教學(xué)所占的比重大、實(shí)踐性教學(xué)較少[1]，多數(shù)的實(shí)驗(yàn)附屬于理論教學(xué)中，而且多以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，綜合性實(shí)驗(yàn)幾乎沒有[2]。

根據(jù)內(nèi)容和性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)可分為驗(yàn)證及演示性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和研究性實(shí)驗(yàn)3類。驗(yàn)證及演示性實(shí)驗(yàn)一般由教師講解實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的操作使用方法，學(xué)生按規(guī)定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試、記錄；綜合性實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識的能力，通過對專業(yè)中的問題進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析以培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識的能力；研究性實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生自主提出問題、制定研究方案、搭建實(shí)驗(yàn)臺、測試并處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并最終建立各因素間的聯(lián)系或找出新的規(guī)律[14]。在上述3種實(shí)驗(yàn)中，研究性實(shí)驗(yàn)為最高層次的教學(xué)實(shí)驗(yàn)[15]。

客觀上，機(jī)械設(shè)計專業(yè)部分相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)置難度大，實(shí)驗(yàn)裝置成本高、損耗大，實(shí)驗(yàn)周期長、危險性強(qiáng)等，致使相關(guān)實(shí)驗(yàn)的開展不具備條件或者很難具備經(jīng)濟(jì)性和可行性。針對機(jī)械設(shè)計專業(yè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)開展難度大或無法開展的問題，可借助虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教育信息化背景下出現(xiàn)的一種新教學(xué)模式[3]，主要依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，通過構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，實(shí)現(xiàn)實(shí)體實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能[4]，對實(shí)體實(shí)驗(yàn)具有很好的補(bǔ)充作用[5]。

二、機(jī)械設(shè)計專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)難點(diǎn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有三維可視化沉浸感、豐富靈活的交互性和構(gòu)想性等特點(diǎn)[6]，其教學(xué)資源易于優(yōu)化整合、動態(tài)更新、高效管理和便捷應(yīng)用，容易實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源跨地區(qū)、跨院系、跨專業(yè)的全面共享[7]?，F(xiàn)階段，虛擬仿真技術(shù)已被應(yīng)用于諸多課程的教學(xué)實(shí)踐中，如“工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)”[8]“流體力學(xué)”[9]“控制類多學(xué)科融合”[10“]采礦工程”[11]“基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)”[12]等課程。教高函〔2018〕5號文指出，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目是推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目、拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時間和空間、提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措[13]。

傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)越來越難以適應(yīng)新工業(yè)革命背景下的教學(xué)要求，因此培養(yǎng)具備全球視野、發(fā)展意識、創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力的“創(chuàng)新型工程人才”成為工程和教育領(lǐng)域?qū)W者[16-19]的共識。作為機(jī)械設(shè)計專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，其構(gòu)建思路應(yīng)該符合“創(chuàng)新型工程人才”培養(yǎng)的實(shí)際需求，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)設(shè)置的開放性和創(chuàng)新性，促使學(xué)生由被動的觀摩學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)樯疃鹊难芯繉W(xué)習(xí)和試驗(yàn)。因而，在構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的過程中，如何將其從原理驗(yàn)證及演示性實(shí)驗(yàn)拓展為綜合性和研究性實(shí)驗(yàn)成為難點(diǎn)問題。

構(gòu)成上述難點(diǎn)問題的原因在于機(jī)械設(shè)計專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建存在諸多矛盾。圖1為一組關(guān)鍵性矛盾，即機(jī)械設(shè)計的精準(zhǔn)性、定量化、程式化等要求與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開放性、探索性、自主性等要求之間的矛盾。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢是，通過虛擬技術(shù)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的開放性和探索性，以促進(jìn)學(xué)生最大限度地開展自主性實(shí)驗(yàn)和個性化的實(shí)驗(yàn)探索研究；而機(jī)械設(shè)計往往有固定的流程、要求和方法，具有標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)，雖然將設(shè)計過程虛擬化，可解決設(shè)計的可視化、周期和成本等問題，但依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足培養(yǎng)“創(chuàng)新型工程人才”所需的開放性和研究性實(shí)驗(yàn)的要求。因此，在固有的機(jī)械設(shè)計模式下，機(jī)械設(shè)計專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)建極容易被建設(shè)成程式化、固定流程的驗(yàn)證及演示性實(shí)驗(yàn)。

圖1 機(jī)械設(shè)計要求與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)之間的矛盾

三、機(jī)械設(shè)計專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建路線

“開放式、研究性”是研究型教學(xué)的內(nèi)涵[20]。機(jī)械設(shè)計專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)建的要點(diǎn)是服務(wù)于研究性教學(xué)，因而其構(gòu)建核心及建設(shè)方向是形成綜合性和研究性實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)的頂層設(shè)計方面，筆者根據(jù)專業(yè)背景，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)在三維顯示、人機(jī)交互、超越時空限制方面的優(yōu)勢，對機(jī)械設(shè)計和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)鍵矛盾進(jìn)行了解決，具體的構(gòu)建策略見圖2。

圖2 機(jī)械設(shè)計專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建路線

(一)以問題為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生通過設(shè)計手段解決具體問題

在常規(guī)的機(jī)械設(shè)計過程中，往往有明確的設(shè)計指標(biāo)和設(shè)計參數(shù)，極容易將設(shè)計過程程式化、固定化。在機(jī)械設(shè)計專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)建時，教師可通過設(shè)置某一實(shí)際問題，引導(dǎo)學(xué)生為解決該問題而進(jìn)行設(shè)計。其設(shè)計的目的不在于完成實(shí)驗(yàn)本身，而在于解決實(shí)際問題，即通過開放性的問題設(shè)置，促使學(xué)生從多角度進(jìn)行個性化方案擬定，并完成設(shè)計，實(shí)現(xiàn)問題的自主解決。

(二)設(shè)置多目標(biāo)、多任務(wù)問題，形成大型綜合性實(shí)驗(yàn)

在機(jī)械設(shè)計專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)建時，教師需設(shè)置多目標(biāo)、多任務(wù)問題，將分散的個體實(shí)驗(yàn)串聯(lián)或并聯(lián)成大型綜合性實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)多附屬于各門課程中，各實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)聯(lián)度較低，因此教師應(yīng)在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺上將多門課程的相關(guān)知識點(diǎn)通過設(shè)置多目標(biāo)、多任務(wù)問題的形式串聯(lián)或并聯(lián)起來，形成綜合性實(shí)驗(yàn)，以進(jìn)一步鍛煉學(xué)生綜合運(yùn)用知識解決實(shí)際問題的能力。

(三)提供交互式、開放式、自助式設(shè)計場景，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)過程的體驗(yàn)

提高學(xué)生參與度的重要途徑之一是設(shè)置開放式、交互式、自助式的設(shè)計環(huán)境，通過實(shí)驗(yàn)場景的多元化吸引學(xué)生的注意力，提高實(shí)驗(yàn)興趣。在實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)建時，教師可針對不同的環(huán)節(jié)設(shè)置不同的場景。比如，對于設(shè)計和裝配環(huán)節(jié)，需提供工廠設(shè)計室和裝配室場景；對于設(shè)計效果驗(yàn)證環(huán)節(jié)，需提供實(shí)驗(yàn)場地等場景，以實(shí)現(xiàn)場景的交互式與自助式。設(shè)計場景的開放式可以通過設(shè)計參數(shù)來設(shè)置，學(xué)生輸入不同的設(shè)計參數(shù)可實(shí)時顯示設(shè)計對象的大小、形狀等，所見即所得。從多元化角度設(shè)置場景，有助于改變單一化的設(shè)計背景，使學(xué)生更好地參與設(shè)計，增強(qiáng)其對實(shí)驗(yàn)過程的體驗(yàn)。

(四)設(shè)置優(yōu)化設(shè)計環(huán)節(jié)，形成研究性實(shí)驗(yàn)

機(jī)械設(shè)計的重要環(huán)節(jié)之一是優(yōu)化設(shè)計，因而可在虛擬仿真環(huán)境中，調(diào)用、植入或建構(gòu)一系列優(yōu)化設(shè)計環(huán)節(jié)(包括對優(yōu)化結(jié)果的驗(yàn)證環(huán)節(jié))，以避免將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計成演示及驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，并形成研究性實(shí)驗(yàn)，目的是鍛煉學(xué)生的科研素養(yǎng)。比如，針對流體機(jī)械，可植入關(guān)鍵部件的流場仿真環(huán)節(jié)，教師可通過流場模擬計算結(jié)果引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計；針對結(jié)構(gòu)件，可植入結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)仿真環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生通過對比不同的結(jié)構(gòu)或尺寸下的載荷分布特征開展優(yōu)化設(shè)計；針對運(yùn)動機(jī)構(gòu)，可植入運(yùn)動學(xué)仿真環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生通過機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性加深對原理的認(rèn)識，并探索開展機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定性的優(yōu)化方法設(shè)計。

四、機(jī)械設(shè)計專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)實(shí)踐

高射程噴霧機(jī)適用于高大林木的病蟲害防治，是重要的農(nóng)林業(yè)植保機(jī)械之一，其設(shè)計周期長、制造成本高，而且農(nóng)藥還存在較大的毒副作用和安全隱患，因此導(dǎo)致實(shí)際的噴霧實(shí)驗(yàn)很難開展，需構(gòu)建高射程噴霧機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺開展實(shí)驗(yàn)，見圖3。

圖3為2018年國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“高射程噴霧機(jī)優(yōu)化設(shè)計虛擬仿真”實(shí)驗(yàn)平臺的登錄界面，筆者以該平臺為例具體闡述機(jī)械設(shè)計專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建實(shí)踐。

圖3 “高射程噴霧機(jī)優(yōu)化設(shè)計虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”平臺的界面

(一)以“林木病蟲害防治”這一實(shí)際問題為導(dǎo)向，引出高射程噴霧機(jī)的設(shè)計任務(wù)

在構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺時，筆者以林木病蟲害防治這一實(shí)際問題為背景引出“高射程噴霧機(jī)優(yōu)化設(shè)計虛擬仿真”實(shí)驗(yàn)。比如，在實(shí)驗(yàn)開始之前，平臺的背景介紹部分給出如下內(nèi)容：N市爆發(fā)大規(guī)模行道樹病蟲害，病蟲害吞食樹葉，對景觀大道造成嚴(yán)重?fù)p害，急需設(shè)計有效的病蟲害防治機(jī)具，……。在此基礎(chǔ)上，筆者引導(dǎo)學(xué)生了解景觀大道樹木特征、思考防治對象的施藥難點(diǎn)及有效的解決方案，進(jìn)而引出高射程噴霧機(jī)的設(shè)計任務(wù)。

(二)設(shè)置“噴霧高度”“噴霧覆蓋率”等多項(xiàng)指標(biāo)，形成高射程噴霧機(jī)設(shè)計綜合性實(shí)驗(yàn)

在引出高射程噴霧機(jī)的設(shè)計任務(wù)后，筆者引導(dǎo)學(xué)生通過樹木參數(shù)測量獲得基本的設(shè)計指標(biāo)。除了要考慮噴霧高度這一關(guān)鍵性設(shè)計指標(biāo)外，還可以增加噴霧覆蓋率等設(shè)計指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)置多項(xiàng)子任務(wù)，如風(fēng)送系統(tǒng)設(shè)計、施藥系統(tǒng)設(shè)計、動力系統(tǒng)設(shè)計、擺動機(jī)構(gòu)設(shè)計等。在設(shè)計過程中涉及的參數(shù)指標(biāo)以開放、可變的形式設(shè)置，如風(fēng)筒系統(tǒng)中的整流葉片個數(shù)、施藥系統(tǒng)中的噴頭數(shù)量和藥箱容積、動力系統(tǒng)中電機(jī)功率和型號、擺動系統(tǒng)中的曲柄搖桿參數(shù)等，均由實(shí)驗(yàn)者利用所學(xué)知識并綜合考慮多種因素自主確定，以形成高射程噴霧機(jī)的大型綜合性實(shí)驗(yàn)。

(三)提供設(shè)計、加工、組裝、驗(yàn)證等設(shè)計場景，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)

在形成大型綜合性實(shí)驗(yàn)后，考慮到大型綜合性實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建需求，學(xué)生圍繞林木噴霧高度和噴霧覆蓋率的指標(biāo)進(jìn)行場景構(gòu)建。在場景的構(gòu)建過程中，要注重將高射程噴霧機(jī)的設(shè)計、加工、組裝、驗(yàn)證等環(huán)節(jié)設(shè)置成交互式、開放式、自助式的場景。如，在設(shè)計環(huán)節(jié)，提供設(shè)計室的虛擬仿真場景；在加工環(huán)節(jié)，提供加工車間的虛擬仿真場景；在組裝環(huán)節(jié)，提供裝配車間的虛擬仿真場景；在驗(yàn)證環(huán)節(jié)，提供景觀大道噴霧的虛擬仿真場景等。

上述不同場景的設(shè)置，旨在給學(xué)生提供沉浸式體驗(yàn)，使其更直觀地感受高射程噴霧機(jī)的設(shè)計要點(diǎn)、加工途徑、組裝特點(diǎn)、噴霧驗(yàn)證試驗(yàn)效果，從而使學(xué)生更好地融入到高射程噴霧機(jī)的設(shè)計與實(shí)驗(yàn)過程中。

(四)設(shè)置風(fēng)筒收縮角度、整流片數(shù)量優(yōu)化等設(shè)計環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生開展探索性研究

在高射程噴霧機(jī)大型綜合性實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)建過程中，設(shè)置風(fēng)筒收縮角度優(yōu)化的模擬單因子實(shí)驗(yàn)，見圖4。學(xué)生通過單因子實(shí)驗(yàn)結(jié)果研究收縮筒角度和射程之間的規(guī)律，從而尋找優(yōu)化的風(fēng)筒收縮角度。對于整流片數(shù)量的優(yōu)化設(shè)計，筆者為學(xué)生提供基于Fluent等工具的計算流體動力學(xué)(CFD)仿真資料，引導(dǎo)他們進(jìn)行基于CFD的風(fēng)筒整流結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。另外，對于戶外行道樹的噴霧驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計，也可以設(shè)置多因子實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生開展基于Mintable等工具的噴霧試驗(yàn)，探索噴霧機(jī)運(yùn)動速率、風(fēng)速等指標(biāo)對噴霧的影響規(guī)律，從而提高學(xué)生的探索和研究能力。

圖4 高射程噴霧機(jī)風(fēng)筒收縮角度單因子實(shí)驗(yàn)的平臺界面

五、機(jī)械設(shè)計專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)取得的成效

(一)拓展了機(jī)械設(shè)計專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度和廣度

筆者所述的機(jī)械設(shè)計專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建方法，考慮了完整的機(jī)械設(shè)計與優(yōu)化流程，可集成文字、圖片、視頻等多種媒介，具備了研究性和綜合性實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，較好地解決了機(jī)械設(shè)計的精準(zhǔn)性、定量化、程式化等要求與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開放性、探索性、自主性等要求之間的矛盾，彌補(bǔ)了實(shí)體實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度和廣度。

(二)提高了教師的教學(xué)效率，擴(kuò)大了教學(xué)受益面

對于教師而言，通過上述構(gòu)建方法搭建的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，將線下實(shí)驗(yàn)拓展至線上，大幅度減少了常規(guī)的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，有效地提高了教學(xué)效率。并且，虛擬實(shí)驗(yàn)資源可通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問，面向開設(shè)機(jī)械工程專業(yè)的其他院校，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)資源的共建共享和課程互選、學(xué)分互認(rèn)，充分發(fā)揮了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的資源共享與開放優(yōu)勢，擴(kuò)大了教學(xué)的受益面。

(三)提高了學(xué)生的參與度，優(yōu)化了學(xué)生的學(xué)習(xí)過程

上述實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建方法注重以問題為導(dǎo)向，設(shè)置多目標(biāo)任務(wù)，設(shè)置自助式、交互式場景，可有效地吸引學(xué)生的注意力，提高了學(xué)生的參與度。以高射程噴霧機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺為例，學(xué)生普遍反映，通過該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺可直觀、方便地了解高射程噴霧機(jī)的構(gòu)造，并能更好地進(jìn)行高射程噴霧機(jī)的計算、校核、設(shè)計、檢驗(yàn)，大大縮短了學(xué)習(xí)周期，加深了對“機(jī)械原理”“機(jī)械設(shè)計”“林業(yè)機(jī)械”“泵與風(fēng)機(jī)”“現(xiàn)代設(shè)計方法”“實(shí)驗(yàn)設(shè)計方法”等課程相關(guān)知識的理解和應(yīng)用。

資助項(xiàng)目：江蘇省高等教育教改研究課題“新工科背景下林科特色機(jī)械類專業(yè)人才培養(yǎng)‘OBE’模式探索與實(shí)踐”，項(xiàng)目編號2019JSJG312；國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目“高射程噴霧機(jī)優(yōu)化設(shè)計虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”，項(xiàng)目編號2018-71。