機電一體化專業課程虛擬實驗的教學反思

劉輝 徐榮

[摘 要]文章從機電一體化專業特點和學生學習需求出發，分析了虛擬實驗開設的必要性，闡述了虛擬實驗應用優勢與組成架構，以機電一體化課程虛擬實驗為例，介紹了虛擬實驗教學設計思路、實施過程、實驗效果，針對存在的不足，提出虛擬實驗的教學反思。

[關鍵詞]機電一體化;虛擬實驗;教學反思

[中圖分類號]G642.0;TP391.9[文獻標識碼]A[文章編號]1008-7656（2020）04-0018-04

引言

虛擬實驗是建立在多媒體技術和軟件仿真技術相互融合的基礎上，利用計算機搭建的一種虛擬的實驗平臺。在這個平臺上，學習者可以通過互聯網在任意一臺計算機上訪問并進行實驗操作[1]。虛擬實驗平臺提供可操作的虛擬實驗器材，學習者可以通過接近真實的人機交互界面，選擇不同類型的虛擬器件，按照實驗原理進行儀器的連接與調節，實現使用虛擬儀器來完成實驗操作[2]。

陳濤等學者認為，虛擬實驗有效解決了傳統實驗的危險性和成本高的問題[3]。張寧等學者提出，虛擬仿真代表了教育新的生產力[4]。虛擬實驗在現代科研和教育研究中已經成為不可或缺的一部分，但是這些研究的主體主要是企業技術人員和高校教師，他們擁有相關的技術平臺、教研團隊和較多的學習時間，而繼續教育在線平臺學習的機電一體化專業成人學生較難達到這樣的條件，探索適合他們學習虛擬實驗的教學路徑變得十分迫切。基于此，筆者通過自身的教學實踐和反思，探究適合成人學習的虛擬實驗策略，希望能為電大系統開設虛擬實驗教學提供參考。

一、虛擬實驗開設必要性

（一）專業特點

機電一體化專業是安徽廣播電視大學（以下簡稱安徽電大）實施成人高等學歷繼續教育改革后開設的專業。據學校相關部門提供的統計數據（2019年12月31日），該專業在校生已經有2000余人，遍布全省各個地市，為經濟發展提供了許多專業人才。隨著安徽經濟的快速發展，省政府已經把先進制造業作為核心產業來打造，把合肥作為舉辦全球制造業大會的城市。快速發展的工業經濟和專業人才的需求是相輔相成的，這也正是學校機電一體化專業發展的需求。

機電專業人才的培養除了需要理論知識的傳授外，同樣離不開實踐性教學。機電一體化專業中包含一些實踐性課程，如液壓與氣壓傳動、數控編程、機電一體化系統等，這些課程的學習都需要大量的實踐操作來鞏固和理解[5]。對于電大的學生而言，普遍存在工學矛盾，為了更好地為他們提供學習支持服務，幫助他們掌握知識，開設課程虛擬實驗是不可或缺的。

（二）學習需求

受到實訓場地不足和實踐環節指導老師缺乏等因素的影響，安徽電大機電一體化專業實踐環節的實施，一直以來通過與一些高校合作來進行。隨著高校擴招，合作高校較難再為開放教育的學生提供保質保量的教學服務，很多開放教育課程實驗和畢業實踐環節難以開展，只有采用觀看網絡視頻的方式來完成。

機電專業的學生除了掌握機電一體化的基礎理論之外，還需要通過學習系統設計原理和綜合集成技術，把各項技術有機地結合起來進行簡單的機電一體化系統的分析和設計，這就需要大量的實踐操作來鞏固理論的內容，拓寬自己的視野，從而獲取更多的就業機會[6]。開設課程虛擬實驗，有助于學生進行遠程網上模擬操作，更有利于學生的職業發展需要。

二、虛擬實驗應用優勢與組成架構

（一）應用優勢

虛擬實驗是通過計算機軟件仿真技術來實現的，通過把現實中的實驗資源虛擬化和數字化，設置合適的參數，利用鼠標和鍵盤操作實現實驗的構建。通過虛擬實驗的學習與實踐達到課程實踐環節教學的目標。與傳統實驗相比，虛擬實驗具有的優勢如表1所示[7]。

（二）組成架構

關于虛擬實驗的教學，安徽電大前期開展了調研和座談，不僅了解教師對課程實踐環節的需求，也搜集了學生在課程實踐方面的建議，在此基礎上引進了基于云技術打造的虛擬仿真實驗教學平臺，該平臺運用分布式和虛擬化技術，將實驗資源和教學活動通過互聯網來完成，將實驗內容、操作軟件、數據庫、案例庫及其他資源有機的結合在一起[8]。圖1可以看出平臺將使用者分學生、教師、管理員三類：學生在對實驗進行操作前進行準備知識的學習，在學習過程中通過交流平臺與老師溝通和聯系，在完成實驗后可以查看成績;老師需要在實驗前對實驗庫進行篩選，列出實驗的要求，指導學生按照步驟來完成實驗，并及時回復學生在平臺的留言;管理員則需要對相應的老師和學生的賬戶進行設置，將虛擬仿真實驗教學資源以及師生操作的數據和和管理系統存放在云存儲系統中。虛擬實驗平臺具有虛擬化共享的優勢，保證了教學活動在數據中心的正常運行，增加了教學交流與互動。

三、機電一體化系統課程虛擬實驗設計與實施

（一）設計思路

機電一體化系統是機電專業的核心課程，也是一門實踐性很強的課程。學生在理論學習過程中，掌握了機械、檢測、控制和編程等內容，需要結合實際的應用實例進行實驗實訓，提高自己進行系統設計和開發的實際能力。在安徽繼續教育在線平臺上，機電一體化系統課程共設有五個模塊，其中第五個模塊是虛擬實驗模塊。以課程中工業機器人自動化生產線虛擬實驗為例，進行實驗設計。首先，省校課程責任教師根據課程教學計劃對實驗內容進行選擇并導入虛擬實驗平臺。實驗內容是在工業自動化流水線上工業機器人對物品的識別和剔除。其次，對實驗考核環節進行設定，學生的網上操作行為（形成性考核）占總成績的70%，最后提交的實驗報告（終結性考核）占總成績的30%，最終的成績是兩者的合成。最后，與選擇機電一體化系統課程的分校老師進行溝通，及時告知課程虛擬實驗已經上線，方便他們將信息通過班級QQ群、手機短信等方式通知到每位學生。

（二）實施過程

工業機器人自動化生產線虛擬實驗是以三維形式實現機器人結構展示、功能描述、工作原理動畫展示、虛擬生產過程展示等，主要由檢測機器人、機械手臂和搬運機器人三個部分組成。實驗要求能夠按照檢測、抓取和搬運的流程進行操作，首先對貨物進行檢測，把不合格的產品剔除，這一環節通過檢測機器人來完成;然后對合格的產品進行輸送并搬運到傳輸鏈上，這一環節通過機械手臂來完成;最后一個環節是對產品進行打包，由搬運機器人運輸入庫。

在整個實驗過程中，學生通過鍵盤上的W、S、Q和E按鍵，對機器人底盤角度、大臂角度和小臂角度進行設置，實現機器人前進、后退、左移和右移的控制。學生通過按住鼠標左鍵進行視角方位的調整，前后滾動鼠標滾輪實現視野的放大和縮小。實驗最終達到剔除不合格的產品的目的，對合格產品打包并運輸入庫。學生在實驗操作過程中如果遇到困難可以通過網絡平臺的方式給老師留言尋求解答，也可以通過平臺提供的幫助提示，點擊操作演示說明進行反復查看，實現問題的解決。當所有實驗內容完成后，學生點擊提交實驗，系統會自動給予評判，得出自己的實驗分數。

（三）實驗效果

選修機電一體化系統課程虛擬實驗的學生，2019年春季為103人，分布在省內蕪湖市分校、安慶市分校、淮北市分校、銅陵金橋培訓中心、蚌埠市分校、廣德縣直屬教學點、郎溪縣工作站、滁州市分校、宣州市分校、定遠縣工作站、安徽廣播電視大學汽車學院、固鎮縣工作站等13個教學點。2019年春季前半個學期，學生的上線學習和考核情況不是很理想，4月份已經登錄過平臺參與網上學習的人數占比15%，5月份已經登錄過平臺參與網上學習的人數占比26%。經過與分校和工作站負責人及課程輔導教師聯系，讓他們積極督促學生上線學習并完成課程虛擬實驗實驗的形成性考核和期末考核，6月上旬至學期末學生上線人數有大幅度提升。經過一個學期的學習，在13個分校總共103個學生的課程實踐環節即虛擬實驗學習與考核過程中，93個學生完成了形成性考核與期末考核，完成率達到90%，最終成績及格率為89%。

（四）存在的不足

機電一體化課程實踐環節由傳統模式改為虛擬實驗模式取得了一定的成效，但仍然存在一些不足。首先，由于計算機仿真虛擬實驗剛開始應用，許多分校教學點對虛擬實驗的教學過程和考核形式還沒有完全適應，不能較好地指導學生進行學習和完成實驗內容，下一步省校需要加大宣傳，進行實地或是遠程培訓，讓他們認識和了解虛擬實驗;其次，根據學生對虛擬實驗在使用過程中產生的疑問，建議平臺設計方在虛擬實驗幫助提示模塊添加視頻講解說明，這樣可以幫助學生對知識點的理解和準確把握實驗過程的操作步驟;再次，在實驗過程中師生互動不夠，教學互動區沒有學生提問，這可能是分校、工作站的輔導老師對學生的引導還不夠;最后，虛擬實驗平臺不能按照教學點進行學生學習情況的統計，只能夠顯示全部學生的成績，建議后期能進行改進，這樣可以更有針對性地督促學生登陸平臺完成學習與考核。

四、虛擬實驗教學反思

（一）以學生為中心，合理選擇實驗內容

結合工業技術發展現狀，充分調研學生學習需求，不能讓網上虛擬實驗流于形式，更不能讓學生學習只是為了應付考試，而是出于對他們提供幫助、達到學以致用的目的。目前，機電一體化專業開設的課程虛擬實驗基本涵蓋了本專業涉及的課程實踐環節，學生參與度不錯。下一步需要對實驗內容進行更新和擴充，選擇更多具有代表先進制造技術、先進控制技術和工業物聯網技術的內容，來滿足學生工作和學習的需求。

（二）依托教學團隊，提高教學質量

電大的優勢在于系統辦學，對于分布在全省各地市的學生來說，課程學習的需求會有很多，這就需要系統內教師的集思廣益。虛擬實驗是為學生提供課程實踐環節教學服務的，但是學生的學習背景各不相同，有的學生進行課程虛擬實驗學習時，會出現不知道從哪里登陸平臺，或是登陸平臺后不知如何操作等一系列問題，這就需要分校老師及時給予幫助，讓他們熟悉虛擬實驗的操作流程和學習環節，最終完成實驗考核。另外，分校老師在助學的過程中，也能及時了解學生對課程虛擬實驗內容學習的建議以及平臺使用過程存在的問題，然后通過郵件或是電話的形式及時反饋給省校，這樣就方便省校責任教師匯集信息和總結經驗，為下一步做好教學支持服務進行有效調整。

（三）將思政教育貫穿于教學全過程

省校課程責任教師在開展網上教學活動時，要將思政教育貫穿于教學全過程，引導學生參加網上虛擬實驗學習，熟練實驗操作技能，將自身專業水平提升與國家發展相結合，樹立制造強國的遠大理想和家國情懷。

虛擬實驗作為課程實踐環節的一部分，不僅提高了課程的整體教學效果，也鍛煉了學生們的動手能力，更是激發了他們的學習熱情。為了更好地發揮虛擬實驗的作用，下一步需要不斷豐富實驗內容，完善實驗設計方案，把更有趣、生動、有代表性的實驗講授給學生。

[參考文獻]

[1]張智煥.張惠娣.機械工程控制的虛擬仿真實驗教學實踐[J].實驗技術與管理，2014（7）.

[2]肖茂華，路琴，康敏，等.農業院校機械工程虛擬仿真實驗平臺的構建[J].現代教育技術，2018（4）.

[3]陳濤，范林坤.汽車運輸安全虛擬仿真實驗設計[J].實驗技術與管理，2020（3）.

[4]張寧，趙毅強，蘭馗博，等.“新工科”背景下關于虛擬仿真實驗的幾點思考和建議[J].實驗技術與管理，2020（3）.

[5]祖強，魏永軍，熊宏齊.江蘇省高校虛擬仿真實驗教學共享平臺建設與實踐[J].實驗技術與管理，2019（36）.

[6]蘇永紅.網絡教育中虛擬現實技術在機械學科的應用[J].山西廣播電視大學學報，2016（6）.

[7]岳大靈，魏列江，劉增光，等.液壓系統電氣控制虛擬實驗系統的開發[J].中國教育技術裝備，2016（20）.

[8]關松磊.虛擬仿真實驗平臺在實驗教學中的應用現狀[J].長春教育學院學報，2018（11）.

[作者簡介]劉輝（1982-），男，安徽壽縣人，安徽廣播電視大學講師，碩士，研究方向：現代遠程教育及計算機虛擬實驗;徐榮（1984-），女，安徽宿松人，安徽廣播電視大學副教授，碩士，研究方向：現代遠程教育及傳感檢測技術。

[責任編輯 何一輝]