虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)研究

王曉暄

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054）

實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐環(huán)節(jié)是工科專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力和解決工程實(shí)際問(wèn)題的重要手段，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置需要各種儀器設(shè)備，很多儀器設(shè)備又存在價(jià)格高、功能單一、利用率低的問(wèn)題。另一方面隨著辦學(xué)規(guī)模的擴(kuò)大，資金不足，設(shè)備老化、短缺的問(wèn)題也日益突出。為解決以上問(wèn)題我學(xué)院建立了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與設(shè)施虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心（簡(jiǎn)稱(chēng)虛擬實(shí)驗(yàn)中心）。

虛擬實(shí)驗(yàn)中心所開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)主要分為在線(xiàn)實(shí)驗(yàn)和離網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。在線(xiàn)實(shí)驗(yàn)以現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心所建網(wǎng)站為平臺(tái)，通過(guò)注冊(cè)可以進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；離網(wǎng)實(shí)驗(yàn)是通過(guò)專(zhuān)用實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)中心從內(nèi)容上分為：數(shù)字化機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)、數(shù)控仿真教學(xué)平臺(tái)、電氣控制系統(tǒng)虛擬仿真平臺(tái)和電機(jī)學(xué)網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)系統(tǒng)4 部分。

經(jīng)過(guò)幾年的建設(shè)和實(shí)踐，學(xué)院注重虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，完成了一批基于虛擬軟件的仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)形成了比較完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，在實(shí)踐教學(xué)中發(fā)揮了良好的作用。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源

1.1 數(shù)字化機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)

數(shù)字化機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)利用我校在農(nóng)業(yè)工程裝備領(lǐng)域的學(xué)科專(zhuān)業(yè)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合中收農(nóng)牧機(jī)械有限公司和新疆機(jī)械研究院股份有限公司的開(kāi)發(fā)實(shí)力和支持服務(wù)能力，整合數(shù)字化、信息化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，以培養(yǎng)學(xué)生在農(nóng)業(yè)工程裝備領(lǐng)域的綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力。數(shù)字化機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)已建立了16個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

數(shù)字化機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)針對(duì)不同年級(jí)的本科學(xué)生，開(kāi)設(shè)有三個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)，初級(jí)是以三維數(shù)字化建模設(shè)計(jì)為主的基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)；中級(jí)是綜合設(shè)計(jì)、分析與制造型實(shí)驗(yàn)；高級(jí)是創(chuàng)新研究型實(shí)驗(yàn)。分層次教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置，可適應(yīng)不同知識(shí)層次學(xué)生的需求。通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、手段，實(shí)驗(yàn)考核方法等的改革創(chuàng)新，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，使學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的認(rèn)識(shí)加深，實(shí)驗(yàn)技能（實(shí)驗(yàn)理論、實(shí)驗(yàn)方法和動(dòng)手能力）顯著提高。

1.2 數(shù)控仿真教學(xué)平臺(tái)

數(shù)控仿真教學(xué)平臺(tái)的功能是在理論學(xué)習(xí)之后，通過(guò)仿真系統(tǒng)的操作掌握數(shù)控加工設(shè)備操作和編程的能力。

數(shù)控仿真教學(xué)平臺(tái)初期采用宇龍數(shù)控仿真系統(tǒng)、Mastercam、UG（數(shù)控三維建模），2015 年又購(gòu)進(jìn)了8套德國(guó)DMG 實(shí)訓(xùn)操作系統(tǒng)，2018 年購(gòu)進(jìn)4 套SIEMENS 系統(tǒng)數(shù)控仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。宇龍仿真軟件主要用于課堂教學(xué)，具有較強(qiáng)的互動(dòng)功能，可以進(jìn)行車(chē)床、銑床和加工中心的機(jī)床和數(shù)控編程操作。Mastercam 具有強(qiáng)大穩(wěn)定的造型功能，可設(shè)計(jì)出復(fù)雜的曲線(xiàn)、曲面零件，具有強(qiáng)大的曲面粗加工及靈活的曲面精加工功能。可模擬零件加工的整個(gè)過(guò)程，模擬中能顯示刀具和夾具，還能檢查出刀具和夾具與被加工零件的干涉、碰撞情況，真實(shí)反映加工過(guò)程中的實(shí)際情況。主要用于學(xué)生數(shù)控實(shí)訓(xùn)和設(shè)計(jì)的深入學(xué)習(xí)提高階段。UG 仿真軟件主要用于數(shù)控零件的三維建模和加工。

1.3 電氣控制系統(tǒng)虛擬仿真平臺(tái)

電氣控制系統(tǒng)平臺(tái)由單片機(jī)課程設(shè)計(jì)仿真模塊、虛擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)K和虛擬可編程控制實(shí)驗(yàn)?zāi)K三部分組成。

1.3.1 單片機(jī)課程設(shè)計(jì)仿真模塊

單片機(jī)課程設(shè)計(jì)仿真模塊主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：（1）注重對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)，給學(xué)生創(chuàng)造更多實(shí)踐的機(jī)會(huì)；（2）充分發(fā)揮學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性，調(diào)動(dòng)他們創(chuàng)造性思維，注意創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1.3.2 虛擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)K

虛擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)K以L(fǎng)abVIEW 為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用NI USB-6259 數(shù)據(jù)采集卡，運(yùn)用虛擬儀器及其相關(guān)技術(shù)于多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)建虛擬示波器、信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)傳統(tǒng)電子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括基本儀器使用、共射級(jí)放大電路、射極輸出器、差動(dòng)放電電路、集成運(yùn)算電路、負(fù)反饋放大電路、低頻功放電路、信號(hào)產(chǎn)生電路、穩(wěn)壓電源電路等必做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。利用虛擬儀器平臺(tái)的靈活性，學(xué)生在老師的指導(dǎo)下自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

1.3.3 虛擬可編程控制實(shí)驗(yàn)?zāi)K

虛擬可編程控制實(shí)驗(yàn)?zāi)K通過(guò)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的視頻，使學(xué)生通過(guò)視頻教材在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室前對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)設(shè)備及元件、實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)操作過(guò)程、及注意事項(xiàng)等有一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括：電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)、混合液體實(shí)驗(yàn)、交通燈控制實(shí)驗(yàn)、刀具庫(kù)實(shí)驗(yàn)、步進(jìn)電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)、電梯實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。利用虛擬儀器平臺(tái)，通過(guò)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的視頻，達(dá)到實(shí)驗(yàn)前使學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的整體認(rèn)識(shí)，帶著問(wèn)題進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。

1.4 電機(jī)學(xué)網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)系統(tǒng)

電機(jī)學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)系統(tǒng)中，每位教師都可以自己建立實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并負(fù)責(zé)管理該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)資源，可以方便地不斷更新。學(xué)生可以通過(guò)校園網(wǎng)隨時(shí)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)系統(tǒng)，學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理、了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、觀(guān)看實(shí)驗(yàn)操作示范，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)系統(tǒng)包含學(xué)生實(shí)驗(yàn)須知和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟、實(shí)驗(yàn)思考、注意事項(xiàng)和實(shí)驗(yàn)操作演示視頻五個(gè)模塊組成。所有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都有對(duì)應(yīng)的多媒體課件，實(shí)驗(yàn)室的所有儀器儀表都有介紹其使用方法的視頻課件，這些課件設(shè)計(jì)合理、制作精細(xì)、質(zhì)量?jī)?yōu)良，實(shí)現(xiàn)了視、聽(tīng)、像結(jié)合，聲、文、圖并茂。

2 虛擬仿真在線(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的運(yùn)行與安全

2.1 在線(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的安全

在線(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)及管理主要有三類(lèi)重要角色：系統(tǒng)管理員，任課老師，學(xué)生，不同角色擁有不同的權(quán)限，以保證網(wǎng)絡(luò)與信息的安全。

管理員可以進(jìn)行用戶(hù)權(quán)限管理，如審用戶(hù)核注冊(cè)信息，添加/刪除分組、添加/刪除班級(jí)、添加/刪除課程，對(duì)已有實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行查看、修改。

系統(tǒng)管理員在課程管理模塊中可以對(duì)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行添加、修改和刪除管理，可以進(jìn)行授課安排即為某個(gè)班級(jí)的某門(mén)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)定授課老師。只有設(shè)定的授課老師可以對(duì)該班級(jí)的學(xué)生布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)，進(jìn)行教學(xué)管理中的實(shí)驗(yàn)安排。

在教學(xué)論壇中，系統(tǒng)管理員可以對(duì)論壇進(jìn)行管理操作，包括創(chuàng)建、修改和刪除討論區(qū)和增加一個(gè)新的版塊到討論區(qū)中，也可以修改或刪除目前存在的版塊，還可以為版塊設(shè)定和刪除版主；同時(shí)可以對(duì)論壇中的帖子進(jìn)行修改、刪除和鎖定操作。

2.2 在線(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的運(yùn)行

利用在線(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，教師可以建立典型實(shí)驗(yàn)作為實(shí)驗(yàn)任務(wù)布置給學(xué)生，可以對(duì)典型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行添加、發(fā)布、試做、修改、刪除、導(dǎo)入和導(dǎo)出，可以對(duì)成績(jī)進(jìn)行查詢(xún)統(tǒng)計(jì)。

利用在線(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)任務(wù)列表中查看學(xué)生所在班級(jí)所有老師發(fā)布的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)進(jìn)行提交，當(dāng)教師批改完實(shí)驗(yàn)并發(fā)布成績(jī)后，學(xué)生可以進(jìn)入實(shí)驗(yàn)批改成績(jī)界面，查看實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)，實(shí)驗(yàn)成績(jī)，教師評(píng)語(yǔ)等。學(xué)生可通過(guò)“新建自主實(shí)驗(yàn)”，對(duì)自己感興趣的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行嘗試。

無(wú)論教師用戶(hù)還是學(xué)生用戶(hù)都可以接收站內(nèi)消息，在教學(xué)論壇中查看帖子，并在感興趣的欄目中發(fā)表個(gè)人見(jiàn)解。

3 應(yīng)用情況

經(jīng)過(guò)幾年的建設(shè)和實(shí)踐，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各個(gè)層次已經(jīng)形成了比較完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，并獲得了良好的效果。具體體現(xiàn)在教學(xué)實(shí)踐、學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)和大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽3 個(gè)方面。

3.1 教學(xué)實(shí)踐

（1）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的4 個(gè)虛擬仿真平臺(tái)面向全校6 個(gè)專(zhuān)業(yè)的20 余門(mén)課程開(kāi)設(shè)近100 項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，每年接納學(xué)生1 000 余人，實(shí)驗(yàn)人時(shí)數(shù)達(dá)到8 萬(wàn)余人時(shí)。

（2）在畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生依靠數(shù)字化機(jī)械創(chuàng)新平臺(tái)、數(shù)控仿真教學(xué)平臺(tái)對(duì)機(jī)具運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真；電器類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生依靠電氣控制系統(tǒng)虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能分析，從而提高了畢業(yè)設(shè)計(jì)的水平。

3.2 大學(xué)生創(chuàng)新

（1）實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心每年舉辦大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)的相關(guān)活動(dòng)，以項(xiàng)目的形式開(kāi)展由教師指導(dǎo)的本科生科研創(chuàng)新活動(dòng)，每年能夠資助的大學(xué)生近100 人。大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)主要以產(chǎn)品三維參數(shù)化建模、運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)仿真分析，以及關(guān)鍵部件的有限元分析等為主要內(nèi)容，以提高大學(xué)綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力。近幾年年均立項(xiàng)國(guó)家級(jí)和自治區(qū)級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目近10 項(xiàng)，校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目近20 項(xiàng)。

（2）依托數(shù)字化機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)建立了三維數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計(jì)興趣小組，依托數(shù)控仿真教學(xué)平臺(tái)建立了數(shù)控技術(shù)興趣小組，依托電氣控制系統(tǒng)虛擬仿真平臺(tái)建立了電氣興趣小組。

3.3 大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽

每年實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心組織相關(guān)教師積極準(zhǔn)備“全國(guó)三維數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”的工作。推薦優(yōu)秀的選手參加自治區(qū)的復(fù)選，最后參加全國(guó)的數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽。先后有10 屆學(xué)生參加《全國(guó)三維數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽》獲全國(guó)1 等獎(jiǎng)2 次，全國(guó)2 等獎(jiǎng)4 次，全國(guó)3等獎(jiǎng)3 次，新疆賽區(qū)特等獎(jiǎng)8 次，1 等獎(jiǎng)4 次，2 等獎(jiǎng)8 次，3 等獎(jiǎng)3 次。獲全國(guó)大學(xué)生工業(yè)設(shè)計(jì)大賽獲三等獎(jiǎng)1 項(xiàng)、優(yōu)秀獎(jiǎng)4 項(xiàng)，第十三屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽校級(jí)選拔賽獲一等獎(jiǎng)1 項(xiàng)、二等獎(jiǎng)2 項(xiàng)、三等獎(jiǎng)1 項(xiàng)、優(yōu)秀獎(jiǎng)2 項(xiàng)。