虛擬仿真技術(shù)在機(jī)械類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

摘?要：以CNKI數(shù)據(jù)庫中19932021年的文獻(xiàn)為樣本，運(yùn)用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法，分析虛擬仿真技術(shù)在機(jī)械類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究文獻(xiàn)，揭示文獻(xiàn)的產(chǎn)出量和發(fā)文變化趨勢，探究研究內(nèi)容和研究熱點(diǎn)演變軌跡。結(jié)果表明，2011年后由于國家政策的引導(dǎo)，機(jī)械專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教育的研究進(jìn)入快速發(fā)展期;研究內(nèi)容聚焦于實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革、教學(xué)體系建設(shè)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用課程、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。通過定量數(shù)據(jù)分析得出的結(jié)果，有助于把握我國高校機(jī)械類專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀和趨勢，為高校開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供思路和借鑒。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)教學(xué);機(jī)械專業(yè);文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)分析

中圖分類號(hào)：G642.0

Review?on?theApplication?of?Virtual?Simulation?Technology

in?the?Experimental?Teaching?of?Mechanical?Engineering?Majors

Yuan?Sheng

School?of?Logistics?Engineering?Wuhan?University?of?Technology?HubeiWuhan?430063

Abstract：Based?on?the?publications?in?the?CNKI?data?base?between?1993?and?2021，this?paper?applies?bibliometric?analysis?on?evaluating?the?research?literature?of?the?application?of?virtual?simulation?technology?in?the?experimental?teaching?of?mechanical?engineering?majors.The?paper?aims?to?reveal?the?trends?in?the?publication?statistics?of?the?research?literature，and?investigate?the?evolutional?trajectory?of?the?research?topics?and?hotspots.The?results?show?that?the?research?on?virtual?simulation?based?experimental?education?in?mechanical?engineering?developed?rapidly?after?2011?because?of?national?policy?stimulus，and?the?research?focuses?include?experimental?education?reform，education?system?design，virtual?simulation?based?laboratory?courses，virtual?simulation?based?laboratory?teaching?techniques，and?laboratory?construction.The?results?obtained?by?quantitative?data?analysis?in?this?paper?will?help?illustrate?the?current?state?and?future?trends?of?the?virtual?simulation?based?experimental?teaching?of?mechanical?engineering?majors?in?China，and?provide?insight?and?reference?for?universities?to?conduct?virtual?simulation?based?experiment?teaching.

Keywords：Virtual?simulation;Experimental?teaching;Major?in?mechanics;Bibliometric?analysis

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是機(jī)械類專業(yè)人才培養(yǎng)過程中的不可或缺的環(huán)節(jié)，對于提升學(xué)生解決問題的能力有著重要的作用。隨著社會(huì)對大學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力要求的逐步提高，國家對實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了新的要求，教育部辦公廳發(fā)布了關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知[1]，要求高校深入推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，不斷加強(qiáng)高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)與應(yīng)用，著力提高高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和實(shí)踐育人水平，高校因此紛紛開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，將虛擬仿真技術(shù)融于實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。在這一背景下，全面梳理和分析虛擬仿真技術(shù)在機(jī)械類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用和研究情況，能夠把握我國高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀和趨勢，為高校開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供思路和借鑒。

一、研究方法

文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)是借助文獻(xiàn)的各種特征、采用數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)方法描述、評價(jià)某領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和未來發(fā)展方向的一種方法，被廣泛應(yīng)用于各種研究中[2]。本文以中國知網(wǎng)收錄的期刊論文、會(huì)議論文、學(xué)位論文為研究對象，采用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法，從發(fā)表時(shí)間、關(guān)鍵詞等角度對機(jī)械類專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、研究熱點(diǎn)、研究主題進(jìn)行較為深入細(xì)致的分析，并深入梳理近年來研究主題或研究熱點(diǎn)隨時(shí)間的變化情況及相互關(guān)系。

二、數(shù)據(jù)來源

中國知網(wǎng)總庫平臺(tái)包括90%以上的中國知識(shí)資源如：期刊、學(xué)位論文、會(huì)議論文等資源類型，是國內(nèi)最大的中文文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫。本文選取該平臺(tái)收錄的期刊、學(xué)位論文、會(huì)議論文，基本上能覆蓋本領(lǐng)域的中文研究成果，能確保研究樣本的全面性和完整性。選擇的主題詞：虛擬仿真、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、機(jī)械專業(yè)，檢索表達(dá)式：虛擬仿真AND實(shí)驗(yàn)教學(xué)AND機(jī)械專業(yè)，文獻(xiàn)類型設(shè)定為期刊、學(xué)位論文、會(huì)議論文，檢索時(shí)間范圍不限，通過主題途徑檢索，得到檢索結(jié)果661條。為確保檢索結(jié)果的密切相關(guān)，對檢索結(jié)果進(jìn)行了初篩，剔除了高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心簡介和部分新聞報(bào)道等，最終得到期刊論文514篇，學(xué)位論文62篇，會(huì)議論文12篇，總計(jì)588篇文獻(xiàn)作為本文的最終研究樣本。

三、發(fā)文趨勢分析

在數(shù)據(jù)庫中檢索得知虛擬仿真技術(shù)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間可以回溯到1993年左右，而從圖1本文研究樣本的發(fā)表時(shí)間分布情況看出，文章發(fā)表最早年份是2001年，表明虛擬仿真技術(shù)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)很早就有，而機(jī)械類課程中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)最早出現(xiàn)的時(shí)間是2001年，發(fā)文數(shù)量總體上是呈增長趨勢，2010年以前增長緩慢，2011年開始進(jìn)入快速增長期，2011—2020年發(fā)文總數(shù)449篇，占全部文獻(xiàn)數(shù)的76.36%，2019年達(dá)到峰值，當(dāng)年發(fā)文89篇。2011年以后文獻(xiàn)的快速增長主要?dú)w因于國家政策的引導(dǎo)。教育部在2012年印發(fā)的《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》中提出：重點(diǎn)推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育的深度融合，促進(jìn)教育內(nèi)容、教學(xué)手段和方法現(xiàn)代化。2017年印發(fā)的《關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》，明確提出于2017—2020年在普通本科高等學(xué)校開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作，并統(tǒng)籌規(guī)劃到2020年認(rèn)定1000項(xiàng)左右示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，其中機(jī)械類認(rèn)定30個(gè)項(xiàng)目。這兩個(gè)文件頒布后，高校紛紛開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索和實(shí)踐，研究者也與時(shí)俱進(jìn)更多地關(guān)注虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究。當(dāng)前是國家級示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)時(shí)期，今后一段時(shí)間內(nèi)定會(huì)有更多的相關(guān)研究成果出現(xiàn)。

四、研究內(nèi)容分析

（一）研究熱點(diǎn)

為了更加直觀清晰地展示研究熱點(diǎn)和研究者關(guān)注的重點(diǎn)，本文使用科睿維安公司的文本挖掘工具DDA軟件繪制詞云圖，將研究主題可視化。588篇文章涉及的關(guān)鍵詞有1067個(gè)，首先對關(guān)鍵詞進(jìn)行清洗和整理，比如同義詞合并、刪除個(gè)別沒有實(shí)際意義的關(guān)鍵詞，得到經(jīng)過規(guī)范處理的關(guān)鍵詞855個(gè)。為了提高圖的清晰性和可讀性，本文選取出現(xiàn)3次以上的關(guān)鍵詞繪制詞云圖。

詞云圖中，不同的關(guān)鍵詞用顏色區(qū)分，關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻率越多，該關(guān)鍵詞的字體越大。圖2顯示，出現(xiàn)頻率較高的關(guān)鍵詞有實(shí)驗(yàn)教學(xué)、教學(xué)改革、虛擬仿真、虛擬實(shí)驗(yàn)、虛擬現(xiàn)實(shí)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、Unity3D，這些出現(xiàn)頻率較高的關(guān)鍵詞代表虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域的研究視角和研究熱點(diǎn)，表明實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和虛擬仿真技術(shù)的運(yùn)用是本領(lǐng)域的熱門話題。

（二）研究主題

通過對提取的關(guān)鍵詞和主題進(jìn)行進(jìn)一步分析，并輔以閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，可知本領(lǐng)域的研究主要聚焦于以下幾個(gè)方面：

1.實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

這類文獻(xiàn)側(cè)重于闡述機(jī)械類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的背景和必要性。機(jī)械專業(yè)需要培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，在培養(yǎng)過程中實(shí)驗(yàn)教學(xué)占有重要地位。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在一系列弊端，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容單一，缺少多學(xué)科交叉融合實(shí)驗(yàn)，不能較好的激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維。國家新工科建設(shè)、中國智造、卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃等一系列政策的出臺(tái)對實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了新的要求，機(jī)械類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革勢在必行，因此研究者順應(yīng)改革趨勢，與時(shí)俱進(jìn)，緊跟政策導(dǎo)向，積極研究探討改革和實(shí)踐中的問題。另一方面，新技術(shù)的不斷出現(xiàn)為現(xiàn)代信息技術(shù)與高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合創(chuàng)造了條件，教育手段和教學(xué)模式也在不斷的改革和進(jìn)步。越來越多的高校開始實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的實(shí)踐，探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的思路和方向，依托各種課程實(shí)施虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。

2.教學(xué)體系建設(shè)

在這個(gè)主題中，主要探討虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的原則、教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)。研究樣本中有9篇文章闡述實(shí)驗(yàn)教學(xué)“虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)理念，如蒙艷玫認(rèn)為虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)置與開發(fā)遵循“系統(tǒng)性、層次性、工程性、交互性”和“以實(shí)為本、虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛”的原則[3]。李翠超等結(jié)合目前工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀及特點(diǎn)，提出一種虛實(shí)結(jié)合、優(yōu)勢互補(bǔ)的實(shí)踐教學(xué)模式，并從教學(xué)原則、課程體系、教學(xué)設(shè)計(jì)、保障條件等方面探討了如何有效開展虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)[4]。劉清濤論述基于開放共享理念開展線上線下混合教學(xué)模式的實(shí)踐[5]。譚雅莉、王葉群提出了“線上+線下”融合式的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)模式[67]。虛實(shí)結(jié)合、開放共享、線上線下融合作為代表性的教學(xué)模式，將先進(jìn)的信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的有效補(bǔ)充，有利于豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)效果，提高學(xué)生解決問題的能力。

3.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用課程

機(jī)械工程領(lǐng)域已經(jīng)開始虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課程大致四類，一是機(jī)械制造類課程，比如《機(jī)械制造技術(shù)》《數(shù)控加工》《智能制造》《先進(jìn)制造技術(shù)》《數(shù)控技術(shù)》;二是機(jī)械設(shè)計(jì)類課程，包括《機(jī)械原理》《機(jī)械設(shè)計(jì)》《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》《機(jī)械制圖》《工程機(jī)械設(shè)計(jì)》《虛擬樣機(jī)技術(shù)》;三是機(jī)械控制與測試，涵蓋了《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》《數(shù)控技術(shù)》《自動(dòng)控制原理》《控制工程》《機(jī)械工程測試技術(shù)》;四是液壓傳動(dòng)類課程，例如《液壓傳動(dòng)》《流體傳動(dòng)與控制》等課程。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)在這些課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)將傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)軟件化，有效地解決了學(xué)生多、空間小、設(shè)備不足、存在安全隱患等問題[4]，隨著虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的完善，相信在不久的將來，虛擬仿真技術(shù)會(huì)運(yùn)用于更多的課程中。

4.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用的技術(shù)較多，關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻率高低展現(xiàn)了目前廣泛運(yùn)用的有LabVIEW、Matlab、Unity3D、Virtools、ADAMS等開發(fā)軟件;從關(guān)鍵詞出現(xiàn)的時(shí)間可知，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用最多的技術(shù)是以圖形化編程語言替代傳統(tǒng)文本編程的LabVIEW軟件，自2001年到2020年一直得到廣泛應(yīng)用;其次是Matlab;Unity3D軟件在機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)時(shí)間相對較晚，但自2012年第一次出現(xiàn)到目前為止，因其完善靈活編輯的優(yōu)點(diǎn)而熱度遞增，已成為當(dāng)前實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主流技術(shù)手段之一[2]。

5.實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

研究樣本中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)也是關(guān)注的重點(diǎn)，研究者圍繞實(shí)驗(yàn)室或者實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)、教學(xué)資源建設(shè)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)開發(fā)展開研究。福州大學(xué)的國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)，包括虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源體系建設(shè)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)人才隊(duì)伍建設(shè)以及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)等[8]。李小松對地方高校機(jī)電類虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)成果進(jìn)行了梳理和總結(jié)[9]，劉磊介紹“新工科”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)成果，已開發(fā)工程機(jī)械類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共計(jì)7套[10];長安大學(xué)、中國石油大學(xué)基于開放共享的理念構(gòu)建了開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)[5，11]。虛擬教學(xué)平臺(tái)具有功能集約、資源共享、開放充分的特點(diǎn)，突破了實(shí)驗(yàn)場地和實(shí)驗(yàn)課程安排的限制，能達(dá)到提高教學(xué)能力、豐富教學(xué)內(nèi)容的目的，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的成果和經(jīng)驗(yàn)為其他高校提供了借鑒和參考價(jià)值。

五、結(jié)語

對CNKI數(shù)據(jù)庫中收錄的1993—2021年虛擬仿真技術(shù)在機(jī)械類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用方面的研究文獻(xiàn)，運(yùn)用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法進(jìn)行了定量分析，分析結(jié)果表明：2010年以前研究進(jìn)展緩慢，2011年后由于國家政策的引導(dǎo)，研究者開始更多地關(guān)注虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究，研究進(jìn)入快速發(fā)展期;實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用是研究熱點(diǎn);研究內(nèi)容側(cè)重于實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革、教學(xué)體系建設(shè)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用課程、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。當(dāng)前是國家級示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)時(shí)期，隨著示范項(xiàng)目建設(shè)的完善，今后一段時(shí)間內(nèi)定會(huì)有更多的相關(guān)研究成果出現(xiàn)，研究的深度和廣度也會(huì)得到拓展。

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基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（編號(hào)：2018YFC1407405）“綠色船舶和綠色港口海洋環(huán)境安全保障服務(wù)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究”

作者簡介：袁晟（1993—?），男，湖北漢川人，碩士，武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向：液壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)、流體力學(xué)。