基于虛擬現實技術的機械原理實驗教學研究

徐春明 周艷 蔣國璋 李公法 黨章

[摘 要]教育部于2019 年3月發布了虛擬仿真實驗教學項目建設的通知，開啟了新一輪的實驗教學改革。實驗課程是幫助學生塑造工程意識、增強動手能力的重要環節，機械原理作為機械工程專業的核心課程，其實驗教學對學生將理論知識運用于工程實際有著至關重要的作用。為了順應當下高校實驗教育改革的需要，文章分析了當前機械原理實驗教學存在的問題，結合虛擬現實技術的特點與高校培養高質量工程技術人才的目標，對機械原理開展虛擬仿真實驗教學的教學理念、課程建設、教學成果等方面進行了探討，明確了實驗教學改革對高校教學質量的重要性，得出了虛擬現實技術應用于實驗教學勢在必行的結論。

[關鍵詞]虛擬現實;機械原理;實驗教學;人才培養;實驗改革

[中圖分類號] G642.423 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2022）02-0103-04

機械原理課程的教學目的是增強學生對基礎機構和機器的了解，對機構的結構和運動學以及機構和機器的動力學原理進行研究和學習，更注重的是培養學生的創新思維和對機械學科的學習興趣，在教學形式上采用課堂教學、實驗教學以及課程設計等方式進行。虛擬現實技術（virtual reality，VR）系統從根本上說是一種高級人機交互接口，它可以同時給予用戶視覺、聽覺和觸覺等各種直觀而又自然的實時感知。虛擬仿真實驗采用計算機建模與仿真技術、虛擬現實及可視化技術，模擬整個實驗過程，可使學生在高沉浸感的虛擬環境下進行機械原理的實驗教學，以增強學生的學習興趣，提高實驗教學效果。因此，將虛擬現實技術引入實驗教學不失為一種有效的教學策略和教學方法[1]。本文將從機械原理實驗目前存在的問題、如何建設新型實驗課堂及教學效果三個方面來進行探討。

一、機械原理實驗教學存在的問題

（一）實驗硬件設備條件欠佳、更新過慢，實驗質量有待提高

因為實驗室設備及條件不夠良好，機械原理課程很多關鍵實驗都無法完整進行甚至無法進行，而其中某些關鍵實驗結果會被用一些現成的數據和公式替代掉，這些缺少的步驟恰恰能在未來對學生的思維發散造成積極影響。陳舊的實驗設備和關鍵機器的匱乏導致學生實驗的效率極低。一般來說，一個班的學生會被分成若干個小組，每個小組的人數至少5人，當輪到該小組做實驗的時候，組員們往往并非每人都有機會進行實踐操作。不引進新的設備就無法進行新的操作方法教學，使學生的整個實驗知識體系相對較為落后。

（二）實驗性質多為驗證性實驗，缺乏創新

傳統的機械原理實驗授課形式大多仍為理論課，實驗的目的只是驗證理論的正確性，鞏固所學的理論知識，加深學生的印象。目前，理工科高校大部分課程的實驗對學生來說都是冰冷的、枯燥無味的，學校所進行的實驗都是演示性和驗證性實驗，創新性和綜合性的實驗較少。在進行機械原理課程實驗時，學校發的實驗指導書詳細寫明了實驗目的、實驗原理以及實驗步驟，在做實驗之前，教師一般會先演示實驗的操作步驟，學生按照教師的步驟逐步操作即可，這樣的實驗失去了實驗原有的意義，沒有給學生留下思考和創造的空間，沒有起到提高學生創新能力和想象力的作用，久而久之還會對學生的深度鉆研形成阻礙。

（三）實驗內容缺少關聯性，虛擬實驗的人機交互性較差

實驗課程所安排的實驗和項目大多是獨立的，缺乏整體性，忽視了每個實驗內容之間的相互關聯，學生只是為了完成任務而做實驗，并沒有真正意義上學到知識。人機交互（Human-Computer Interaction，簡寫HCI）是指人與計算機之間使用某種對話語言，以一定的交互方式，為完成確定任務進行的人與計算機之間的信息交換過程。傳統虛擬實驗無論是在界面、信息容量還是教學過程上都有所欠缺，學生在學習中很難有切身體會，對知識理解起來存在一定障礙[2]。

（四）考核制度不夠完善，實驗課程對學生約束力不夠

機械原理課程的最終考核方式大多以理論課筆試成績為主，因而并沒有注重機械原理實驗教學模塊，實驗教學課時少，學生所進行的實驗數量和質量都達不到要求，很難實現培養學生實踐能力的目的。而實驗的考核方式不完善，大部分實驗成績還是和理論課的成績掛鉤，沒有單獨形成一個體系，這使學生對相關的實驗課程重視程度不夠，無法保證實驗課的教學質量。

隨著世界經濟快速發展，我國邁入知識經濟與技術經濟并行的新時代，而為新時代發展提供源源不竭動力的是各行各業的人才。高等學校培養出來的人才質量和素養水平，特別是工程專業的人才培養，對于一個國家的科技實力和綜合國力影響深遠，國家需要高質量、高素養、高技能、高知識儲備的優秀專業人才[3]。因此，在教育教學中培養和提高學生理論與實踐相結合的專業素養，促進和鞏固學生對專業知識的掌握與應用是鍛煉人才能力、提高人才質量的有效方法。

對于機械類專業的學生而言，無論是在研究學習還是在以后的工作中，動手能力和實踐經驗缺一不可。因此，機械院校更應該把學生對理論知識的充分吸收與掌握運用作為實踐類課程的重點，培養社會工業和國家科技所需要的理論基礎扎實、實踐經驗充足的應用型高素質人才。只有這樣，學生才能走出學校，步入需要全面系統知識和實踐經驗的社會，才能在未來工作中滿懷自信、游刃有余[4]。

二、機械原理虛擬仿真實驗教學的建設

針對當今機械原理實驗教學中的問題和目前市場對人才需求的類型，為了改變現狀，切實提高高校的產出，我們提出的合理措施就是把虛擬現實技術與機械原理實驗教學結合起來。如果能將VR技術應用到機械原理的實驗中，很多目前傳統手段無法解決的問題就會迎刃而解。

（一）VR與機械原理實驗的結合

下面將介紹虛擬現實技術應用于機械原理教學的主要思路。隨著信息化技術的飛速發展，虛擬現實技術逐漸在實驗教學中得到了廣泛的應用，虛擬現實實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，是學科專業與信息技術深度融合的產物。虛擬現實實驗教學建設工作堅持“科學規劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續發展”的指導思想，以全面提高機械工程系學生的創新精神和實踐能力為宗旨，以共享優質實驗教學資源為核心，以建設信息化實驗教學資源為重點，分年度建設一批具有示范、引領作用的虛擬現實技術實驗教學中心，持續推進各學科實驗教學信息化建設。若要在實驗教學中運用好虛擬現實技術，一定要建設合理的虛擬仿真平臺和教學團隊[5]。

虛擬實驗平臺主要由硬件和軟件組成。主要的硬件設備有計算機、跟蹤設備、觸覺器與運動反饋設備等。主要的軟件有操作系統和窗口系統，還有圖形圖像處理與開發、語言識別系統、虛擬現實處理等工具軟件。系統在虛擬環境準備就緒后，用戶和外部受監控對象通過跟蹤設備、語音設備等設備給計算機發出指令[6]。計算機通過指令更新當前虛擬環境并通過傳感器將信息傳送給用戶，系統組成基本上就包含這些部分。

結合武漢科技大學機械原理課程運用的實驗教學方案，發揮專業、課程優勢，積極利用企業的開發實力和支持服務能力，充分整合學校信息化實驗教學資源，以培養學生基礎認知、綜合設計和創新能力為出發點，在虛擬仿真平臺內搭建基礎認知類實驗、參數測試實驗、原理驗證類實驗和綜合訓練類實驗等教學內容，從而提高教師教學能力，拓展實踐領域，豐富教學內容，降低成本和風險，開展綠色實驗教學[7]。

（二）實驗教學案例

1.齒輪加工實驗

在機械原理教學中，有若干核心的實驗，其中就包括齒輪加工實驗。傳統的齒輪范成加工實驗都是通過齒輪范成儀，結合手工描線，最終做出一張齒輪輪廓圖，這樣的輪廓圖明顯具有誤差大、效率低、操作難度高等缺點。這里我們就以VR齒輪范成加工的實驗為例，為大家簡要介紹引入VR技術后的實驗流程。

如圖1所示，學生端在開始界面可以選擇齒輪類型：標準齒輪（[x=0]）或者變位齒輪（[x=xmin]）。如果選擇標準齒輪，則需要輸入分度圓直徑[d]與模數m，例如輸入[d=340mm]，m20，那么系統會直接開始演示齒條刀具加工齒輪的過程，最終形成齒輪的輪廓，如圖2所示。值得注意的是，如果通過其他參數進行操作，在輸入的齒數值Z<17時，系統提示會出現根切現象，如果繼續生成模型，最終會形成產生根切的齒輪。對學生來說，這非常直觀地反映了在齒輪加工過程中的注意事項，也為后面的學習打下了良好的基礎。

在選擇變位齒輪時，相比標準齒輪多了一步，計算并選擇合理變位系數，學生需要充分利用所學理論知識，主要用到的原理有：

在進行充分準備和計算后，最終用自己的數據將齒輪“加工”出來時，學生普遍會產生強烈的成就感，在生動的VR實驗過程中將理論知識鞏固加深，并對齒輪的基本參數及范成加工流程了然于胸。

2.連桿機構運動仿真

接下來簡單介紹機械原理中另一個基礎且核心的實驗：連桿機構的運動仿真實驗。實驗教學選擇到的虛擬仿真平臺是SOLIDWORKS 2016，它可以對課本上的平面連桿機構做到全面且透徹的建模與仿真分析。

首先是建模環節，如圖3所示，我們建立基座1。然后加入連桿1，如圖4。這里需要注意的是連桿上的孔和基座上的軸尺寸必須配合恰當。

我們將基座1與連桿1裝配連接起來，如圖5所示。然后相繼加入連桿2、連桿3和基座2，并將它們一一裝配起來，其過程分別如圖6、7、8所示。

這里值得注意的是，三個連桿的尺寸是在提前計算好的情況下才開始建模的，桿長必須滿足最基本的運動條件，學生對于曲柄搖桿機構、搖桿機構、雙曲柄機構在何種條件下形成必須十分清楚，如果學生沒有提前做準備，很有可能建立的機構最后在仿真時無法動起來。

在建模和裝配的過程中，常常會遇到各種問題，此時學生可以回想前面的步驟是否出現過問題或錯誤操作，然后反復嘗試，最終基本都能在不借助教師的幫助下獨立完成所有步驟。

完成建模的最終模型如圖9所示，這是一個標準的曲柄搖桿機構。接下來我們對這個機構進行運動仿真且對主要連桿進行運動軌跡分析，幫助學生更深刻地理解連桿機構的組成和運動方式，驗證理論知識的正確性。

我們在連桿1與基座1的節點處添加馬達，選擇好馬達的種類和旋轉角度，編輯好相移，就可以開始運動仿真，其過程可見圖9、10。

我們對連桿1與2之間的節點和連桿2與3之間的節點進行軌跡追蹤，如圖11和圖12，可以清晰地看到整個機構運動過程中曲柄和搖桿的運動軌跡。這種直觀的呈現對學生對平面連桿機構的學習和理解有極大幫助，使學生日后的作圖能力和分析計算能力顯著提高。

這樣的教學使課后的反饋極佳。大多數學生在最終上交實驗報告時，一改以前抄襲嚴重的狀況，連實驗心得都主動詳細地表達出來，與教師的互動也更加頻繁，課堂效果改觀顯著。在統計學生的反饋意見時，我們發現絕大多數學生都對新的實驗形式和教學手段表示肯定，并有不少學生表示想申請進行第二次實驗。由此可見其對學生的學習積極性這方面的提升作用明顯。

仿真與傳統實驗的最大不同之處在于學生可以不受限制地去嘗試，遇到困難后對實驗的畏難心理自然會大大減少，而且仿真實驗的教學效果往往等價于甚至優于在真實環境中所取得的效果。

三、教學效果

實驗教學和理論教學是一個整體，兩者密切相關，重視理論課程的同時也要重視實驗課程。我校通過將虛擬現實技術與機械原理實驗相結合，取得了豐碩的教學成果，學生在實驗課上十分活躍，才思涌動，幾乎每個人都有自己獨特的實驗見解。學生通過動手實際操作證明了自己的想法，在不斷的思考之中學習，創新創造能力得到了極大的提高。學生的學習積極性由被動逐漸變為主動，參加機械創新大賽和科技比賽的種類、次數增多。學生不僅僅有機會參加高校聯盟舉辦的競賽，還有機會參加大型企業舉辦的科技競賽，比如機械設計創新大賽、全國3D大賽、全國大學起重機大賽等一系列全國性的大賽，比賽成果頗豐，數次獲得一等獎、二等獎等獎項。此外，學生還積極申報各種機械創新方面的專利，在教師的指導下，已成功申請數十項實用新型專利和發明專利。一些企業看中了某畢業生的實力，直接對其進行錄用，使學生的就業率提高了2個百分點。為了響應國家對創新型人才的需求，我們要堅持以創新為中心，通過教學改革以及現代化教學手段，不斷培養高素質技能型人才。

不得不承認的是，VR技術尚未完全成熟，很多關鍵的問題也亟待解決。首先，其安全性目前尚不能確認，長期使用VR設備沉浸在虛擬世界中，學生可能產生疲勞、眩暈、惡心等癥狀（尤其是3D眩暈人群），如此會帶來短暫性健康問題，至于長期健康影響目前尚不明確;其次，在虛擬現實的教學課堂中，教師其實很難掌控教學過程的開展，難以根據學生的學習情況對教學方案做出實時調整，缺乏有效的學習評估和監控工具;最后，虛擬現實教育環境下學生的認知負荷會明顯增加，多項研究表明，VR世界的豐富內容和逼真情景會影響學習者的認知能力，從而干擾其對重點內容的判斷。這就要求，學校要專門構建沉浸性學習空間，充分考慮學生的認知和學習特點，避免信息過載，將學習軟件與休閑娛樂的游戲空間區分開來，以凸顯教育的目的。

四、結論

將VR技術引入中國教育事業之中，是一個大膽的嘗試，也是響應目前習近平總書記創新改革號召的有力舉措。引進最新科學技術，創建基于虛擬現實平臺的實驗教學體系，結合先進的實驗教學模式，深化課程教學改革，可全面提升課堂教學水平和人才培養質量。我們采用多種系統建模技術相結合，以達到機械原理實驗教學效果最優化;強調提高虛擬實驗室“自適應性”和協作性，充分融合實驗教學特點。系統能從環境中獲取信息，并自動改善其性能，實時進行更新。考慮到科學實驗的協作性，我們采取了基于協作虛擬原型的協同設計方法作為協同設計實現的思路;通過虛擬實驗平臺模擬實驗真實場景，讓學生進行相關實驗操作，對零件、機構、漸開線齒輪范成原理和減速器的拆裝等都有了充分的認識;積極利用企業的開發實力和支持服務能力，建設校企資源共享平臺，培養學生綜合設計和創新能力[8]。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 洪炳榮，蔡則蘇，唐好選.虛擬現實及其應用[M].北京：國防工業出版社，2005.

[2] Su Zhuan. Research on Teaching Innovation of Art Design Based on Virtual Reality Technology[C]. Proceedings of 2019 International Conference on Management， Education Technology and Economics，2019.

[3] 陳容容，孫益頂，魏東盛，等.多媒體虛擬仿真教學法在微生物學實驗中應用[J].實驗室研究與探索，2015（11）：194-196，200.

[4] 徐春明，周艷，孫瑛，等.機械設計實驗教學創新實踐[J]. 大學教育， 2018（12）：57-59.

[5] 何玉林.“機械原理”課程實驗教學的現狀分析與改革[J].高教論壇，2014（10）：25-27.

[6] 楊卓娟，楊曉東.機械類專業課程內容分類及其對應教學方法[J]. 中國大學教學，2016（4）：40-43.

[7] 王樹國.面向創新創業教育 深化工程教育改革[J].中國高教研究，2016（1）：48-49.

[8] 徐春明，周艷，孫瑛，等.機械原理實驗教學改革與實踐[J].大學教育，2018（11）：89-91.

[收稿時間]2020-07-21

[基金項目]武漢科技大學教學研究項目：虛擬仿真平臺在機械原理實驗教學中的應用研究（2019X051）。

[作者簡介]徐春明（1973—），男，湖北人，碩士，工程師，研究方向：機械工程。

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