機械工程專業虛擬仿真實驗開發與教學實踐研究
——以驅動橋虛擬試驗為例

許江濤，馮勇，閆國棟

（南京工程學院 機械工程學院，江蘇南京 211167）

隨著計算機、電子信息和互聯網技術等現代信息技術的高速發展，社會對應用型人才的需求不斷擴大，加快了高等教育教學改革的步伐，促進了教學模式的多元化。教育信息化是信息時代教育改革發展的必然要求，也是教育現代化的核心特征，在實踐教學中對提升學生綜合實踐能力和創新創業能力發揮了不可替代的作用。

然而目前大多數虛擬仿真實驗是以實驗項目為主，而不是以方法為中心，在教學中仍存在直觀性差、配套服務和軟件開發不足、系統性差、不成體系等問題。

（1）解決實驗室實驗過程中存在的問題。

通過機械工程專利開展虛擬仿真教學的開發，旨在解決機械工程專業實驗存在的問題，解決如占空間大、存在潛在危險、成本高、結果不容易詳細觀察等；基于現有裝備，利用虛擬仿真軟件開發虛擬測試實驗，提高學生學習的興趣，讓學生從設計者視角了解裝備本身，構建了更完整的學習情景。

（2）促進教學與科研密切聯系。

基于現有裝備開發虛擬測試實驗，包括三維實體構建、材料屬性和邊界約束的虛擬鏡像、模擬加載以及對結果的查看和分析。學生不僅需要熟悉裝備設計的專業知識，也要具備對結果進行綜合分析和判斷的能力。教師不僅要提高教學能力，也要對項目實施效果進行引導和預判，具備較高的科研水平。總之，虛擬實驗的開發促進教學、科研密切聯系，不僅有利于人才能力培養，也可促進團隊能力的提升和團隊精神的培養。

（3）建立教學效果考核、評價和反饋機制。

通過現代教育技術，改善教學手段，促進先進教育理念、教學模式、教學方法融入教學實踐活動中。虛擬仿真實驗教學中心的管理體系建設，有助于建立激勵學生學習和提高學生創新能力的教學效果考核、評價和反饋機制[2]。

二人置身絕壁，乍聞此聲，只驚得魂飛魄散，扭頭一望，但見一團碩大的陰影，正從云端飛速接近。它沖開云霧，兩只黃色的眸，像霧中的探燈，凝射著金電般的厲芒！

1 虛擬仿真實踐的內容

2013年啟動了國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作，將虛擬仿真技術引入本科實驗教學。隨著2015年《教育信息化十年發展規劃（2011-2020年）》和《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》的發布，全國各高校認識到信息技術在教育教學過程中的地位，建設了一批虛擬化實驗平臺，《教育部辦公廳關于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》的頒布，為我國本科實驗教學信息化建設給出了建設要點。

本文根據機械工程專業情況、人才培養方案，制定機械工程虛擬仿真實驗教學中心建設方案。首先根據專業的研究方向、課程群、培養方案確定需要進行實驗實訓的課程，然后本著“虛實結合，互為補充，能實不虛”的原則進行虛擬仿真實驗室建設。在硬件、軟件采購方面做到統籌規劃、系統建設，實驗平臺、管理系統同步設計，同時，根據實驗教學規劃進行虛擬實驗教學設計，制作虛擬實驗相關的教學資源[3]，具體如下：

（1）虛擬仿真實驗的架構設計。

虛擬仿真教學的目的是以學生為中心，開發實驗資源，突破空間和時間限制，給學生提供更多的自主性，發揮學生的創新性，因此虛擬仿真實驗教學資源的頂層結構設計與科學構建是關鍵。根據“虛實結合”與“能實不虛”融合，先進性與安全、環保和低成本運行融合，操作、解決實際問題、團隊協作的遞進式融合的要求，從頂層上進行結構優化設計，從整體上科學指導、規劃新項目的建設。

（2）虛擬仿真實驗的開發。

基于已有實驗設備、現有的理論和實踐教學資源，基于硬件設備、工具、場地等資源，利用虛擬現實技術，實現物理在的計算機中映射，結合專業知識，通過虛擬實驗結果可視化展示。開發過程體現產學研的有機結合，從而逐步形成集實驗教學管理、設備管理、實驗教學資源、技術交流等功能于一體的綜合性實驗管理與共享平臺，其建設過程充分體現模塊化、標準化、多元化三大特征[4]。

（3）虛擬仿真實驗的教學邏輯重構。

形成以學生為主體、教師為主導的在線設備生產環境，使產教融合到教學中。同時虛擬實驗更容易設置激勵環節，有助于更好地調動學生的主動性、積極性。

2 具體舉措

通過對虛擬仿真實驗教學資源進行結構設計和科學構建方法的研究，建立起模塊化、標準化、多元化的虛擬仿真實驗；同時，應用現代化教學手段構建以學生為中心的教學模式，實現物理的、虛擬的實驗教學資源的互聯互通、協同工作。達到在虛擬仿真實驗教學資源管理與共享平臺上開展經濟、可靠、安全的教學實踐活動的目的。

（1）虛擬仿真實驗的頂層架構。

虛擬仿真教學的目的是為了突破空間和時間限制，提供自主性、創新性的實驗機會和途徑，使優質教學資源得到共享。根據“虛實結合”與“能實不虛”的原則，從整體上科學指導、規劃新的虛擬實驗教學資源。學生通過3D 虛擬操作，掌握操作技能與工藝控制，獲得分析和決策能力；并通過機械優化操作訓練，提高分析和優化能力；通過協同操作虛擬仿真，實現生產制造的穩態運行，并得到虛擬產品，完成生產任務，團隊協作水平得到提升，全面提升學生工程意識、工程素質、工程實踐能力。

（2）虛擬仿真實驗的構建。

體現“以學生為中心”的實驗教學理念，推動虛擬仿真實踐教學創新。針對機械工程專業實驗設備昂貴和具有一定安全隱患等問題，利用專業的虛擬仿真軟件和現代化教學資源拓展實驗教學的深度和廣度，通過構建具備真實感的實驗情景，操作簡單、結果具備直觀性和精確性的虛擬仿真實驗教學平臺，實現理論與實踐教學的有機結合。

本文以某客車驅動橋虛擬實驗為例。針對電動客車驅動橋總成，開展調查研究，搜集資料，使用UG建模軟件完成對電動客車驅動橋的模型修改，完成對整個系統的合理簡化。確定不同部件的邊界條件和不同部件之間的接觸條件，然后使用動力學分析軟件ADAMS 進行不同工作狀態下的運動學與動力學仿真分析。通過LabVIEW 軟件設計開發一種模擬現實的仿真平臺，它可以取代傳統的儀表面板，然后在計算機系統上創建圖形面板[5]。根據虛擬仿真平臺獲得相應精確數據，對各個零部件進行數值計算和強度校核，設計界面如圖1所示。

圖1 四種工況仿真界面設計

通過驅動橋企業生產線的參觀實習，可提高學生解決復雜工程問題的能力。結合實際操作實習解決設備少，場地緊，費用高，與生產廠家溝通協調難度較大等問題。依托產學研項目，開發驅動橋虛擬仿真系統，用于學生實踐教學，充分發揮科研成果在教學工作中的作用，通過科研教學相互促進，培養學生的科研意識與興趣，實現科研與教學緊密結合。

（3）虛擬仿真實驗的教學邏輯重構。

在整個教學過程中，強調學生是主體、教師是主導。在教學過程中應用現代化教學手段和方法來充分調動學生的主動性、積極性。授課中，教師可通過強大的虛擬仿真系統，設定試驗任務、突發情況、擾動、優化目標、輪崗等，學生自主思考與設計操作方案，并虛擬化操作，完成任務。

在整個虛擬試驗教學運行的各個階段和環節合理設定反饋參數，通過對比不同階段和環節的評價參照標準、評價反饋策略和評價手段，確保反饋信息的真實性，并分析反饋信息對體系的影響，指導選取相應的校正措施，不斷修訂體系構架及內容，逐步達到預期目標。把研究型教學思想貫穿實驗教學的始終，根據專業類型設置遞進式實驗環節，如基本型實驗、提高型實驗和科技創新實踐活動，使學生獲得創新意識和工程實踐能力[6]。

3 結語

本文針對機械工程專業各課程體系中較為抽象的理論知識和原理，實驗設備昂貴和因具有一定安全隱患等因素而被擱淺的高質量實驗項目，堅持深化產教融合，充分利用校企雙方資源，本著“能實不虛，虛實結合”的原則，以驅動橋虛擬實驗為例，利用專業的虛擬仿真軟件拓展實驗教學的深度和廣度，構建具備高度真實感、直觀性和精確性的虛擬仿真實驗教學平臺，實現理論與實踐教學的緊密結合[7]。實現了人才培養與技術研發，學校與產業的協同聯動，具體成效如下：

（1）解決了實驗室硬件資源不足、學生參與熱情不高的問題，提高學生實驗能力。

（2）解決了機械裝備特別是大型設備實驗耗損大且存在安全隱患，實驗過程和結果不容易觀察、研究等問題。

（3）促進了教學和科研在學生培養過程中的有機結合，不僅有利于能力培養，也可促進團隊能力提升和團隊精神的培養。

（4）培養了機械相關專業實踐創新人才，提升其社會服務能力以及服務國家區域發展戰略的能力。