計算機仿真在機械類專業工程實踐教育中的應用

張亞平　李秋爽

摘要：現階段的機械類專業工程教學存在著明顯弊端，難以培養學生的實踐能力。鑒于此，應當在機械類專業工程實踐教育中應用虛擬仿真技術，開展計算機仿真教學。應用虛擬仿真技術開展仿真教學，可以提高學生的學習興趣和積極性，提高學生的實踐能力和操作技能，降低教學成本和風險，提高教學效率和質量，培養學生的創新能力和實踐能力。

關鍵詞：機械類專業工程教學；實踐教育；計算機仿真；應用

一、前言

虛擬仿真技術可以模擬真實的工程場景，讓學生感受到實際操作的樂趣，從而激發學習興趣和積極性。虛擬仿真技術可以讓學生進行多次實驗和操作，從而加深對機械類工程知識的理解和掌握，提高實踐能力和操作技能。虛擬仿真技術可以減少實驗設備的購置和維護成本，同時避免因操作不當或設備故障等原因導致的安全風險。虛擬仿真技術可以實現教學內容的可視化和互動，讓學生更加深入地理解和掌握知識，提高教學效率和質量。虛擬仿真技術可以模擬不同的工程場景和實驗條件，讓學生在實踐中培養創新思維和實踐能力，為未來的工程實踐打下堅實的基礎。

二、現階段機械類專業工程教學存在的弊端

（一）國內制造業的發展，對機械類專業工程教學提出了新的要求

2000年以來，國內制造業取得了顯著的發展。據國家統計局統計，2014年，國內規模以上制造業企業總數為32.70萬家，制造業行業總資產為65.12萬億元，制造業行業年營業收入超過90萬億元。2021年，國內規模以上制造業企業總數已超過37.34萬家，制造業行業總資產超過97萬億元，制造業行業年營業收入超過96萬億元；制造業行業吸納的勞動力總量超過1.04億人。制造業的蓬勃發展，不僅拉動了國民經濟的增長，解決了億萬勞動力的就業問題，促進了工業化的升級；同時也推動了機械類專業工程教學的發展。但國內制造業企業雇傭的員工大部分沒有接受過良好的機械專業工程教育，無法成長為技能型人才、應用型人才。因此，制造業企業急需大量掌握豐富理論知識，同時具有較強實踐能力的應用型人才[1]。

（二）現階段機械工程類專業教學模式存在的主要弊端

2022年5月，杭州某師范高校職業技術教育學的專家為研究現階段機械類專業工程教學的實際情況，隨機選擇各地5所開設機械工程類專業的高職院校，對5所院校機械工程類專業的學生進行了一次問卷調查。參與此次調查的學生共有397人。此次調查顯示，在全部接受調查的學生中，有56.4%的學生表示自己具有豐富的理論知識，但卻缺乏實踐經驗；有48.3%的學生表示教師在上課時，主要采用講授法；有38.04%的學生表示教師講課的內容非常難，有27.09%的學生表示教師講課的內容比較難，只有7%的學生表示教師講課的內容不太難；有53.8%的學生認為自己在課堂上學到的知識太過時，沒有與制造業企業的生產需求接軌；有20.1%的學生表示自己沒有參加過專業的相關實習，有55.3%的學生表示自己只參加過一次與專業相關的實習；有64.89%的學生表示實習以參觀為主，難以深入了解設備運作、制造流程、制造工藝的具體情況；有37.22%的學生表示在實習期間，企業非常重視技術保密，不愿向學生透露過多的專業知識；有48.1%的學生表示實習時間過短，在實習期間難以培養、鍛煉實踐能力；有39.49%的學生表示在實習期間缺乏實操訓練，或沒有參加過頂崗實習；有59.41%的學生表示自己缺乏解決復雜問題的能力。有36.5%的學生承認自己的實踐能力薄弱；有58.7%的學生表示對自己個人前景感到迷茫；有11.98%的學生表示自己曾經考慮換專業。

通過此次調查，可以發現，現階段機械工程類專業教學模式存在的弊端主要有以下幾點：1.機械工程類專業教學以理論教學為主，在課堂教學中，教師主要采用傳統的講授法給學生上課，這種教學方式使學生難以學習、掌握實踐技能（60%的學生表示自己具有豐富的理論知識，但卻缺乏實踐經驗）；2.機械工程類專業教學的內容具有一定的難度，而且，教學內容往往與企業生產相互脫節（接近三分之二的被調查學生認為教師講課的內容“非常難”或“比較難”）；3.開展實習教學存在較大的客觀困難。高職院校在開展實習教學時，往往采用校企合作的方式，聯絡制造業企業，組織學生到企業參加實習，這的確是培養學生實踐能力的一種有效方式。但當前的實際情況是許多制造業企業對校企合作缺乏興趣，不歡迎高職院校的學生到企業來實習（有20.1%的學生從未參加過本專業的相關實習）；另一些制造業企業雖然參與校企合作，但采取各項保密措施，企業的技術人員不肯向學生透露本企業設備運作、制造流程、制造工藝的具體情況，使實習變成了參觀。學生在實習過程中，很少有機會參與實操訓練、頂崗實習。因此，實習教學的效果較差，難以培養學生的實踐能力和解決復雜問題的能力，由此導致超過三分之一的學生認為自己的實踐能力薄弱。由于缺乏實踐能力，許多學生對個人發展前景感到悲觀、迷茫，甚至考慮改換專業。

三、在機械類專業工程實踐教育中應用計算機仿真教學

（一）計算機仿真教學

計算機仿真教學，指的是使用先進的信息技術，基于某一教學主題，采集真實世界中與該教學主題相關的大量信息，再使用計算機系統，結合教學內容，對采集的信息進行綜合處理，并向學生發送視覺信息、聽覺信息等各種形式的信息，從而模仿真實世界，構建形成一個虛擬世界，吸引學生投入沉浸式教學。學生在這個虛擬世界中，可以與仿真對象進行互動，主動探索各種知識。

計算機仿真教學最早出現在美國，在20世紀80年代，美國空軍采用計算機仿真教學訓練飛行員，取得了很好的效果[2]。此后，美國高等院校對計算機仿真教學產生了興趣，各高校（包括加利福尼亞大學伯克利分校、斯坦福大學、巴布森學院、哈佛大學醫學院等名校）紛紛引入、應用計算機仿真技術，構建虛擬仿真實驗室，在電氣、機械制造、機械生產、醫學護理、物流、金融投資、會計、運輸管理等各個專業開展計算機仿真教學，取得了顯著的效果。近年來，計算機仿真教學傳入國內，許多高校都建立了虛擬仿真實驗室，虛擬仿真教學平臺[3]。

與傳統的課堂教學、實習教學相比，計算機仿真教學具有明顯的優勢。

1.教學成本較低

高校對學生開展實習教學，必須配置大量器材、設備、材料；這無疑會消耗大量教學經費。對學生開展計算機仿真教學，則不需要使用任何器材、設備、材料，但學生同樣可以獲取真實的信息，從而保證教學質量。

2.互動性較強

在傳統的課堂教學中，教師必須抓緊時間完成教學進度，因此，教師往往采用講授法上課，很少有時間與學生進行雙向互動；而且，教師向學生傳授的知識，主要是抽象的專業理論知識，這些抽象的專業理論知識與學生的日常生活存在相當大的距離，因此，學生容易出現學習困難[4]。教師對學生開展計算機仿真教學，可以結合仿真情景進行講解，將抽象概念變得形象化、可視化，從而降低學生的學習困難，并且實現理論教學與實驗教學的相互融合。學生在聽講過程中可以參與動手操作，教師可以觀察學生的操作過程，并對學生進行現場指導。因此，計算機仿真教學的互動性較強，學生在互動過程中，可以深入理解、掌握大量知識，從而提升學習效率。

3.可以為學生提供更多的實操訓練機會

對學生開展計算機仿真教學，可以使學生詳細了解真實企業生產、運作的具體情況，可以使學生獲得更多的實操訓練機會，從而培養學生實踐能力。在開展計算機仿真教學的過程中，教師還可以有意識地向學生設置一系列具有挑戰性的問題，并運用小組合作教學法，組織學生去解決這些問題，從而鍛煉學生解決復雜問題的能力[5]。

4.計算機仿真教學的靈活性較高，更新比較便捷

現階段，學生的實習教學幾乎等同于企業的實際生產。但企業的實際生產過程較為單調枯燥，企業的生產環境比較封閉，且潛伏著一些危險因素；許多操作具有不可逆性，此外，企業往往對生產技術、生產工藝進行嚴格保密。學生在實習過程中，往往很難真正學到有用的、有價值的知識[6]。

（二）在機械類專業工程實踐教育中應用計算機仿真教學

目前，國內已經有多所高校，天津大學、華中科技大學、浙江大學、山東建筑大學、上海理工大學等在機械類專業工程實踐教育中應用計算機仿真教學。教育部還牽頭成立了高等學校機械工程學科虛擬仿真實驗教學共享平臺（http：//www.vrlab-mech.com），該平臺開設了工程圖學虛擬仿真實驗、齒輪泵裝配體虛擬仿真實驗、減速器底座加工工藝虛擬仿真實驗、典型輪系運動虛擬仿真實驗、機構結構認知與組成實驗、齒輪傳動裝置的潤滑與密封設計、聯軸器類型、結構與選用虛擬實驗等近百門課程，各高校機械工程專業的學生只要登錄平臺，就可以觀看課程，接受仿真教學[7]；學生還可以在平臺上進行課程實驗，并上傳實驗報告。教師可以在線批閱學生的實驗報告，并進行評分。下面，將論述在機械類專業工程實踐教育中應用計算機仿真教學的兩個方案。

1.引入虛擬仿真軟件

在機械類專業教學中引入虛擬仿真軟件，如SolidWorks、CATIA、ANSYS等，讓學生能夠在計算機上進行機械零部件的設計、模擬、分析和優化等實踐操作。通過引入虛擬仿真軟件，可以提高機械類專業學生的實踐能力和理論知識水平，為未來的工作和研究打下堅實的基礎。

使用虛擬仿真軟件開展教學，要確定仿真教學的具體目標（如引導學生理解機械設計原理、加深對機械加工工藝的理解），教師要根據教學目標，在虛擬仿真軟件中建立機械模型，設置仿真參數（如運動軌跡、受力情況等）。學生通過虛擬仿真軟件進行機械零部件的三維建模和裝配，可以掌握機械設計的基本方法和技能。同時，可以讓學生了解機械零部件的設計要點和注意事項。學生通過虛擬仿真軟件進行機械零部件的運動學和動力學模擬，可以了解機械零部件的工作原理和特性。通過模擬，學生可以更加深入地理解機械原理和運動學知識。學生通過虛擬仿真軟件進行機械零部件的強度、剛度、耐久性等分析，從而提高機械分析和優化的能力。通過分析，學生可以更加深入地了解機械零部件的特性和優化方法。學生通過虛擬仿真軟件進行機械加工和裝配的模擬，可以了解機械工藝的流程和要點，掌握機械加工和裝配的方法和流程。學生應用虛擬仿真軟件進行仿真分析，還可以觀察機械模型的運動、受力情況等。并根據仿真分析結果，對機械模型進行優化設計，改進機械設計方案。

2.引入AI技術和大數據技術

通過引入AI技術和大數據技術，構建一個智能化的機械類專業工程教學平臺，可以提高學生的實踐能力和應用能力。該平臺包括虛擬實驗室、虛擬仿真軟件、機器人輔導等多種教學工具，通過數據采集、數據分析、數據應用等手段，為學生提供全方位、個性化的實踐教學支持。

（1）建設虛擬實驗室

針對機械類專業工程教學中的實踐教學難點，建設虛擬實驗室。虛擬實驗室可以推動實踐教學走向數字化、智能化。虛擬實驗室包括多個實驗模塊，如機械加工、焊接、機器人控制等，學生可以在虛擬實驗室中進行模擬實驗。實驗室還可以提供其他相關的教學資源和教學指導，幫助學生更好地進行實踐操作和理論學習，從而提升學生的實踐能力和理論知識水平，學生在虛擬實驗室中，可以更加深入地了解機械工程的應用場景和實際問題，提高解決實際問題的能力。

還可以在虛擬實驗室的基礎上建設虛擬工廠。虛擬工廠可以模擬真實機械工廠的生產過程，讓學生了解機械工廠的生產環節，引導學生在虛擬環境中認識、了解各種機械設備，以及機械制造的具體過程。建設虛擬工廠，需要使用AutoCAD、Revit等建模軟件進行建模。并且要設計工廠布局和生產線，包括選擇設備、布置設備，學生在虛擬工廠中接受仿真教學。教師可以針對機械類專業工程教學中的實踐教學難點，建設多個虛擬仿真模塊，學生在虛擬仿真模塊中進行模擬實踐。

（2）引入AI技術

通過引入AI技術，可以為學生提供更加智能化的實踐教學。

①提供個性化學習建議：AI技術使用機器學習算法，針對學生的學習情況和實踐表現，為學生提供個性化的學習和實踐建議，從而提升學生的實踐能力。

②智能化實踐評估：AI技術使用深度學習算法，對學生在虛擬仿真軟件中的實踐數據進行分析和評估，為教師提供更加準確的學生評估和教學反饋。

③智能化實踐輔導：通過機器人輔導技術，為學生提供智能化的實踐輔導和指導，幫助學生掌握實踐技能和方法。

④智能化監控：引入AI技術，可以對學生的操作過程進行監控和評估，及時反饋學生的錯誤和不足之處。通過攝像頭等設備對學生的操作過程進行實時監控，記錄學生的操作步驟和過程。通過AI技術對學生的操作過程進行分析和識別，及時發現學生的錯誤和不足之處，再對學生的錯誤進行糾正和指導，幫助學生提高實踐能力。

（3）引入大數據技術

采用大數據采集技術，通過傳感器、監控等設備采集學生在虛擬仿真教學中產生的各種數據。利用數據挖掘技術和分析技術，對學生在虛擬仿真軟件中產生的各種數據進行分析和挖掘，教師根據數據分析結果，調整教學內容，補齊學生的短板，提升學生的實踐能力。此外，還可以通過校企合作，將學生在虛擬仿真教學中產生的各種數據應用于機械企業的實際生產和制造；利用傳感器等設備對實際生產過程中的數據進行收集和記錄，完成必要的數據整理、初步分析，提取出有用的信息和特征；再將機械企業的實際生產和制造中產生的各種數據反饋給學生，幫助學生更好地了解企業的生產需求和技術應用，了解生產過程中的各種問題和挑戰，了解機械加工的基本工藝、機床的使用和操作、機械加工的質量控制、機械設備的保養、維修和故障排除等內容，從而培養學生的實踐能力。

（4）引入機器人輔導技術

引入機器人輔導技術，可以為學生提供智能化的實踐輔導和指導，機器人輔導技術包括機器人輔導、機器人示范等，學生可以通過機器人輔導和機器人示范來學習和掌握實踐技能。

（5） 建設智能化實踐評估系統

建設智能化實踐評估系統，對學生在虛擬實驗室、虛擬工廠和虛擬仿真軟件中的實踐數據進行分析和評估，為教師提供更加準確的學生評估和教學反饋，從而更好地促進學生的實踐能力提升。

通過應用虛擬仿真技術，可以提高學生的實踐能力和應用能力；提高機械類專業工程教學質量和教學效率；增強學生的創新能力和競爭力。

四、結語

綜上所述，近幾年來，在制造業蓬勃發展的大背景下，機械類專業工程教學取得了較快發展，但機械類專業工程實踐教學卻面臨各種困難，難以提升學生的實踐能力。因此，應當在機械類專業工程教學中應用虛擬仿真技術，推廣計算機仿真教學，從而培養學生的創新精神與實踐能力，提升機械類專業工程教學的整體質量。

參考文獻

[1]姜潮，楊旭靜，龍湘云，等.智造賦能傳統工科專業升級轉型的探索與實踐——以機械工程專業為例[J].高等工程教育研究，2022（04）：25-30.

[2]李春磊，李亮.工程認證驅動下的應用型機械類專業人才培養內涵創新及其體系重構[J].內江科技，2022，43（05）：32-34.

[3]張建平.以就業為導向的機械工程專業課程體系構建探究——以上海理工大學為例[J].高教論壇，2022（05）：35-38.

[4]魏靜，劉達斌，黃聰，等.面向產品實現過程與科教融合的機械類本科生人才培養改革與實踐[J].高教學刊，2022，8（13）：129-132.

[5]顏良法，章晨曦.多元化、多角度產教融合在職業教育中的實踐探討——以機械制造類專業為例[J].科技視界，2022（10）：162-164.

[6]郗艷梅，張鐵壁，張鵬程.地方新工科機械類專業產教融合模式的探索與實踐[J].教育教學論壇，2022（11）：133-136.

[7]白云.校企合作下的機械類專業實踐教學模式構建[J].現代制造技術與裝備，2022，58（02）：210-212.

作者單位：信陽職業技術學院