“新工科”背景下工程机械类虚拟仿真实验教学资源建设

刘 磊，张嘉鹭

（1.徐州工程学院 机电学院，江苏 徐州 221000；2.江苏师范大学 轨道交通信息与控制国家级虚拟仿真实验教学中心，江苏 徐州 221000）

实验教学是“新工科”专业培养创新型人才的重要途径，云计算、“互联网+”、虚拟现实等现代信息技术为“新工科”实验教学提供了全新的教学手段[1-3]。2017年4月，教育部高教司发布的《“新工科”建设行动路线（“天大行动”）》中明确指出：“充分利用虚拟仿真等技术创新工程实践教学方式”，由此可见，基于现代信息技术的虚拟仿真实验资源已成为高校实践教学的重要组成部分，并在“新工科”专业建设中发挥着越来越重要的作用。

工程机械专业传统实验方法存在成本高、耗时长、效率低等问题，学生难以在短时间内对大型工程机械的结构特征形成感观认知，更难以掌握工程机械复杂的运用方式、检修工艺和设计方法[4]。因此，在“新工科”背景下，如何借助虚拟仿真技术建设实验教学资源，进而提升实验教学质量，成为当前工程机械专业建设和发展过程中亟需解决的问题。

1 建设意义

建设工程机械类虚拟仿真实验教学资源并在线开放，可有效推进现代信息技术融入工程机械专业实验教学，进而拓展实验教学的广度和深度、延伸实验教学的时间和空间[5-8]，对改进现有实验教学方法具有较大意义。具体体现在以下3个方面。

（1）降低实验教学成本。工程机械专业实体实验设备极为昂贵，安装、维护过程繁琐，且不能模拟异常工况。而参照高精度工程图纸建设工程机械类虚拟仿真实验教学资源，可有效缓解实验设备购置经费短缺、实验用房紧张等问题[9]。且实验资源的更新换代仅须在服务器中重新部署软件即可，可以显著降低实验教学成本[10]。

（2）优化实验教学资源。基于 B/S架构建设的工程机械类虚拟仿真实验教学资源，可在根本上解决 C/S架构资源仅能单机使用的问题，所有实验项目均可远程在线学习、操作和考核，学生不必受制于实验设备、实验时间和实验分组等，借助计算机和互联网即可完成实验。学习者还可通过网络共享平台实现复杂困难实验的异地分布式多人协同作业，达到了实验教学资源优化与开放共享的目的[10-12]。

（3）提高实验教学效果。工程机械体积庞大，零部件数以万计，若通过实体实验设备进行教学，则存在内部结构不易观察、装配关系难以理解、异常工况无法再现等问题，教学效果难以保证。而通过虚拟仿真技术建立的工程机械交互式三维模型可轻松实现复杂设备透视化、装配关系动态化，并通过参数变换功能实现不可及、不可逆工况的模拟[13]。

2 建设内容

（1）构建“一心四环”的教学资源体系。本实验教学资源立足工程机械领域，采用数字虚拟仿真、人机交互等先进的教育信息化技术，以“工程机械实验资源”为中心，构建模拟操作、结构装配、液压原理和性能测试4个方面的虚拟仿真实验教学资源，单个教学资源又可分为若干实验项目，形成“一心四环”的实验教学体系，如图1所示。

图1 虚拟仿真教学资源体系

（2）搭建基于“互联网+”的共享机制。本实验教学资源基于Web GL技术开发，以Unity 3D为三维引擎，通过 B/S架构将虚拟仿真实验教学软件部署在服务器上，配合 SQL Server、Oracle等数据库软件，用户仅需安装浏览器（如火狐、谷歌浏览器等）即可通过互联网访问服务器内的教学资源。由于所有客户端均统一为Web浏览器，因此在无须安装任何其他软件的前提下即可进行虚拟仿真实验，最大程度上实现资源共享的功能。网络共享机制如图2所示。

图2 网络共享机制

（3）建立“三位一体”的网络共享平台。依托我校“工程机械检测与控制”江苏省高校重点实验室，搭建开放共享的网络教学平台，对所建设的虚拟仿真实验教学资源加以整合及数据接入。依次建立针对学生的实验教学平台、针对企业职工的实践培训平台和针对教师的科研服务平台。3个平台功能联动、相辅相成，形成一体化相互推动关系。同时，优化平台技术体系，建立统一的接口标准，促进虚拟仿真共享平台和实验项目的无缝对接与互相支撑。共享平台架构如图3所示。

图3 共享平台架构

（4）探索“优化再生、持续提升”的管理模式。首先，搭建科学的绩效评价体系和完善的服务支撑体系，依托虚拟仿真网络共享平台，对在线开放的虚拟仿真实验教学项目实施动态评价制度；其次，采用有偿使用原则，引入市场力量探索“互补互利、成本均摊、服务有偿、收益共享”的运行模式[14]，以促进实验教学资源优化再生和持续提升；最后，在主管部门指导下，采取“统一管理、统筹规划、资源共享、有效利用”的管理模式，实现工程机械虚拟仿真实验教学资源的科学高效管理。运行与管理机制架构如图4所示。

图4 运行与管理机制架构图

3 建设成果

近3年，我校已开发工程机械类虚拟仿真实验教学资源共计7套。本文以“挖掘机驱动系统虚拟仿真实验教学资源”为例进行介绍。该资源共包含“挖掘机模拟操作”“挖掘机结构装配”“挖掘机液压系统搭建”及“挖掘机性能测试”等4个虚拟仿真项目。

（1）挖掘机模拟操作。该实验主要考查学生对挖掘机基本操作的掌握程度，以及手柄操作方向与挖掘机相应动作的对应关系，使学生能灵活根据需要完成挖掘机的复合动作。为使学生习惯交互式操作界面，特别设置了练习模式和考核模式。考核模式界面如图 5所示，在图中上方红框区域内，有操作时间计时、操作步骤计数及当前的实验分数，学生综合操作左操作手柄和操纵杆，完成挖掘机的沙土装料、运输、倒料和回原位等工作。

图5 模拟操作实验界面

（2）挖掘机结构装配。该实验项目主要考查学生对挖掘机结构和关键元件安装位置的了解。实验的操作分数主要以元件放置位置的准确性和操作时间来评价。交互界面上有时间进度条，在平均时间以内完成的，成绩合格，时间越短分数越高；反之，在平均时间以上的，建议返回“实验内容”重新学习。实验界面如图6所示。

图6 结构装配实验界面

（3）挖掘机液压系统搭建。该实验项目主要考查学生对挖掘机各工作机构的液压控制回路的掌握，加强学生对液压元件图形符号、作用及液压基本回路的认识和使用。该实验的评价采用操作准确性和操作时间来判定，界面上方有时间进度条。另外，为了避免单纯的元件拖动带来的枯燥感，当学生完成一个回路操作后，系统会根据学生操作准确度，给予一定的分数或五角星奖励，并随机出现鼓励语言，增加趣味性。液压系统建模交互界面如图7所示。

图7 液压系统建模交互界面

（4）挖掘机性能测试。该实验项目主要考查学生对液压调速回路特性的掌握，以及调速回路在实际液压设备中的应用和具体体现，学会对液压系统的压力信号及执行元件的位移进行采集及显示等。该实验分为两部分：一部分是多路阀开口度对动臂上升速度的影响；另一部分是负载对动臂上升速度的影响。实验操作也具有计时功能，一方面用以评价学生的实验成绩，另一方面也便于统计学生完成实验的时间，便于后续对实验软件进行优化。动臂控制系统性能测试实验界面如图8所示。

图8 动臂控制系统性能测试交互界面

4 结语

我校地处“中国工程机械之都”徐州，毗邻徐工集团、卡特彼勒、海伦哲等国内外知名工程机械类企业，所建设的虚拟仿真实验教学资源已提供给周边高校及上述企业共享使用。3年以来，已为徐州工程学院培养毕业生 1 800余人，为中国矿业大学、徐州工业职业技术学院、徐州技师学院等周边高校培养学生1 600余人，为徐工挖掘机事业部、装载机事业部、起重机事业部等企业培训职工500余人。已开出校内实验27 000余人时数，开出校外实验35 000余人时数。

通过对虚拟仿真实验教学资源的深入推广，使在校学生及新入职员工的专业技能和解决实际问题的能力得到显著提升，实现了虚拟仿真实训与工程实践的无缝对接，可为“新工科”虚拟仿真实验教学资源的建设提供参考。