机械工程专业虚拟仿真实验开发与教学实践研究
——以驱动桥虚拟试验为例

许江涛，冯勇，闫国栋

（南京工程学院 机械工程学院，江苏南京 211167）

随着计算机、电子信息和互联网技术等现代信息技术的高速发展，社会对应用型人才的需求不断扩大，加快了高等教育教学改革的步伐，促进了教学模式的多元化。教育信息化是信息时代教育改革发展的必然要求，也是教育现代化的核心特征，在实践教学中对提升学生综合实践能力和创新创业能力发挥了不可替代的作用。

然而目前大多数虚拟仿真实验是以实验项目为主，而不是以方法为中心，在教学中仍存在直观性差、配套服务和软件开发不足、系统性差、不成体系等问题。

（1）解决实验室实验过程中存在的问题。

通过机械工程专利开展虚拟仿真教学的开发，旨在解决机械工程专业实验存在的问题，解决如占空间大、存在潜在危险、成本高、结果不容易详细观察等；基于现有装备，利用虚拟仿真软件开发虚拟测试实验，提高学生学习的兴趣，让学生从设计者视角了解装备本身，构建了更完整的学习情景。

（2）促进教学与科研密切联系。

基于现有装备开发虚拟测试实验，包括三维实体构建、材料属性和边界约束的虚拟镜像、模拟加载以及对结果的查看和分析。学生不仅需要熟悉装备设计的专业知识，也要具备对结果进行综合分析和判断的能力。教师不仅要提高教学能力，也要对项目实施效果进行引导和预判，具备较高的科研水平。总之，虚拟实验的开发促进教学、科研密切联系，不仅有利于人才能力培养，也可促进团队能力的提升和团队精神的培养。

（3）建立教学效果考核、评价和反馈机制。

通过现代教育技术，改善教学手段，促进先进教育理念、教学模式、教学方法融入教学实践活动中。虚拟仿真实验教学中心的管理体系建设，有助于建立激励学生学习和提高学生创新能力的教学效果考核、评价和反馈机制[2]。

二人置身绝壁，乍闻此声，只惊得魂飞魄散，扭头一望，但见一团硕大的阴影，正从云端飞速接近。它冲开云雾，两只黄色的眸，像雾中的探灯，凝射着金电般的厉芒！

1 虚拟仿真实践的内容

2013年启动了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，将虚拟仿真技术引入本科实验教学。随着2015年《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》和《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》的发布，全国各高校认识到信息技术在教育教学过程中的地位，建设了一批虚拟化实验平台，《教育部办公厅关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》的颁布，为我国本科实验教学信息化建设给出了建设要点。

本文根据机械工程专业情况、人才培养方案，制定机械工程虚拟仿真实验教学中心建设方案。首先根据专业的研究方向、课程群、培养方案确定需要进行实验实训的课程，然后本着“虚实结合，互为补充，能实不虚”的原则进行虚拟仿真实验室建设。在硬件、软件采购方面做到统筹规划、系统建设，实验平台、管理系统同步设计，同时，根据实验教学规划进行虚拟实验教学设计，制作虚拟实验相关的教学资源[3]，具体如下：

（1）虚拟仿真实验的架构设计。

虚拟仿真教学的目的是以学生为中心，开发实验资源，突破空间和时间限制，给学生提供更多的自主性，发挥学生的创新性，因此虚拟仿真实验教学资源的顶层结构设计与科学构建是关键。根据“虚实结合”与“能实不虚”融合，先进性与安全、环保和低成本运行融合，操作、解决实际问题、团队协作的递进式融合的要求，从顶层上进行结构优化设计，从整体上科学指导、规划新项目的建设。

（2）虚拟仿真实验的开发。

基于已有实验设备、现有的理论和实践教学资源，基于硬件设备、工具、场地等资源，利用虚拟现实技术，实现物理在的计算机中映射，结合专业知识，通过虚拟实验结果可视化展示。开发过程体现产学研的有机结合，从而逐步形成集实验教学管理、设备管理、实验教学资源、技术交流等功能于一体的综合性实验管理与共享平台，其建设过程充分体现模块化、标准化、多元化三大特征[4]。

（3）虚拟仿真实验的教学逻辑重构。

形成以学生为主体、教师为主导的在线设备生产环境，使产教融合到教学中。同时虚拟实验更容易设置激励环节，有助于更好地调动学生的主动性、积极性。

2 具体举措

通过对虚拟仿真实验教学资源进行结构设计和科学构建方法的研究，建立起模块化、标准化、多元化的虚拟仿真实验；同时，应用现代化教学手段构建以学生为中心的教学模式，实现物理的、虚拟的实验教学资源的互联互通、协同工作。达到在虚拟仿真实验教学资源管理与共享平台上开展经济、可靠、安全的教学实践活动的目的。

（1）虚拟仿真实验的顶层架构。

虚拟仿真教学的目的是为了突破空间和时间限制，提供自主性、创新性的实验机会和途径，使优质教学资源得到共享。根据“虚实结合”与“能实不虚”的原则，从整体上科学指导、规划新的虚拟实验教学资源。学生通过3D 虚拟操作，掌握操作技能与工艺控制，获得分析和决策能力；并通过机械优化操作训练，提高分析和优化能力；通过协同操作虚拟仿真，实现生产制造的稳态运行，并得到虚拟产品，完成生产任务，团队协作水平得到提升，全面提升学生工程意识、工程素质、工程实践能力。

（2）虚拟仿真实验的构建。

体现“以学生为中心”的实验教学理念，推动虚拟仿真实践教学创新。针对机械工程专业实验设备昂贵和具有一定安全隐患等问题，利用专业的虚拟仿真软件和现代化教学资源拓展实验教学的深度和广度，通过构建具备真实感的实验情景，操作简单、结果具备直观性和精确性的虚拟仿真实验教学平台，实现理论与实践教学的有机结合。

本文以某客车驱动桥虚拟实验为例。针对电动客车驱动桥总成，开展调查研究，搜集资料，使用UG建模软件完成对电动客车驱动桥的模型修改，完成对整个系统的合理简化。确定不同部件的边界条件和不同部件之间的接触条件，然后使用动力学分析软件ADAMS 进行不同工作状态下的运动学与动力学仿真分析。通过LabVIEW 软件设计开发一种模拟现实的仿真平台，它可以取代传统的仪表面板，然后在计算机系统上创建图形面板[5]。根据虚拟仿真平台获得相应精确数据，对各个零部件进行数值计算和强度校核，设计界面如图1所示。

图1 四种工况仿真界面设计

通过驱动桥企业生产线的参观实习，可提高学生解决复杂工程问题的能力。结合实际操作实习解决设备少，场地紧，费用高，与生产厂家沟通协调难度较大等问题。依托产学研项目，开发驱动桥虚拟仿真系统，用于学生实践教学，充分发挥科研成果在教学工作中的作用，通过科研教学相互促进，培养学生的科研意识与兴趣，实现科研与教学紧密结合。

（3）虚拟仿真实验的教学逻辑重构。

在整个教学过程中，强调学生是主体、教师是主导。在教学过程中应用现代化教学手段和方法来充分调动学生的主动性、积极性。授课中，教师可通过强大的虚拟仿真系统，设定试验任务、突发情况、扰动、优化目标、轮岗等，学生自主思考与设计操作方案，并虚拟化操作，完成任务。

在整个虚拟试验教学运行的各个阶段和环节合理设定反馈参数，通过对比不同阶段和环节的评价参照标准、评价反馈策略和评价手段，确保反馈信息的真实性，并分析反馈信息对体系的影响，指导选取相应的校正措施，不断修订体系构架及内容，逐步达到预期目标。把研究型教学思想贯穿实验教学的始终，根据专业类型设置递进式实验环节，如基本型实验、提高型实验和科技创新实践活动，使学生获得创新意识和工程实践能力[6]。

3 结语

本文针对机械工程专业各课程体系中较为抽象的理论知识和原理，实验设备昂贵和因具有一定安全隐患等因素而被搁浅的高质量实验项目，坚持深化产教融合，充分利用校企双方资源，本着“能实不虚，虚实结合”的原则，以驱动桥虚拟实验为例，利用专业的虚拟仿真软件拓展实验教学的深度和广度，构建具备高度真实感、直观性和精确性的虚拟仿真实验教学平台，实现理论与实践教学的紧密结合[7]。实现了人才培养与技术研发，学校与产业的协同联动，具体成效如下：

（1）解决了实验室硬件资源不足、学生参与热情不高的问题，提高学生实验能力。

（2）解决了机械装备特别是大型设备实验耗损大且存在安全隐患，实验过程和结果不容易观察、研究等问题。

（3）促进了教学和科研在学生培养过程中的有机结合，不仅有利于能力培养，也可促进团队能力提升和团队精神的培养。

（4）培养了机械相关专业实践创新人才，提升其社会服务能力以及服务国家区域发展战略的能力。