(南京林業(yè)大學機械電子工程學院，南京 210037)

一、機械設計專業(yè)的實驗分類

機械設計專業(yè)知識體系廣、實踐性強、學習難度大，需借助實驗教學環(huán)節(jié)讓學生對相關原理、結構、系統(tǒng)等內(nèi)容獲得直觀的認識，以加深學生對所學知識的理解。然而，現(xiàn)實情況是課堂理論教學所占的比重大、實踐性教學較少[1]，多數(shù)的實驗附屬于理論教學中，而且多以驗證性實驗為主，綜合性實驗幾乎沒有[2]。

根據(jù)內(nèi)容和性質，實驗可分為驗證及演示性實驗、綜合性實驗和研究性實驗3類。驗證及演示性實驗一般由教師講解實驗原理和實驗儀器設備的操作使用方法，學生按規(guī)定的實驗內(nèi)容和實驗操作規(guī)程進行實驗測試、記錄；綜合性實驗培養(yǎng)學生綜合運用所學理論知識的能力，通過對專業(yè)中的問題進行模擬實驗并對實驗數(shù)據(jù)進行整理、分析以培養(yǎng)學生綜合運用知識的能力；研究性實驗要求學生自主提出問題、制定研究方案、搭建實驗臺、測試并處理實驗數(shù)據(jù)，并最終建立各因素間的聯(lián)系或找出新的規(guī)律[14]。在上述3種實驗中，研究性實驗為最高層次的教學實驗[15]。

客觀上，機械設計專業(yè)部分相關實驗設置難度大，實驗裝置成本高、損耗大，實驗周期長、危險性強等，致使相關實驗的開展不具備條件或者很難具備經(jīng)濟性和可行性。針對機械設計專業(yè)相關實驗開展難度大或無法開展的問題，可借助虛擬仿真技術實現(xiàn)。虛擬仿真實驗教學是教育信息化背景下出現(xiàn)的一種新教學模式[3]，主要依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡通訊等技術，通過構建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，實現(xiàn)實體實驗不具備或難以完成的教學功能[4]，對實體實驗具有很好的補充作用[5]。

二、機械設計專業(yè)虛擬仿真實驗的建設難點

虛擬仿真實驗教學具有三維可視化沉浸感、豐富靈活的交互性和構想性等特點[6]，其教學資源易于優(yōu)化整合、動態(tài)更新、高效管理和便捷應用，容易實現(xiàn)教學資源跨地區(qū)、跨院系、跨專業(yè)的全面共享[7]?，F(xiàn)階段，虛擬仿真技術已被應用于諸多課程的教學實踐中，如“工業(yè)機器人實訓”[8]“流體力學”[9]“控制類多學科融合”[10“]采礦工程”[11]“基礎醫(yī)學”[12]等課程。教高函〔2018〕5號文指出，虛擬仿真實驗教學項目是推進現(xiàn)代信息技術融入實驗教學項目、拓展實驗教學內(nèi)容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平的重要舉措[13]。

傳統(tǒng)的驗證性實驗越來越難以適應新工業(yè)革命背景下的教學要求，因此培養(yǎng)具備全球視野、發(fā)展意識、創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力的“創(chuàng)新型工程人才”成為工程和教育領域學者[16-19]的共識。作為機械設計專業(yè)虛擬仿真實驗，其構建思路應該符合“創(chuàng)新型工程人才”培養(yǎng)的實際需求，強調(diào)實驗設置的開放性和創(chuàng)新性，促使學生由被動的觀摩學習轉變?yōu)樯疃鹊难芯繉W習和試驗。因而，在構建虛擬仿真實驗平臺的過程中，如何將其從原理驗證及演示性實驗拓展為綜合性和研究性實驗成為難點問題。

構成上述難點問題的原因在于機械設計專業(yè)虛擬仿真實驗平臺的構建存在諸多矛盾。圖1為一組關鍵性矛盾，即機械設計的精準性、定量化、程式化等要求與虛擬仿真實驗的開放性、探索性、自主性等要求之間的矛盾。虛擬仿真實驗的優(yōu)勢是，通過虛擬技術加強實驗的開放性和探索性，以促進學生最大限度地開展自主性實驗和個性化的實驗探索研究；而機械設計往往有固定的流程、要求和方法，具有標準化的特點，雖然將設計過程虛擬化，可解決設計的可視化、周期和成本等問題，但依然遠遠無法滿足培養(yǎng)“創(chuàng)新型工程人才”所需的開放性和研究性實驗的要求。因此，在固有的機械設計模式下，機械設計專業(yè)虛擬仿真實驗平臺構建極容易被建設成程式化、固定流程的驗證及演示性實驗。

圖1 機械設計要求與虛擬仿真實驗特點之間的矛盾

三、機械設計專業(yè)虛擬仿真實驗平臺的構建路線

“開放式、研究性”是研究型教學的內(nèi)涵[20]。機械設計專業(yè)虛擬仿真實驗平臺構建的要點是服務于研究性教學，因而其構建核心及建設方向是形成綜合性和研究性實驗。在實驗的頂層設計方面，筆者根據(jù)專業(yè)背景，結合虛擬仿真技術在三維顯示、人機交互、超越時空限制方面的優(yōu)勢，對機械設計和虛擬仿真實驗之間的關鍵矛盾進行了解決，具體的構建策略見圖2。

圖2 機械設計專業(yè)虛擬仿真實驗平臺的構建路線

(一)以問題為導向，引導學生通過設計手段解決具體問題

在常規(guī)的機械設計過程中，往往有明確的設計指標和設計參數(shù)，極容易將設計過程程式化、固定化。在機械設計專業(yè)虛擬仿真實驗平臺構建時，教師可通過設置某一實際問題，引導學生為解決該問題而進行設計。其設計的目的不在于完成實驗本身，而在于解決實際問題，即通過開放性的問題設置，促使學生從多角度進行個性化方案擬定，并完成設計，實現(xiàn)問題的自主解決。

(二)設置多目標、多任務問題，形成大型綜合性實驗

在機械設計專業(yè)虛擬仿真實驗平臺構建時，教師需設置多目標、多任務問題，將分散的個體實驗串聯(lián)或并聯(lián)成大型綜合性實驗。傳統(tǒng)的實驗多附屬于各門課程中，各實驗之間的關聯(lián)度較低，因此教師應在虛擬仿真實驗平臺上將多門課程的相關知識點通過設置多目標、多任務問題的形式串聯(lián)或并聯(lián)起來，形成綜合性實驗，以進一步鍛煉學生綜合運用知識解決實際問題的能力。

(三)提供交互式、開放式、自助式設計場景，增強實驗過程的體驗

提高學生參與度的重要途徑之一是設置開放式、交互式、自助式的設計環(huán)境，通過實驗場景的多元化吸引學生的注意力，提高實驗興趣。在實驗平臺構建時，教師可針對不同的環(huán)節(jié)設置不同的場景。比如，對于設計和裝配環(huán)節(jié)，需提供工廠設計室和裝配室場景；對于設計效果驗證環(huán)節(jié)，需提供實驗場地等場景，以實現(xiàn)場景的交互式與自助式。設計場景的開放式可以通過設計參數(shù)來設置，學生輸入不同的設計參數(shù)可實時顯示設計對象的大小、形狀等，所見即所得。從多元化角度設置場景，有助于改變單一化的設計背景，使學生更好地參與設計，增強其對實驗過程的體驗。

(四)設置優(yōu)化設計環(huán)節(jié)，形成研究性實驗

機械設計的重要環(huán)節(jié)之一是優(yōu)化設計，因而可在虛擬仿真環(huán)境中，調(diào)用、植入或建構一系列優(yōu)化設計環(huán)節(jié)(包括對優(yōu)化結果的驗證環(huán)節(jié))，以避免將虛擬仿真實驗設計成演示及驗證性實驗，并形成研究性實驗，目的是鍛煉學生的科研素養(yǎng)。比如，針對流體機械，可植入關鍵部件的流場仿真環(huán)節(jié)，教師可通過流場模擬計算結果引導學生進行優(yōu)化設計；針對結構件，可植入結構的靜力學仿真環(huán)節(jié)，引導學生通過對比不同的結構或尺寸下的載荷分布特征開展優(yōu)化設計；針對運動機構，可植入運動學仿真環(huán)節(jié)，引導學生通過機構的運動特性加深對原理的認識，并探索開展機構運行穩(wěn)定性的優(yōu)化方法設計。

四、機械設計專業(yè)虛擬仿真實驗平臺建設實踐

高射程噴霧機適用于高大林木的病蟲害防治，是重要的農(nóng)林業(yè)植保機械之一，其設計周期長、制造成本高，而且農(nóng)藥還存在較大的毒副作用和安全隱患，因此導致實際的噴霧實驗很難開展，需構建高射程噴霧機虛擬仿真實驗平臺開展實驗，見圖3。

圖3為2018年國家虛擬仿真實驗項目“高射程噴霧機優(yōu)化設計虛擬仿真”實驗平臺的登錄界面，筆者以該平臺為例具體闡述機械設計專業(yè)虛擬仿真實驗平臺的構建實踐。

圖3 “高射程噴霧機優(yōu)化設計虛擬仿真實驗”平臺的界面

(一)以“林木病蟲害防治”這一實際問題為導向，引出高射程噴霧機的設計任務

在構建實驗平臺時，筆者以林木病蟲害防治這一實際問題為背景引出“高射程噴霧機優(yōu)化設計虛擬仿真”實驗。比如，在實驗開始之前，平臺的背景介紹部分給出如下內(nèi)容：N市爆發(fā)大規(guī)模行道樹病蟲害，病蟲害吞食樹葉，對景觀大道造成嚴重損害，急需設計有效的病蟲害防治機具，……。在此基礎上，筆者引導學生了解景觀大道樹木特征、思考防治對象的施藥難點及有效的解決方案，進而引出高射程噴霧機的設計任務。

(二)設置“噴霧高度”“噴霧覆蓋率”等多項指標，形成高射程噴霧機設計綜合性實驗

在引出高射程噴霧機的設計任務后，筆者引導學生通過樹木參數(shù)測量獲得基本的設計指標。除了要考慮噴霧高度這一關鍵性設計指標外，還可以增加噴霧覆蓋率等設計指標。在此基礎上，設置多項子任務，如風送系統(tǒng)設計、施藥系統(tǒng)設計、動力系統(tǒng)設計、擺動機構設計等。在設計過程中涉及的參數(shù)指標以開放、可變的形式設置，如風筒系統(tǒng)中的整流葉片個數(shù)、施藥系統(tǒng)中的噴頭數(shù)量和藥箱容積、動力系統(tǒng)中電機功率和型號、擺動系統(tǒng)中的曲柄搖桿參數(shù)等，均由實驗者利用所學知識并綜合考慮多種因素自主確定，以形成高射程噴霧機的大型綜合性實驗。

(三)提供設計、加工、組裝、驗證等設計場景，增強學生的實驗體驗

在形成大型綜合性實驗后，考慮到大型綜合性實驗平臺的構建需求，學生圍繞林木噴霧高度和噴霧覆蓋率的指標進行場景構建。在場景的構建過程中，要注重將高射程噴霧機的設計、加工、組裝、驗證等環(huán)節(jié)設置成交互式、開放式、自助式的場景。如，在設計環(huán)節(jié)，提供設計室的虛擬仿真場景；在加工環(huán)節(jié)，提供加工車間的虛擬仿真場景；在組裝環(huán)節(jié)，提供裝配車間的虛擬仿真場景；在驗證環(huán)節(jié)，提供景觀大道噴霧的虛擬仿真場景等。

上述不同場景的設置，旨在給學生提供沉浸式體驗，使其更直觀地感受高射程噴霧機的設計要點、加工途徑、組裝特點、噴霧驗證試驗效果，從而使學生更好地融入到高射程噴霧機的設計與實驗過程中。

(四)設置風筒收縮角度、整流片數(shù)量優(yōu)化等設計環(huán)節(jié)，引導學生開展探索性研究

在高射程噴霧機大型綜合性實驗平臺構建過程中，設置風筒收縮角度優(yōu)化的模擬單因子實驗，見圖4。學生通過單因子實驗結果研究收縮筒角度和射程之間的規(guī)律，從而尋找優(yōu)化的風筒收縮角度。對于整流片數(shù)量的優(yōu)化設計，筆者為學生提供基于Fluent等工具的計算流體動力學(CFD)仿真資料，引導他們進行基于CFD的風筒整流結構的優(yōu)化設計。另外，對于戶外行道樹的噴霧驗證優(yōu)化設計，也可以設置多因子實驗，引導學生開展基于Mintable等工具的噴霧試驗，探索噴霧機運動速率、風速等指標對噴霧的影響規(guī)律，從而提高學生的探索和研究能力。

圖4 高射程噴霧機風筒收縮角度單因子實驗的平臺界面

五、機械設計專業(yè)虛擬仿真實驗平臺建設取得的成效

(一)拓展了機械設計專業(yè)實驗教學的深度和廣度

筆者所述的機械設計專業(yè)虛擬仿真實驗平臺的構建方法，考慮了完整的機械設計與優(yōu)化流程，可集成文字、圖片、視頻等多種媒介，具備了研究性和綜合性實驗的特點，較好地解決了機械設計的精準性、定量化、程式化等要求與虛擬仿真實驗的開放性、探索性、自主性等要求之間的矛盾，彌補了實體實驗和傳統(tǒng)機械設計實驗教學的不足，提高了實驗教學的深度和廣度。

(二)提高了教師的教學效率，擴大了教學受益面

對于教師而言，通過上述構建方法搭建的虛擬仿真實驗平臺，將線下實驗拓展至線上，大幅度減少了常規(guī)的實驗準備環(huán)節(jié)，有效地提高了教學效率。并且，虛擬實驗資源可通過網(wǎng)絡遠程訪問，面向開設機械工程專業(yè)的其他院校，實現(xiàn)了教學資源的共建共享和課程互選、學分互認，充分發(fā)揮了虛擬仿真實驗教學的資源共享與開放優(yōu)勢，擴大了教學的受益面。

(三)提高了學生的參與度，優(yōu)化了學生的學習過程

上述實驗平臺的構建方法注重以問題為導向，設置多目標任務，設置自助式、交互式場景，可有效地吸引學生的注意力，提高了學生的參與度。以高射程噴霧機虛擬仿真實驗平臺為例，學生普遍反映，通過該虛擬仿真實驗平臺可直觀、方便地了解高射程噴霧機的構造，并能更好地進行高射程噴霧機的計算、校核、設計、檢驗，大大縮短了學習周期，加深了對“機械原理”“機械設計”“林業(yè)機械”“泵與風機”“現(xiàn)代設計方法”“實驗設計方法”等課程相關知識的理解和應用。

資助項目：江蘇省高等教育教改研究課題“新工科背景下林科特色機械類專業(yè)人才培養(yǎng)‘OBE’模式探索與實踐”，項目編號2019JSJG312；國家虛擬仿真實驗教學項目“高射程噴霧機優(yōu)化設計虛擬仿真實驗”，項目編號2018-71。