張亞平　李秋爽

摘要：現(xiàn)階段的機械類專業(yè)工程教學存在著明顯弊端，難以培養(yǎng)學生的實踐能力。鑒于此，應(yīng)當在機械類專業(yè)工程實踐教育中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，開展計算機仿真教學。應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)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(zhì)量，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和實踐能力。

關(guān)鍵詞：機械類專業(yè)工程教學；實踐教育；計算機仿真；應(yīng)用

一、前言

虛擬仿真技術(shù)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(fā)學習興趣和積極性。虛擬仿真技術(shù)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(shù)可以減少實驗設(shè)備的購置和維護成本，同時避免因操作不當或設(shè)備故障等原因?qū)е碌陌踩L險。虛擬仿真技術(shù)可以實現(xiàn)教學內(nèi)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(zhì)量。虛擬仿真技術(shù)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(yǎng)創(chuàng)新思維和實踐能力，為未來的工程實踐打下堅實的基礎(chǔ)。

二、現(xiàn)階段機械類專業(yè)工程教學存在的弊端

（一）國內(nèi)制造業(yè)的發(fā)展，對機械類專業(yè)工程教學提出了新的要求

2000年以來，國內(nèi)制造業(yè)取得了顯著的發(fā)展。據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，2014年，國內(nèi)規(guī)模以上制造業(yè)企業(yè)總數(shù)為32.70萬家，制造業(yè)行業(yè)總資產(chǎn)為65.12萬億元，制造業(yè)行業(yè)年營業(yè)收入超過90萬億元。2021年，國內(nèi)規(guī)模以上制造業(yè)企業(yè)總數(shù)已超過37.34萬家，制造業(yè)行業(yè)總資產(chǎn)超過97萬億元，制造業(yè)行業(yè)年營業(yè)收入超過96萬億元；制造業(yè)行業(yè)吸納的勞動力總量超過1.04億人。制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，不僅拉動了國民經(jīng)濟的增長，解決了億萬勞動力的就業(yè)問題，促進了工業(yè)化的升級；同時也推動了機械類專業(yè)工程教學的發(fā)展。但國內(nèi)制造業(yè)企業(yè)雇傭的員工大部分沒有接受過良好的機械專業(yè)工程教育，無法成長為技能型人才、應(yīng)用型人才。因此，制造業(yè)企業(yè)急需大量掌握豐富理論知識，同時具有較強實踐能力的應(yīng)用型人才[1]。

（二）現(xiàn)階段機械工程類專業(yè)教學模式存在的主要弊端

2022年5月，杭州某師范高校職業(yè)技術(shù)教育學的專家為研究現(xiàn)階段機械類專業(yè)工程教學的實際情況，隨機選擇各地5所開設(shè)機械工程類專業(yè)的高職院校，對5所院校機械工程類專業(yè)的學生進行了一次問卷調(diào)查。參與此次調(diào)查的學生共有397人。此次調(diào)查顯示，在全部接受調(diào)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(jīng)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(nèi)容非常難，有27.09%的學生表示教師講課的內(nèi)容比較難，只有7%的學生表示教師講課的內(nèi)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(yè)企業(yè)的生產(chǎn)需求接軌；有20.1%的學生表示自己沒有參加過專業(yè)的相關(guān)實習，有55.3%的學生表示自己只參加過一次與專業(yè)相關(guān)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(shè)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(yè)非常重視技術(shù)保密，不愿向?qū)W生透露過多的專業(yè)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(yǎng)、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(fù)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(jīng)考慮換專業(yè)。

通過此次調(diào)查，可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段機械工程類專業(yè)教學模式存在的弊端主要有以下幾點：1.機械工程類專業(yè)教學以理論教學為主，在課堂教學中，教師主要采用傳統(tǒng)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(jīng)驗）；2.機械工程類專業(yè)教學的內(nèi)容具有一定的難度，而且，教學內(nèi)容往往與企業(yè)生產(chǎn)相互脫節(jié)（接近三分之二的被調(diào)查學生認為教師講課的內(nèi)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(lián)絡(luò)制造業(yè)企業(yè)，組織學生到企業(yè)參加實習，這的確是培養(yǎng)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(yè)企業(yè)對校企合作缺乏興趣，不歡迎高職院校的學生到企業(yè)來實習（有20.1%的學生從未參加過本專業(yè)的相關(guān)實習）；另一些制造業(yè)企業(yè)雖然參與校企合作，但采取各項保密措施，企業(yè)的技術(shù)人員不肯向?qū)W生透露本企業(yè)設(shè)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(yǎng)學生的實踐能力和解決復(fù)雜問題的能力，由此導(dǎo)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(fā)展前景感到悲觀、迷茫，甚至考慮改換專業(yè)。

三、在機械類專業(yè)工程實踐教育中應(yīng)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(shù)，基于某一教學主題，采集真實世界中與該教學主題相關(guān)的大量信息，再使用計算機系統(tǒng)，結(jié)合教學內(nèi)容，對采集的信息進行綜合處理，并向?qū)W生發(fā)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(gòu)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(xiàn)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(chǎn)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(yī)學院等名校）紛紛引入、應(yīng)用計算機仿真技術(shù)，構(gòu)建虛擬仿真實驗室，在電氣、機械制造、機械生產(chǎn)、醫(yī)學護理、物流、金融投資、會計、運輸管理等各個專業(yè)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(nèi)，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(tǒng)的課堂教學、實習教學相比，計算機仿真教學具有明顯的優(yōu)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(shè)備、材料；這無疑會消耗大量教學經(jīng)費。對學生開展計算機仿真教學，則不需要使用任何器材、設(shè)備、材料，但學生同樣可以獲取真實的信息，從而保證教學質(zhì)量。

2.互動性較強

在傳統(tǒng)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?qū)W生傳授的知識，主要是抽象的專業(yè)理論知識，這些抽象的專業(yè)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(xiàn)學習困難[4]。教師對學生開展計算機仿真教學，可以結(jié)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(xiàn)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(xiàn)場指導(dǎo)。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(yè)生產(chǎn)、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(yǎng)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?qū)W生設(shè)置一系列具有挑戰(zhàn)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(fù)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(xiàn)階段，學生的實習教學幾乎等同于企業(yè)的實際生產(chǎn)。但企業(yè)的實際生產(chǎn)過程較為單調(diào)枯燥，企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)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(yè)往往對生產(chǎn)技術(shù)、生產(chǎn)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(yè)工程實踐教育中應(yīng)用計算機仿真教學

目前，國內(nèi)已經(jīng)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(yè)工程實踐教育中應(yīng)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(shè)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(gòu)結(jié)構(gòu)認知與組成實驗、齒輪傳動裝置的潤滑與密封設(shè)計、聯(lián)軸器類型、結(jié)構(gòu)與選用虛擬實驗等近百門課程，各高校機械工程專業(yè)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(yè)工程實踐教育中應(yīng)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(yè)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(shè)計、模擬、分析和優(yōu)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(yè)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(chǔ)。

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(dǎo)學生理解機械設(shè)計原理、加深對機械加工工藝的理解），教師要根據(jù)教學目標，在虛擬仿真軟件中建立機械模型，設(shè)置仿真參數(shù)（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(shè)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(shè)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(yōu)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(yōu)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(yīng)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(jù)仿真分析結(jié)果，對機械模型進行優(yōu)化設(shè)計，改進機械設(shè)計方案。

2.引入AI技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)

通過引入AI技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，構(gòu)建一個智能化的機械類專業(yè)工程教學平臺，可以提高學生的實踐能力和應(yīng)用能力。該平臺包括虛擬實驗室、虛擬仿真軟件、機器人輔導(dǎo)等多種教學工具，通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)應(yīng)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(shè)虛擬實驗室

針對機械類專業(yè)工程教學中的實踐教學難點，建設(shè)虛擬實驗室。虛擬實驗室可以推動實踐教學走向數(shù)字化、智能化。虛擬實驗室包括多個實驗?zāi)K，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(guān)的教學資源和教學指導(dǎo)，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(yīng)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(chǔ)上建設(shè)虛擬工廠。虛擬工廠可以模擬真實機械工廠的生產(chǎn)過程，讓學生了解機械工廠的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學生在虛擬環(huán)境中認識、了解各種機械設(shè)備，以及機械制造的具體過程。建設(shè)虛擬工廠，需要使用AutoCAD、Revit等建模軟件進行建模。并且要設(shè)計工廠布局和生產(chǎn)線，包括選擇設(shè)備、布置設(shè)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(yè)工程教學中的實踐教學難點，建設(shè)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(shù)

通過引入AI技術(shù)，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(shù)使用機器學習算法，針對學生的學習情況和實踐表現(xiàn)，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(shù)使用深度學習算法，對學生在虛擬仿真軟件中的實踐數(shù)據(jù)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(dǎo)：通過機器人輔導(dǎo)技術(shù)，為學生提供智能化的實踐輔導(dǎo)和指導(dǎo)，幫助學生掌握實踐技能和方法。

④智能化監(jiān)控：引入AI技術(shù)，可以對學生的操作過程進行監(jiān)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(shè)備對學生的操作過程進行實時監(jiān)控，記錄學生的操作步驟和過程。通過AI技術(shù)對學生的操作過程進行分析和識別，及時發(fā)現(xiàn)學生的錯誤和不足之處，再對學生的錯誤進行糾正和指導(dǎo)，幫助學生提高實踐能力。

（3）引入大數(shù)據(jù)技術(shù)

采用大數(shù)據(jù)采集技術(shù)，通過傳感器、監(jiān)控等設(shè)備采集學生在虛擬仿真教學中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)。利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和分析技術(shù)，對學生在虛擬仿真軟件中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)進行分析和挖掘，教師根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，調(diào)整教學內(nèi)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(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)應(yīng)用于機械企業(yè)的實際生產(chǎn)和制造；利用傳感器等設(shè)備對實際生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)進行收集和記錄，完成必要的數(shù)據(jù)整理、初步分析，提取出有用的信息和特征；再將機械企業(yè)的實際生產(chǎn)和制造中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)反饋給學生，幫助學生更好地了解企業(yè)的生產(chǎn)需求和技術(shù)應(yīng)用，了解生產(chǎn)過程中的各種問題和挑戰(zhàn)，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(zhì)量控制、機械設(shè)備的保養(yǎng)、維修和故障排除等內(nèi)容，從而培養(yǎng)學生的實踐能力。

（4）引入機器人輔導(dǎo)技術(shù)

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

（5） 建設(shè)智能化實踐評估系統(tǒng)

建設(shè)智能化實踐評估系統(tǒng)，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(shù)據(jù)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(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，可以提高學生的實踐能力和應(yīng)用能力；提高機械類專業(yè)工程教學質(zhì)量和教學效率；增強學生的創(chuàng)新能力和競爭力。

四、結(jié)語

綜上所述，近幾年來，在制造業(yè)蓬勃發(fā)展的大背景下，機械類專業(yè)工程教學取得了較快發(fā)展，但機械類專業(yè)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(yīng)當在機械類專業(yè)工程教學中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，推廣計算機仿真教學，從而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神與實踐能力，提升機械類專業(yè)工程教學的整體質(zhì)量。

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作者單位：信陽職業(yè)技術(shù)學院