工程機械虛擬仿真實驗教學(xué)中心體系建設(shè)

馬登成, 張新榮, 胡永彪, 劉清濤

(長安大學(xué) 工程機械國家虛擬仿真實驗教學(xué)中心， 西安 710064)

0 引 言

實驗教學(xué)是十分重要的教學(xué)環(huán)節(jié),通過實驗教學(xué)使課程理論知識得到驗證,加深學(xué)生的認(rèn)知效果，借助實驗教學(xué)使學(xué)生掌握先進(jìn)的分析方法,加深對理論知識的掌握，提高學(xué)生綜合能力[1-4]。由于工程機械自身的特點，采取實驗教學(xué)具有以下困難：① 工程機械品種多、價格貴，實際工作過程中電、油、氣等資源消耗大，資金投入需求巨大，高校很難配備完備的實驗設(shè)備；② 一些大型設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜、體積龐大、封閉性高，學(xué)生無法看到設(shè)備運行時的內(nèi)部情況，再加上工作環(huán)境惡劣、危險性高、學(xué)生很難參與到實際實驗當(dāng)中；③ 企業(yè)因為生產(chǎn)和安全的壓力，給予學(xué)生到裝備制造一線實踐的機會越來越少，生產(chǎn)實習(xí)難以達(dá)到預(yù)期效果。

上述問題使得采用真實裝備進(jìn)行大規(guī)模實驗教學(xué)不具可行性，以致學(xué)生的實踐動手能力不強、創(chuàng)新意識不足，制約了高素質(zhì)人才的培養(yǎng)，而借助虛擬仿真實驗可以解決上述問題[8-12]。本文結(jié)合工程機械虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)，介紹虛擬仿真實驗教學(xué)在高校工程機械類、公路交通建設(shè)類專業(yè)人才培養(yǎng)過程中的作用與優(yōu)勢，以及長安大學(xué)在構(gòu)建虛擬仿真實驗教學(xué)保障管理體系的建設(shè)思路，為其他高校在建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)中心提供思路和借鑒。

1 工程機械虛擬仿真實驗優(yōu)勢

(1) 提升學(xué)生實踐動手能力。虛擬仿真實驗教學(xué)的發(fā)展,改變了以往只能依靠研習(xí)圖紙、參觀實習(xí)、老師講解的傳統(tǒng)實踐人才培養(yǎng)模式[5-7]。工程機械虛擬仿真實驗可以很好地解決以往由于一些大型設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜、體積龐大、封閉性高，學(xué)生無法看到設(shè)備運行時的內(nèi)部情況，再加上工作環(huán)境惡劣、危險性高,學(xué)生很難了解到實際實驗當(dāng)中的情況，使學(xué)生既能夠身臨其境，又能“鉆”入設(shè)備內(nèi)部觀看其運行狀況，大大提高學(xué)生對理論知識的掌握。使理論與實際相結(jié)合、虛擬仿真實驗與實際實驗相互補充、優(yōu)化配置,全面提升學(xué)生在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中自主學(xué)習(xí)、解決復(fù)雜問題、協(xié)同合作的能力,達(dá)到高層次人才培養(yǎng)的目標(biāo)[13-15]。

(2) 能夠促進(jìn)學(xué)生自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。工程機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、工作環(huán)境惡劣、實際操作具有危險性,對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及運行規(guī)律,無法進(jìn)行實驗或深入理解,而傳統(tǒng)實驗設(shè)備很難實現(xiàn)學(xué)生自主設(shè)計實驗。借助工程機械虛擬仿真實驗,學(xué)生可以在沒有任何安全風(fēng)險的環(huán)境中，沒有二次投入成本的條件下，自由、自主進(jìn)行實驗，還可以對一些大型復(fù)雜的工程機械的原理、設(shè)計、制造、運用進(jìn)行全流程的虛擬設(shè)計及虛擬實驗,使學(xué)生對工程機械原理、結(jié)構(gòu)、運用、維修檢測的全過程有更為清楚的認(rèn)識和深入的掌握。因此,能夠促進(jìn)學(xué)生自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng),能最大限度地利用好實驗教學(xué)資源。

(3) 促進(jìn)優(yōu)質(zhì)實驗資源的開放與共享。真實實驗無法進(jìn)行實驗資源的廣泛共享,虛擬仿真實驗可提供優(yōu)質(zhì)實驗資源更有效的開放共享。工程機械虛擬仿真實驗教學(xué)中心虛擬仿真教學(xué)資源可按照項目和內(nèi)容、時間、創(chuàng)新實踐、對外服務(wù)等方面實現(xiàn)共享[6-10]；可接待國內(nèi)、陜西省內(nèi)及周邊省份高校來中心開展實驗,還可為企業(yè)人員開展培訓(xùn)服務(wù);可以遠(yuǎn)程訪問中心網(wǎng)站,參與中心提供遠(yuǎn)程虛擬仿真實驗教學(xué)項目促進(jìn)優(yōu)質(zhì)實驗資源的開放與共享。

2 工程機械虛擬仿真實驗教學(xué)中心特色與創(chuàng)新

(1) 具有公路交通特色。實驗教學(xué)中心承擔(dān)了我校機械電子工程、機械設(shè)計制造及其自動化、工程機械、工業(yè)設(shè)計、機械工程、車輛工程、土木工程等專業(yè)和學(xué)科的虛擬仿真實驗教學(xué)任務(wù)，形成了具有工程機械特色的虛擬仿真實驗教學(xué)體系。

(2) 充分利用科研資源,實驗教學(xué)內(nèi)容豐富。工程機械、公路與建筑施工等專業(yè)在實際中經(jīng)常具有危險性，這在實驗室無法真實模擬，如工程機械危險環(huán)境駕駛等方面的實驗和教學(xué),也涉及到多種高成本、高消耗綜合訓(xùn)練，如塔機安裝方面的實驗和教學(xué)，這些實驗和教學(xué)任務(wù)很難進(jìn)行實際實驗，本實驗教學(xué)中心將針對工程機械、車輛工程、土木工程等幾個學(xué)科科研和教學(xué)中的需求,實驗教學(xué)內(nèi)容豐富。

(3) 重視培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識與能力,效益顯著。實驗教學(xué)中心形成了一套強化學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的課外自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)，系統(tǒng)的目的是使學(xué)生能夠根據(jù)各自的興趣特點和個性化需求，有選擇的進(jìn)行自主學(xué)習(xí),是課堂教學(xué)的有效延伸,對于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果具有巨大的促進(jìn)作用。立足實踐教學(xué)研究,中心進(jìn)一步充分利用既有資源，同公司、企業(yè)等廣泛開展合作，形成了校企合作的良性互動和循環(huán)機制。中心完成的科研項目中70%以上都得到了應(yīng)用，社會、經(jīng)濟效益顯著。

3 虛擬仿真實驗教學(xué)體系與保障

3.1 虛擬仿真實驗教學(xué)體系

工程機械虛擬仿真實驗教學(xué)中心通過自主創(chuàng)新、與企業(yè)合作,已擁有實驗室信息化管理與資源共享系統(tǒng)、商用工具軟件、虛擬仿真教學(xué)軟件和半實物仿真平臺等仿真系統(tǒng),中心建成了涵蓋兩大層次、37門課程和6個虛擬仿真實驗平臺共計85個實驗項目的虛擬仿真實驗教學(xué)項目(見圖1)。根據(jù)對學(xué)生培養(yǎng)的要求與具體實驗性質(zhì)內(nèi)容，將實驗項目分為專業(yè)基礎(chǔ)類和行業(yè)特色類兩大種類，使學(xué)生能夠“由外而內(nèi)、逐步深入”地掌握工程機械內(nèi)部構(gòu)造與工作過程，提高學(xué)生專業(yè)理論水平與解決實際問題的能力[16]。

3.2 虛擬仿真實驗教學(xué)保障

3.2.1 組織保障

為了有效保證實驗教學(xué)的質(zhì)量,實驗教學(xué)中心采取由校實驗室管理處代表學(xué)校與學(xué)院共同管理的模式，同時創(chuàng)建分層負(fù)責(zé)、相互協(xié)作的管理運行機制，實驗教學(xué)和教輔人員由中心統(tǒng)一任命、管理。中心設(shè)主任1名，副主任2人，主任由學(xué)院院長兼職，負(fù)責(zé)中心的實驗室總體建設(shè)。2名副主任協(xié)助主任分管日常實驗教學(xué)工作、實驗室資源共享建設(shè)、以及與合作企業(yè)的協(xié)調(diào)工作。同時，中心設(shè)有實驗教學(xué)專家委員會，對實驗教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行審核與引導(dǎo)。中心組織保障(見圖2)。

圖1 虛擬仿真實驗教學(xué)體系

圖2 中心組織保障圖

中心下設(shè)5個虛擬仿真分室,由具體各分室主任對中心各實驗教學(xué)設(shè)備進(jìn)行管理與維護(hù),以保證設(shè)備正常運行和實驗教學(xué)的順利進(jìn)行。組織有豐富實踐教學(xué)經(jīng)驗以及研究能力的教師隊伍,以保障實驗教學(xué)質(zhì)量。中心其他人員工作安排主要分為:專(兼)職教師負(fù)責(zé)理論課和實驗課講授;管理和技術(shù)人員負(fù)責(zé)實驗室的日常開放、設(shè)備管理、軟硬件維護(hù)、實驗技術(shù)開發(fā)、實驗課程指導(dǎo)及實驗室建設(shè)等。

3.2.2 制度保障

(1) 教師隊伍管理。實驗教學(xué)中心通過制定實施一系列政策措施,充分調(diào)動實驗教師的教學(xué)積極性,使實驗教學(xué)走向良性循環(huán)。主要有:① 選聘教學(xué)經(jīng)驗豐富、水平高、責(zé)任心強、管理能力突出的具有副高以上職稱的教師主任和副主任,建立主任運行負(fù)責(zé)制的中心工作班子；② 實行實驗技術(shù)人員聘任制,在校內(nèi)外公開招聘、擇優(yōu)錄取具有碩士以上學(xué)位的實驗人員,組建結(jié)構(gòu)合理、符合中心實際的實驗教學(xué)中心隊伍,提高中心高級職稱和博士、碩士學(xué)歷的水平；③ 加強國內(nèi)外培訓(xùn),優(yōu)先安排實驗教學(xué)人員出國培訓(xùn)考察；④ 制定并實施與實驗教學(xué)人員相應(yīng)的崗位職責(zé)及考核辦法,引導(dǎo)和激勵高水平教師積極投入實驗教學(xué)；⑤ 鼓勵、組織和支持實驗教學(xué)人員積極開展教學(xué)研究和進(jìn)修,努力提高實驗教學(xué)與科研水平,中心計劃選派人員每年參加1～2次有關(guān)實驗室建設(shè)或?qū)W科建設(shè)的國際、國內(nèi)學(xué)術(shù)會議；⑥ 健全落實實驗教學(xué)隊伍培養(yǎng)培訓(xùn)制度,每年選拔一定數(shù)量的實驗室教師到國外或國內(nèi)知名高校、企業(yè)進(jìn)修。

(2) 職責(zé)劃分。校實驗室與設(shè)備管理處負(fù)責(zé)對各級實驗教學(xué)示范中心的宏觀管理。主要協(xié)調(diào)有關(guān)部門,全面指導(dǎo)實驗教學(xué)示范中心的規(guī)劃、建設(shè)、管理和考核；制定、落實學(xué)校對實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的相關(guān)政策,促進(jìn)各級中心的可持續(xù)發(fā)展；組織實驗教學(xué)示范中心的交流,促進(jìn)中心的合作,推廣國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心的先進(jìn)經(jīng)驗和實驗教學(xué)成果；負(fù)責(zé)組織對實驗教學(xué)中心的檢查和驗收。

實驗教學(xué)中心所在工程機械學(xué)院的主要負(fù)責(zé)對實驗教學(xué)中心的直接管理；制定、落實實驗教學(xué)中心的發(fā)展規(guī)劃和相關(guān)政策,采取有效措施,保障隊伍、經(jīng)費、虛擬實驗儀器等,促進(jìn)中心進(jìn)一步建設(shè)和發(fā)展；支持實驗教學(xué)中心的對外交流合作、培訓(xùn)等活動,充分發(fā)揮中心輻射作用。另外，實驗教學(xué)中心為規(guī)范管理,做到制度健全、職責(zé)明確、運行有序,制定了一系列規(guī)章制度和崗位職責(zé),如工程機械虛擬仿真實驗教學(xué)工作成績考核評估體系、管理條例、主任崗位職責(zé)等。

這些規(guī)章制度在中心的日常工作中得到了嚴(yán)格地執(zhí)行,有效地保障了實驗教學(xué)中心的正常運作。

4 虛擬仿真實驗教學(xué)信息化管理

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展,進(jìn)行虛擬仿真實驗教學(xué)信息化管理,能夠更好的為師生服務(wù)，提高教學(xué)質(zhì)量與創(chuàng)建教學(xué)實驗條件[6-7]。

(1) 中心門戶網(wǎng)站。訪客可訪問實驗教學(xué)中心網(wǎng)站主頁(見圖3)，可直接進(jìn)入開放式的中心信息化管理與資源共享平臺開展教學(xué)活動,交流學(xué)習(xí)和實驗心得。實驗中心采用開放式虛擬仿真實驗教學(xué)管理平臺,其功能概況(見圖4)。

(2) 實驗教務(wù)管理。實驗教務(wù)管理根據(jù)教務(wù)部門制定的教學(xué)計劃，將實驗課程、教學(xué)日歷、課表等內(nèi)容信息錄入系統(tǒng)，以便教師和學(xué)生在網(wǎng)上開展實驗教學(xué)，為教師和學(xué)生查詢各種實驗教學(xué)信息提供便利。學(xué)生登錄系統(tǒng)后,根據(jù)自己的培養(yǎng)計劃和學(xué)校的開課計劃進(jìn)行選課,查看實驗相關(guān)的課程表，了解任課教師和教學(xué)安排信息。虛擬仿真平臺實驗管理模式(見圖5)。

圖3 實驗中心網(wǎng)站

圖4 開放式虛擬仿真實驗教學(xué)管理平臺

圖5 虛擬仿真實驗平臺實驗管理模式

教務(wù)管理平臺將實驗教學(xué)的相關(guān)資料如各學(xué)科的實驗教學(xué)大綱、實驗內(nèi)容等發(fā)布到實驗中心網(wǎng)站，老師可以在平臺與學(xué)生互動、答疑。學(xué)生能夠提前熟悉實驗課程內(nèi)容、進(jìn)展以及相關(guān)資料，另外，還能夠?qū)ο胍龅膶嶒炦M(jìn)行提前預(yù)約，做完后能夠上傳報告并查看實驗結(jié)果與成績等。學(xué)生也可通過實驗系統(tǒng),進(jìn)行具體實驗，并查看實驗結(jié)果。也在“學(xué)生創(chuàng)新管理平臺”利用服務(wù)器上公開的源代碼,先自行預(yù)研，申請立項，組建團隊，參與源代碼開發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生自主性、個性化研究,切身參與虛擬仿真實驗室的建設(shè)。

(3) 實驗教學(xué)管理。在實驗教學(xué)管理上，教師可以借助教務(wù)教學(xué)管理平臺進(jìn)行相關(guān)操作(見圖6)。

圖6 教務(wù)教學(xué)管理平臺

5 虛擬仿真實驗教學(xué)成效

實驗教學(xué)中心建設(shè)了以學(xué)術(shù)帶頭人為核心,以中青年學(xué)者、教授為骨干,以年輕博士為主體,團結(jié)協(xié)作的高水平教師團隊,實驗室加強了對國內(nèi)外優(yōu)秀中青年人才的吸引、引進(jìn)和培養(yǎng),在制度和軟硬件環(huán)境等多方面予以支持,取得了豐碩成果。

近年來,中心人員共完成省部級以上教學(xué)研究項目5項,獲得陜西省教學(xué)成果獎一等獎2項,二等獎1項；機械電子工程、機械設(shè)計及其自動化專業(yè)獲批國家級特色專業(yè),機械基礎(chǔ)課程教學(xué)團隊、機械設(shè)計及其自動化教學(xué)團隊被授予陜西省教學(xué)團隊,機械設(shè)計及其自動化專業(yè)被評為省級名牌專業(yè),省級教學(xué)名師1名。在科研方面也取得了突出的成績,先后承擔(dān)國家和省部級縱向科研項目20余項,共獲得省部級以上科學(xué)技術(shù)獎項5項,編寫教材10余部。

中心非常重視教師的教學(xué)水平提高和教學(xué)方法改革研究,將虛擬仿真設(shè)備融于各項課程的實際教學(xué)過程中，既提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與效率,也為虛擬仿真設(shè)備進(jìn)一步開發(fā)提供了新的思路，通過多年的實踐和完善，中心已經(jīng)總結(jié)出一套行之有效的實踐教學(xué)方法，為虛擬仿真實驗教學(xué)中心后續(xù)教學(xué)工作的開展提供了堅實的基礎(chǔ)，為高等教育和道路交通事業(yè)做出了應(yīng)有

的貢獻(xiàn)。

6 結(jié) 語

通過多年建設(shè),中心已于2016年獲批國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心,經(jīng)過中心教師努力與校企合作,已開發(fā)了工程機械原理展示、拆卸和裝配過程、關(guān)鍵零部件現(xiàn)代虛擬制造、結(jié)構(gòu)設(shè)計及其分析計算、虛擬操作、電液控制系統(tǒng)、施工遠(yuǎn)程監(jiān)控與信息化等7個虛擬仿真實驗平臺。中心已擁有一個富于創(chuàng)新精神和高水平研發(fā)能力的研究團隊。