《机械设计基础》虚拟教学中心的建设与应用

高教

来源：本站  作者：李峰 王双岭 杨丽娜 王冰雪 李宁 张巍 郑州经贸学院智慧制造学院  发表于：2022.03.31   578浏览

李 峰

随着科技发展与社会进步，虚拟现实技术已经比较成熟，并广泛地应用于广告、设计、仿真、制造等领域。虚拟课程是将授课内容以虚拟的方式展示出来，让学生在虚拟环境中进行课程学习。虚拟教学课程建设越来越受到高校重视，学校也在通过不同方式加大相关投入。疫情期间，虚拟课程建设显得尤为重要，因其实现了不聚集、少聚集、方便、灵活、学习效果突出，加快了大家对课程虚拟教学的认可步伐。

《机械设计基础》课程是机械类相关专业的一门专业基础课，课程教授频率、学生学习频率较高，因疫情原因，郑州经贸学院该课程也建设了相关在线课程，但由于学生在线学习时与实际授课环境相差较大，且课程还有随后实验、课程设计（简称课设）等环节，教学效果相应弱化。为提升在线教学效果，课程组建立了《机械设计基础》虚拟教学中心，将教学搬入“虚拟教室”、“虚拟实验室”，将理论教学、实验室教学、课设融合到了一起，将课程建设提升到了一个更高层次。

一、课程主要内容

《机械设计基础》作为一门非常重要的专业基础课，主要教授学生机构分析、设计的基本理论、基本方法，培养学生对机械系统运动方案创新设计的初步能力。要求学生掌握设计或选用通用机械零部件的基本理论、基本知识和基本技能，具有设计机械零部件、机械传动装置和一般机械的设计能力，具有运用标准、规范查阅技术资料的能力及计算能力、绘图能力，掌握机械设计基础的实验原理和方法，具有进行实验研究的初步能力。学校该门课程主要内容包括：平面机构的自由度和速度分析、平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、轮系、间歇运动机构、机械零件设计概论、联结、齿轮传动、蜗杆传动、带传动和链传动、轴、滚动轴承等。

二、课程建设技术方案

1.传统教学中存在的问题

传统课程教学以课堂教学为主，辅以实验、课设等实践环节。课程理论讲授、实验、课设授课时间不同，授课地点不同，授课教师也经常不同，如遇到疫情等特殊时间点、时间段，实验、课设等应用环节或需另寻途径解决或延迟解决。在教学过程中，学生被动接受教学内容，缺乏实物参考，对学习内容流于表面认识，不能很好地融会贯通。如何让教师能够通过动态教学、立体教学、全方位教学，让学生能够通过自由学习、现实环境学习、动态学习，掌握课程的主要知识、主要应用技能，成为《机械设计基础》课程需要解决的主要问题。因此，将现代信息技术和《机械设计基础》课程教学内容、应用技能深度融合，充分利用虚拟现实教学技术、互联网在线教学手段，打破传统授课的重重问题壁垒，打通教师、学生、教学环境、教学器材之间的通道，成为《机械设计基础》虚拟教学中心建设的初衷。

2.课程建设方案

《机械设计基础》虚拟教学中心建设总体方案见图1所示。在课程建设过程中，课程组先后讨论了课程需要进行的主要教学内容，并就其在教学中心中的呈现方式、实现技术条件及方法进行了深入探讨，设计了实现方案及融合方式。课程组在原有在线课程网站植入虚拟教学中心，以便于学生学习，并对因电脑达不到进入虚拟中心学习的基本要求而无法学习问题，提供了应对策略。对后期教学中心的优化、提高，课程组也提出了更高期望。

图1《机械设计基础》虚拟教学中心建设总体方案

（1）教学内容梳理、整合

课程教学内容主要包括理论教学内容、实验课、课程设计及部分附加内容。

理论教学内容主要指课本知识，教师主要通过PPT展示。为提升教学效果，扩展学生知识范围，可加入书本知识总结、重点内容讲解，另外再添加部分附加内容，如发动机、阀、虎钳等具有代表性的机械类相关内容，内容要生动、形象、易懂、易记，方便学生掌握、应用。

实验课主要设计了减速器拆装。该部分既可对理论知识做系统性回顾，又能对后续的机械设计基础课设做准备。因为是在虚拟情况下完成，所以加入了实验操作展板等辅助性介绍内容。

课设为设计减速器。为了达到教学效果，既要给学生展示最终要成型的设计图，让学生有目的、有对比地完成课设，又要让学生切实知道、掌握减速器各部分的相关知识，因此，也要把所有零件的造型、介绍一一列出，方便学生学习、掌握。

（2）酝酿教学内容展现方式

因课程讲授的《机械设计基础》主要包括12章内容，把这些教学内容的课件一一展示给学生，学生在虚拟环境中一一学习，即可完成理论知识的学习；各章总复习的内容也可以通过课件放入的形式展示给学生。为了加深学生印象，提升教学效果，还可以加入课件中相应二维图纸的三维模型，让学生一目了然，这样，学生学得也快，掌握得也深，效果理想。课程实验除了包含减速器的虚拟讲授内容外，还要让学生掌握减速器的正确拆装方法、技能，因此需要加入相应的互动环节，让学生技能、理论同样得到提升。实验的主要展示方式可以通过图纸、照片、三维模型、拆装效果几个方面展示出来。对课设来说，需要给出实物造型、实物图片、图纸等，让学生知道相应的知识和表达方法。所有的教授内容可以相互借用，相互依托，你中有我，我中有你，让学生融会贯通，形成习惯，习惯成自然。

图2课件、照片、附加内容展示实例及减速器拆装实验现场

（3）教学内容实现方式

对于课件、图片等教授内容，可以通过Photoshop进行修图、截图，将图片sprite化，应用于unity，并赋予一定的互动程序，即可展示；对于物体实例可以预先通过SolidWorks、Ug等软件建立实物三维模型，再将模型导入unity，通过unity中材质等对模型进行渲染修饰，即可完成；对实验中需要的拆装等互动可通过C语言、java等编制相应互动程序，以达到满意的效果。以上方式可通过unity平台整合完成，融合于一个虚拟环境中，也就是本课程的虚拟教学中心。虚拟教学中心也需要一定的辅助道具，如教学中心楼房、桌椅、教具、介绍、灯光等，因此虚拟教学中心是一个融合了教学设计和脚本设计的先进信息技术平台。

图3模型展示、介绍及图纸展示实例

（4）教学内容融合于一体

将梳理、准备好的能够实现的教学内容统一放入unity中，本虚拟教学中心设计了18个房间和1个大厅，其中12个房间用来摆放课件和模型，一个房间用来做减速器拆装实验和课设讲解，其余的添加了附加的4个教学内容和部分重点知识，做到有脉络，有重点，有课件，有虚拟实物，有拆装，有介绍，环境逼真，效果良好，很好地将教学内容融合到了一起，展示给学生。

图4教学中心大厅一侧

（5）教学平台应用

虚拟教学中心建设完成以后，需要通过一个平台展示给学生，方便学生通过网络手段接触到课程。本课程利用了优学院教学平台，将课程放入优学院教学平台，学生可以在线进入教学中心学习。如果学生电脑不能达到在线运行教学中心的基本要求，也可以下载单机版，线下进入教学中心学习，方便、简单、实用。

图5教学中心及教学房间实例

（6）平台改善途径

将虚拟中心提供给学生后，学生可以通过线上、线下学习相关知识、技能，并通过优学院自带的问题反馈页反馈问题给教师。学生不仅可以在逼真的虚拟环境中立体学习相关知识，而且自身学习的兴趣得到激发。同时教师教学效果得到提升。这是一个很好的信息化教学方向。

三、课程建设创新之处

《机械设计基础》虚拟教学中心将课堂教学与学生自学设立于虚拟教学环境，将理论教学、实验、课程设计融合到一个教学平台、一个虚拟的教室，如身临其境，又安全可靠，同时将整体的专业知识融合到一个平台，激发了学生学习机械设计相关知识的热情，以及建模与仿真的兴趣，提高了学习效果。同时，平台既能够进行普通教学，又能够进行复习总结；不仅提供了在线教学平台，还提供了单机版教学软件，学生在没有网络的情况下也可以学习，极大地方便了学生学习，提升了学生学习自主性。

图6减速器结构及拆装实验室

四、建设成效与下一步计划

《机械设计基础》虚拟教学中心课程建设将该课程的理教、实验、课设融入到一个环境中，教学中心建立模型、制作图片2200余件，提供虚拟教学中心的网页版、单机版，并为防止因实验互动对微机硬件性能要求过高导致停顿，单独提供了实验的电脑版、网页版。目前《机械设计基础》虚拟教学中心课程在线网页已完成近两年的实验测试，学生反应良好。下一步，我们将持续建设并改进服务计划，针对产生的新问题储备解决方案及技术支持，提升服务师生的水平，完成教学推广，服务学校教学信息化建设。（河南省省级青年骨干教师项目（2018GGJS212）：基于多自由度人形机器人的机器人行走位姿自适应规划技术研究。郑州经贸学院教学改革研究项目（jg2102）: 应用技术型高校工科专业“创客空间”建设的研究与实践。）