提升學(xué)生機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的教學(xué)改革

白瑀 吳慶云 喬虎 姚慧

摘 要：針對(duì)目前學(xué)生創(chuàng)新能力不足的問(wèn)題，本文對(duì)機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法進(jìn)行研究。首先，探討在基于實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，學(xué)生創(chuàng)新能力的體現(xiàn)方面；在此基礎(chǔ)上，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)虛擬仿真平臺(tái)。然后，與一般的實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行比較，分析實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)地方。最后，根據(jù)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)取得的效果，總結(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的意義。

關(guān)鍵詞：機(jī)械產(chǎn)品；創(chuàng)新設(shè)計(jì)；虛擬現(xiàn)實(shí)；教學(xué)改革

在機(jī)械工程、工業(yè)工程和工業(yè)設(shè)計(jì)等專業(yè)的教學(xué)中，機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是一個(gè)關(guān)鍵的教學(xué)環(huán)節(jié)。在這個(gè)過(guò)程中，機(jī)械產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)原理、幾何結(jié)構(gòu)可以被學(xué)生熟知。并且，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，還可以培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。在當(dāng)前信息化和智能化的制造背景下，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已難以滿足培養(yǎng)創(chuàng)新人才的要求。因此，急需一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，以便更好的培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)包含很多方面，在虛擬平臺(tái)的搭建方面，周曉玲[1]等進(jìn)行了平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn)改革，利用虛擬仿真技術(shù)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提供運(yùn)動(dòng)仿真模塊。田力[2]等對(duì)機(jī)構(gòu)拼接與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行平臺(tái)搭建，給學(xué)生一個(gè)直觀的操作界面。周世杰[3]等建設(shè)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，使優(yōu)質(zhì)的實(shí)驗(yàn)資源可以實(shí)現(xiàn)共享。傅招國(guó)[4]等針對(duì)特種設(shè)備領(lǐng)域的特殊性，用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在虛擬環(huán)境中還原特種設(shè)備，以便學(xué)員可以切實(shí)地觀察機(jī)械的結(jié)構(gòu)?？梢?jiàn)，在工程、教學(xué)和特種設(shè)備等領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被廣泛的采用，這項(xiàng)技術(shù)已得到廣泛認(rèn)可。

上述的教學(xué)改革方法中，都采用了虛擬仿真技術(shù)，將實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)對(duì)象以及實(shí)驗(yàn)條件在計(jì)算機(jī)中模擬。本文在當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件情況下，以提高學(xué)生的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力為目的?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行改革。首先，探討在基于實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，學(xué)生創(chuàng)新能力的體現(xiàn)方面；在此基礎(chǔ)上，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)虛擬仿真平臺(tái)。然后，與一般的實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行比較，分析實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)地方。最后，根據(jù)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)取得的效果，總結(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的意義。

1 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）是一項(xiàng)基于計(jì)算機(jī)的先進(jìn)技術(shù)。形象、逼真地三維空間可以通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)中模擬出來(lái)，同時(shí)滿足用戶在視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等感官的反饋。用戶通過(guò)外置設(shè)備（VR眼鏡、數(shù)據(jù)手套）的使用，可以在計(jì)算機(jī)中有一種身臨其境的感受。[5]

在外置設(shè)備的幫助下，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，可以部分或整體地代替當(dāng)前的一般實(shí)驗(yàn)。這可以提高實(shí)驗(yàn)人員的實(shí)驗(yàn)效率，并且節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間和擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)空間。使得實(shí)驗(yàn)人員在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中盡可能地釋放自己的創(chuàng)新能力。[6]本文依據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生創(chuàng)新能力的體現(xiàn)方面，并結(jié)合學(xué)校實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上搭建機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)平臺(tái)，而且改良虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)條件。實(shí)驗(yàn)實(shí)施方法如下：

（1）根據(jù)學(xué)生能力特長(zhǎng)不同，以最大限度地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力為目的，將學(xué)生進(jìn)行合適地分組。學(xué)生在上機(jī)實(shí)驗(yàn)前，以組為單位，討論自己實(shí)驗(yàn)構(gòu)想，提出對(duì)機(jī)械產(chǎn)品需要改進(jìn)的地方，并進(jìn)行可行性分析。將討論結(jié)果書(shū)面展示給指導(dǎo)教師。

（2）教師結(jié)合學(xué)生的討論結(jié)果報(bào)告，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行設(shè)定，并且將學(xué)生所需模型類似或功能相似的零部件也調(diào)入到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。這就可以滿足實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的需求，最大可能地完成機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

（3）學(xué)生上機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)，第一步，先熟悉實(shí)驗(yàn)儀器，體驗(yàn)虛擬環(huán)境的感官變化。第二步，熟悉機(jī)械產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)平臺(tái)。第三步，在PC機(jī)上，通過(guò)VR眼鏡和數(shù)據(jù)手套，完成自己的創(chuàng)新設(shè)計(jì)設(shè)想，并且觀看動(dòng)畫(huà)效果，以判斷是否達(dá)到自己的所需設(shè)計(jì)意圖。

（4）在課后，學(xué)生可以針對(duì)自己的創(chuàng)新設(shè)計(jì)想法，將所需的資源打包，以APP的形式在手機(jī)中安裝虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，借助手機(jī)盒子和藍(lán)牙手柄實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的構(gòu)建和運(yùn)動(dòng)模擬。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以最大限度的滿足學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的要求，而且在感官上配合學(xué)生，從而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。重要地是，在新鮮的環(huán)境中，學(xué)生的學(xué)習(xí)激情會(huì)提高，對(duì)知識(shí)獲取也會(huì)增大需求。這相對(duì)于一般的實(shí)驗(yàn)條件，學(xué)生的創(chuàng)新能力的提高是顯著的。同時(shí)，也為機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)開(kāi)創(chuàng)了一種新的實(shí)驗(yàn)方法，解決目前機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的各種問(wèn)題與不足。圖1和圖2是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的意義

根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)的地方，可以從教師的教學(xué)效果和學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境、學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，還有學(xué)生的創(chuàng)新潛質(zhì)等方面總結(jié)其改革意義。

2.1 改善了教師的教學(xué)效果和學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境

采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)資源拓展自己的眼見(jiàn)，豐富自己的專業(yè)知識(shí)，因此，教師的教學(xué)效果會(huì)有顯著提升。另一方面，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以豐富實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源，讓實(shí)驗(yàn)課的開(kāi)設(shè)不在受實(shí)驗(yàn)儀器的約束，一定程度上緩解了學(xué)校經(jīng)費(fèi)緊張的問(wèn)題。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境也會(huì)得到改善。

2.2 提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)構(gòu)想是開(kāi)源的。在虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新能得到有效保證。比如，學(xué)生可以在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上大膽的設(shè)計(jì)桿組組件，平時(shí)在課本上學(xué)習(xí)的基本原理可以在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上得到驗(yàn)證，讓所學(xué)的知識(shí)不在是書(shū)本上固定不變的定理，而是轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M環(huán)境中的物體。這不但可以幫助學(xué)生理解枯燥的幾何理論知識(shí)，重要地是，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

2.3 激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛質(zhì)

隨著實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的改善和學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力的提高，學(xué)生在創(chuàng)新設(shè)計(jì)方面的能力就會(huì)展現(xiàn)出來(lái)。良好的基礎(chǔ)條件是創(chuàng)新的必備因素。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，保障了學(xué)生在機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新時(shí)的基礎(chǔ)條件，可以為學(xué)生提供豐富地實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源和廣泛地科學(xué)知識(shí)，還有與行業(yè)專家探討的交流機(jī)會(huì)。因此，通過(guò)這些條件，學(xué)生的創(chuàng)新潛質(zhì)會(huì)被激發(fā)，創(chuàng)新能力會(huì)大大地提高。

3 結(jié)語(yǔ)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，打破傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，用戶可以不受時(shí)間、空間的約束隨時(shí)進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，具有便捷性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，學(xué)生可以將自己大膽的設(shè)計(jì)構(gòu)想進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，滿足學(xué)生好奇心的同時(shí)，還能夠激發(fā)創(chuàng)新潛能，使得學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]周曉玲，汪中厚.基于虛擬仿真技術(shù)的平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2017.39（1）：79-82.

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基金項(xiàng)目：西安工業(yè)大學(xué)研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（XAGDYJ170204）

作者簡(jiǎn)介：白瑀（1975-），男，漢族，陜西西安人，西安工業(yè)大學(xué)，副教授，博士，研究方向：機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。