虛擬仿真教學(xué)在機(jī)械原理課程中的應(yīng)用研究

崔光珍 肖艷秋 王才東 吳 超

鄭州輕工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 河南鄭州 450002

機(jī)械原理是機(jī)械類或近機(jī)械類專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，它是將學(xué)生前期所學(xué)理論基礎(chǔ)和實(shí)際機(jī)械相結(jié)合來探討機(jī)械內(nèi)部基本規(guī)律的基礎(chǔ)性技術(shù)課程。本課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)分析方法、機(jī)械的動(dòng)力分析方法、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)方法，著重培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維與能力。為了達(dá)到該教學(xué)目標(biāo)，機(jī)械原理授課教師必須不斷深化課程內(nèi)涵教育建設(shè)，并依據(jù)需求變化改進(jìn)授課。

近些年來，廣大機(jī)械原理授課教師從不同角度提出機(jī)械原理課程改革方案與方法。如從工程教育角度基于SETP(Software-Theory-Experiment-Project)和OBE(Outcome-Based Education)教學(xué)模式提出了機(jī)械原理教學(xué)改革方案[1,2]；結(jié)合現(xiàn)代化教學(xué)理念，將翻轉(zhuǎn)課堂應(yīng)用于機(jī)械原理課程教學(xué)過程，并總結(jié)歸納出課程案例設(shè)計(jì)方法[3]；隨著互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)模式的推出，出現(xiàn)了基于MOOC的機(jī)械原理教學(xué)改革方案[4]；而今，為實(shí)現(xiàn)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》建設(shè)目標(biāo)，切實(shí)做到現(xiàn)代信息技術(shù)與教育的全面深度融合，以信息化引領(lǐng)教育理念和教育模式的創(chuàng)新，結(jié)合機(jī)械原理課程特點(diǎn)，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械原理教學(xué)過程，彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方式的不足，將是行之有效的方法。

1 沉浸式教學(xué) 將學(xué)生代入課堂

機(jī)械原理課程并不是具體研究某種機(jī)械，而是將機(jī)械簡化為機(jī)構(gòu)，從而研究其共性問題。因此，在授課過程中，既要培養(yǎng)學(xué)生基于實(shí)際工程問題，將復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)簡化為相應(yīng)機(jī)構(gòu)的能力；又要培養(yǎng)學(xué)生，應(yīng)用前期所學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)對(duì)機(jī)構(gòu)綜合與分析問題進(jìn)行嚴(yán)密地邏輯推理，最終使學(xué)生具有解決工程問題的能力。如何使學(xué)生感性認(rèn)知工程問題，掌握將工程問題轉(zhuǎn)化為機(jī)構(gòu)綜合與分析問題，如何使枯燥的理論推導(dǎo)過程變得更為符合當(dāng)代大學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生愿意進(jìn)入課堂，提高授課質(zhì)量是亟待解決的問題。

當(dāng)代大學(xué)生在信息化新媒體環(huán)境下伴隨互聯(lián)網(wǎng)長大，手機(jī)等移動(dòng)客戶端成為其不可或缺的一部分，要實(shí)現(xiàn)“低頭族”放下手機(jī)抬頭聽課，使學(xué)生注意力集中于課堂，提高課堂學(xué)習(xí)效率，授課過程和方法須借鑒現(xiàn)代信息化技術(shù)—虛擬仿真技術(shù)教學(xué)?；谔摂M仿真技術(shù)，學(xué)生可以直觀了解工程問題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場教學(xué)與課堂教學(xué)融合，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，把學(xué)生的注意力拉回到課堂上；同時(shí)，結(jié)合啟發(fā)式教學(xué)方法，借助虛擬仿真技術(shù)的交互性功能，引導(dǎo)學(xué)生完成自主學(xué)習(xí)，使學(xué)生理解機(jī)構(gòu)綜合與分析問題的由來及其解決方法，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考和解決問題的能力；最后，在公式理論等推導(dǎo)過程中，通過適時(shí)地虛擬仿真，使學(xué)生深刻理解公式中參數(shù)的實(shí)際物理意義，有助于教師講解推導(dǎo)過程和深化學(xué)生對(duì)該推導(dǎo)過程的理解與記憶。

2 集思廣益 增加“新鮮”教學(xué)案例

機(jī)械原理課程是一門理論與實(shí)際相融合的課程，通過虛擬仿真技術(shù)營造實(shí)際工程氛圍與教師理論講解相結(jié)合來達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目標(biāo)，還須做好底層的“工程案例”選擇與設(shè)計(jì)。當(dāng)前我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，為使課堂與時(shí)代發(fā)展接軌，授課教師須與時(shí)俱進(jìn)，除了追求實(shí)際工程案例新穎，在案例選擇與設(shè)計(jì)過程還須注意以下三點(diǎn)。

(1)以課程教學(xué)目標(biāo)為準(zhǔn)則，優(yōu)選教學(xué)案例。根據(jù)機(jī)械專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)及其特色，優(yōu)選校企合作案例，使學(xué)生明白學(xué)有所用，更容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，后期組織學(xué)生到相應(yīng)企業(yè)進(jìn)行實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)，將有助于學(xué)生進(jìn)一步加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。但是，實(shí)際工程問題與科研項(xiàng)目往往比較復(fù)雜，因此需要結(jié)合機(jī)械原理知識(shí)點(diǎn)對(duì)案例進(jìn)行合理簡化。

(2)案例的兼容性。機(jī)械原理各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)具有一定的獨(dú)立性，為使學(xué)生在學(xué)習(xí)完本課程后對(duì)機(jī)構(gòu)有整體認(rèn)知，具有機(jī)械系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)能力。在案例選擇時(shí)優(yōu)選涵蓋多個(gè)機(jī)械原理課程教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)的綜合型案例，使學(xué)生明白整體機(jī)械系統(tǒng)與局部機(jī)構(gòu)的關(guān)系，掌握各類機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用分析能力，培養(yǎng)學(xué)生機(jī)構(gòu)創(chuàng)新及用不同機(jī)構(gòu)創(chuàng)新機(jī)械系統(tǒng)的能力。

(3)案例的可擴(kuò)展性。一方面，機(jī)械原理課程在機(jī)械專業(yè)人才培養(yǎng)過程中起著承上啟下的作用，故選擇案例時(shí)應(yīng)優(yōu)選可擴(kuò)展用于后續(xù)專業(yè)課教學(xué)的案例，這樣既有助于學(xué)生后期鞏固所學(xué)知識(shí)，又使得教學(xué)具有一定的連貫性。另一方面，通過案例將學(xué)生從課堂引入實(shí)踐創(chuàng)新中，并將項(xiàng)目擴(kuò)展到課外，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)基于課堂案例進(jìn)行擴(kuò)展性的創(chuàng)新實(shí)踐設(shè)計(jì)，形成“學(xué)習(xí)—實(shí)踐—?jiǎng)?chuàng)新”三位一體的教學(xué)模式。

3 激發(fā)自主學(xué)習(xí)意識(shí) 提升創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力

在機(jī)械原理教學(xué)過程中，做到為學(xué)生“留白”，如基于虛擬仿真技術(shù)將工程問題引入，并積極引導(dǎo)學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)相關(guān)理論知識(shí)點(diǎn)，落實(shí)以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，把傳統(tǒng)的課堂講授變成學(xué)生自學(xué)探尋理論的過程，這樣有助于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)—分析—解決問題的能力。同時(shí)，為加強(qiáng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力培養(yǎng)，增加生生、師生討論交流，將部分章節(jié)留給學(xué)生自學(xué)，并以小組報(bào)告的形式匯報(bào)學(xué)習(xí)成果；匯報(bào)成績?cè)u(píng)定則由小組內(nèi)評(píng)分、小組外評(píng)分、教師評(píng)分三部分組成，以此來激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。為切實(shí)提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，基于虛擬仿真技術(shù)將往年的創(chuàng)新設(shè)計(jì)案例引入課堂，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，并鼓勵(lì)學(xué)生參加創(chuàng)新設(shè)計(jì)賽事，將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際的創(chuàng)新實(shí)踐當(dāng)中。

4 結(jié)語

機(jī)械原理課程的教學(xué)過程應(yīng)注重工程實(shí)踐與理論教學(xué)相結(jié)合。依據(jù)當(dāng)前產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展需求、行業(yè)對(duì)人才培養(yǎng)的要求，在機(jī)械原理課程中引入虛擬仿真教學(xué)，更新教學(xué)案例和方法，構(gòu)建滿足行業(yè)發(fā)展需要的機(jī)械原理教學(xué)模式是行之有效的改革方法。在將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械原理課程教學(xué)的過程中，積極嘗試與探索新的教學(xué)模式，加強(qiáng)課堂教學(xué)對(duì)學(xué)生的引導(dǎo)，向培養(yǎng)高素質(zhì)的機(jī)械工程人才這一目標(biāo)不斷邁進(jìn)，將是機(jī)械原理課程教學(xué)改革的目標(biāo)和建設(shè)方向。