“新工科”背景下工程機(jī)械類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)

1、實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理Experime ntal Tech no logy and Man ageme nt第38卷第1期2021年1月Vol.38 No.1 Jan. 2021ISSN 1002-4956CN11-2034/TDOI: 10.16791/ki.sjg.2021.01.030“新工科”背景下工程機(jī)械類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)劉磊二張嘉鷺2(1.徐州工程學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，江蘇徐州221000 ；2.江蘇師范大學(xué) 軌道交通信息與控制國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，江蘇徐州221000)摘 要：實(shí)驗(yàn)教學(xué)是“新工科”專業(yè)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要途徑，針對(duì)工程機(jī)械專業(yè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法存在的成本高、耗時(shí)長(zhǎng)、

2、效率低等問題，融合Web 3D技術(shù)和B/S網(wǎng)絡(luò)機(jī)制構(gòu)建了工程機(jī)械模擬操作、結(jié)構(gòu)裝配、液壓原理及性能測(cè)試等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，建設(shè)了包含學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)、企業(yè)職前培訓(xùn)、教師科研服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)共享平臺(tái)，探索了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源科學(xué)高效的管理模式，并以挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為例，具體闡述了資源的界面結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。所建設(shè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源已面向周邊高校及工程機(jī)械類企業(yè)共享使用，取得了良好的應(yīng)用效果，可為“新工科”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)提供 參考。關(guān)鍵詞：新工科；工程機(jī)械；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；虛擬仿真中圖分類號(hào)： G434文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)：1002-4956(2021)01-0140-

3、04Con structi on of virtual simulatio n experime ntal teach ing resources forengin eeri ng mach inery un der backgro und of“ New engin eeri ngLIU Lei 1, ZHANG Jialu 2(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221000, China;2. National Virtual Simulati

4、on Experimental Teaching Center of Rail Traffic Information and Control,NewJiangsu Normal University, Xuzhou 221000, China)s'Abstract: Experimental teaching is an important way to cultivate innovative talents in the specialty of engineering ” . In view of the problems of high cost, long time-con

5、suming and low efficiency in the traditional experimental teaching methods for the engineering machinery specialty, the virtual simulation experiment teaching resources such as engineering machinery simulation operation, structural assembly, hydraulic principle and performance test are constructed b

6、y integrating Web 3D technology and B/S network mechanism, and a network sharing platform including students' experimental teaching, enterprise pre-service training and teachersresearch service is constructed. The scientific and efficient management model of virtual simulation experiment teachin

7、g resources is explored upon, and by taking virtual simulation experiment teaching resources of excavator driving system as an example, the interface structure, experimental methods and evaluation criteria of resources are elaborated. The experimental teaching resources have been shared by surroundi

8、ng universities and engineering machinery enterprises, and good application results have been achieved, which can provide reference for the construction of virtual simulation experiment teaching resources of“ New engineering ” .Key words: new engineering; engineering machinery; experimental teaching

9、; virtual simulation收稿日期：2020-03-31基金項(xiàng)目：江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目(18kJB460028)；徐州工程學(xué)院高等教育教學(xué)研究課題(YGJ1962)；國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目(2018-073)；江蘇省高校實(shí)驗(yàn)室研究會(huì)重點(diǎn)課題(GS2019ZD07)；江蘇省現(xiàn)代教育技術(shù)課題(2018-R-59710)作者簡(jiǎn)介：劉磊(1986 )，男，江蘇徐州，講師，博士，主要從事虛擬樣機(jī)技術(shù)及液壓傳動(dòng)等方面的教學(xué)及研究工作。E-mail: Ieiliu86si na.c n劉 磊，等：“新工科”背景下工程機(jī)械類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)141起蟲機(jī)性能測(cè)試 菠載機(jī)性倦測(cè)試

10、 施撈鉆機(jī)性能測(cè)認(rèn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是“新工科”專業(yè)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重 要途徑，云計(jì)算、“互聯(lián)網(wǎng)+ ”、虛擬現(xiàn)實(shí)等現(xiàn)代信息 技術(shù)為“新工科”實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了全新的教學(xué)手段1-3。 2017年4月，教育部高教司發(fā)布的“新工科”建設(shè) 行動(dòng)路線(“天大行動(dòng)”)中明確指出：“充分利用虛 擬仿真等技術(shù)創(chuàng)新工程實(shí)踐教學(xué)方式”，由此可見，基 于現(xiàn)代信息技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源已成為高校實(shí)踐 教學(xué)的重要組成部分，并在“新工科”專業(yè)建設(shè)中發(fā) 揮著越來越重要的作用。工程機(jī)械專業(yè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法存在成本高、耗時(shí) 長(zhǎng)、效率低等問題，學(xué)生難以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)大型工 程機(jī)械的結(jié)構(gòu)特征形成感觀認(rèn)知，更難以掌握工程 機(jī)械復(fù)雜的運(yùn)用方式、檢修工藝和

11、設(shè)計(jì)方法。因此，在“新工科”背景下，如何借助虛擬仿真技術(shù) 建設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，進(jìn)而提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，成為 當(dāng)前工程機(jī)械專業(yè)建設(shè)和發(fā)展過程中亟需解決的 問題。1建設(shè)意義建設(shè)工程機(jī)械類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源并在線開 放，可有效推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入工程機(jī)械專業(yè)實(shí)驗(yàn) 教學(xué)，進(jìn)而拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度和深度、延伸實(shí)驗(yàn)教 學(xué)的時(shí)間和空間5-8,對(duì)改進(jìn)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法具有較 大意義。具體體現(xiàn)在以下 3個(gè)方面。(1) 降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本。工程機(jī)械專業(yè)實(shí)體實(shí)驗(yàn) 設(shè)備極為昂貴，安裝、維護(hù)過程繁瑣，且不能模擬異 常工況。而參照高精度工程圖紙建設(shè)工程機(jī)械類虛擬仿 真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，可有效緩解實(shí)驗(yàn)設(shè)備購置經(jīng)費(fèi)短缺、 實(shí)驗(yàn)用房緊張等

12、問題。且實(shí)驗(yàn)資源的更新?lián)Q代僅須在 服務(wù)器中重新部署軟件即可，可以顯著降低實(shí)驗(yàn)教學(xué) 成本10。(2) 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。基于 B/S架構(gòu)建設(shè)的工 程機(jī)械類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，可在根本上解決 C/S 架構(gòu)資源僅能單機(jī)使用的問題，所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均可遠(yuǎn)程在線學(xué)習(xí)、操作和考核，學(xué)生不必受制于實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí) 驗(yàn)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)分組等，借助計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)即可完成 實(shí)驗(yàn)。學(xué)習(xí)者還可通過網(wǎng)絡(luò)共享平臺(tái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜困難實(shí) 驗(yàn)的異地分布式多人協(xié)同作業(yè)，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源 優(yōu)化與開放共享的目的10-12。(3) 提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。工程機(jī)械體積龐大，零 部件數(shù)以萬計(jì)，若通過實(shí)體實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行教學(xué)，則存 在內(nèi)部結(jié)構(gòu)不易觀察、裝配關(guān)系難以

13、理解、異常工況 無法再現(xiàn)等問題，教學(xué)效果難以保證。而通過虛擬仿 真技術(shù)建立的工程機(jī)械交互式三維模型可輕松實(shí)現(xiàn)復(fù) 雜設(shè)備透視化、裝配關(guān)系動(dòng)態(tài)化，并通過參數(shù)變換功 能實(shí)現(xiàn)不可及、不可逆工況的模擬 13。2建設(shè)內(nèi)容(1) 構(gòu)建“一心四環(huán)”的教學(xué)資源體系。本實(shí)驗(yàn) 教學(xué)資源立足工程機(jī)械領(lǐng)域，采用數(shù)字虛擬仿真、人 機(jī)交互等先進(jìn)的教育信息化技術(shù)，以“工程機(jī)械實(shí)驗(yàn) 資源”為中心，構(gòu)建模擬操作、結(jié)構(gòu)裝配、液壓原理 和性能測(cè)試4個(gè)方面的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，單個(gè) 教學(xué)資源又可分為若干實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，形成“一心四環(huán)” 的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，如圖1所示。程機(jī)械結(jié)枸裝配挖搦肌模擬提柞 起蟲脫擬提作 .裝戟甘按須擁作 旄挖鉆機(jī)模拉拠

14、fl：工稈機(jī)械 估宜資源挖掘機(jī)結(jié)枸趙配 起啟til結(jié)構(gòu)裝配 裝濮機(jī)結(jié)構(gòu)裝配 験挖鉆機(jī)結(jié)構(gòu)菇配挖抽機(jī)液用原理 起曲機(jī)袖i/EEt圜 裝戲機(jī)液壓原卿 燉挖鉆機(jī)槪壓取理T程機(jī)械淞壓原理圖1虛擬仿真教學(xué)資源體系(2) 搭建基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的共享機(jī)制。本實(shí)驗(yàn) 教學(xué)資源基于 Web GL技術(shù)開發(fā)，以 Unity 3D為三 維引擎，通過 B/S架構(gòu)將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件部 署在服務(wù)器上，配合 SQL Server、Oracle等數(shù)據(jù)庫 軟件，用戶僅需安裝瀏覽器(如火狐、谷歌瀏覽器 等)即可通過互聯(lián)網(wǎng)訪問服務(wù)器內(nèi)的教學(xué)資源。由 于所有客戶端均統(tǒng)一為Web瀏覽器，因此在無須安裝任何其他軟件的前提下即可進(jìn)行虛擬仿

15、真實(shí)驗(yàn)， 最大程度上實(shí)現(xiàn)資源共享的功能。網(wǎng)絡(luò)共享機(jī)制如 圖2所示?；ヂ?lián)網(wǎng)終端服務(wù)器集群圖2 網(wǎng)絡(luò)共享機(jī)制（3）建立“三位一體”的網(wǎng)絡(luò)共享平臺(tái)。依托我 校“工程機(jī)械檢測(cè)與控制”江蘇省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 搭建開放共享的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，對(duì)所建設(shè)的虛擬仿真 實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源加以整合及數(shù)據(jù)接入。依次建立針對(duì)學(xué) 生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、針對(duì)企業(yè)職工的實(shí)踐培訓(xùn)平臺(tái)和 針對(duì)教師的科研服務(wù)平臺(tái)。3個(gè)平臺(tái)功能聯(lián)動(dòng)、相輔相 成，形成一體化相互推動(dòng)關(guān)系。同時(shí)，優(yōu)化平臺(tái)技術(shù)體 系，建立統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)虛擬仿真共享平臺(tái)和實(shí) 驗(yàn)項(xiàng)目的無縫對(duì)接與互相支撐。共享平臺(tái)架構(gòu)如圖3所示。£科實(shí)踐培訓(xùn)教師科研職工職前培訓(xùn)協(xié)同佛發(fā)實(shí)驗(yàn)教

16、學(xué)創(chuàng)新訓(xùn)練模擬掾柞結(jié)枸裝配戒壓原理職工技能實(shí)訓(xùn)科研院所研究圖3 共享平臺(tái)架構(gòu)（4）探索“優(yōu)化再生、持續(xù)提升”的管理模式。 首先，搭建科學(xué)的績(jī)效評(píng)價(jià)體系和完善的服務(wù)支撐體 系，依托虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)共享平臺(tái)，對(duì)在線開放的虛擬 仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目實(shí)施動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)制度；其次，采用有 償使用原則，引入市場(chǎng)力量探索“互補(bǔ)互利、成本均 攤、服務(wù)有償、收益共享”的運(yùn)行模式14，以促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源優(yōu)化再生和持續(xù)提升；最后，在主管部門指導(dǎo)下，采取“統(tǒng)一管理、統(tǒng)籌規(guī)劃、資源共享、有 效利用”的管理模式，實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教 學(xué)資源的科學(xué)高效管理。運(yùn)行與管理機(jī)制架構(gòu)如圖4所示。3建設(shè)成果近3年，我校已開發(fā)工程機(jī)械類虛擬仿

17、真實(shí)驗(yàn)教學(xué) 資源共計(jì)7套。本文以“挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn) 教學(xué)資源”為例進(jìn)行介紹。該資源共包含“挖掘機(jī)模擬 操作”“挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)裝配”“挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)搭建”及“挖 掘機(jī)性能測(cè)試”等4個(gè)虛擬仿真項(xiàng)目。（1 ）挖掘機(jī)模擬操作。該實(shí)驗(yàn)主要考查學(xué)生對(duì)挖 掘機(jī)基本操作的掌握程度，以及手柄操作方向與挖掘 機(jī)相應(yīng)動(dòng)作的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使學(xué)生能靈活根據(jù)需要完成 挖掘機(jī)的復(fù)合動(dòng)作。為使學(xué)生習(xí)慣交互式操作界面， 特別設(shè)置了練習(xí)模式和考核模式?？己四Ｊ浇缑嫒鐖D5所示，在圖中上方紅框區(qū)域內(nèi)，有操作時(shí)間計(jì)時(shí)、操 作步驟計(jì)數(shù)及當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)，學(xué)生綜合操作左操作 手柄和操縱桿，完成挖掘機(jī)的沙土裝料、運(yùn)輸、倒料 和回原位等工作。

18、圖5模擬操作實(shí)驗(yàn)界面（2 ）挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)裝配。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要考查學(xué)生 對(duì)挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵元件安裝位置的了解。實(shí)驗(yàn)的操 作分?jǐn)?shù)主要以元件放置位置的準(zhǔn)確性和操作時(shí)間來評(píng) 價(jià)。交互界面上有時(shí)間進(jìn)度條，在平均時(shí)間以內(nèi)完成 的，成績(jī)合格，時(shí)間越短分?jǐn)?shù)越高；反之，在平均時(shí) 間以上的，建議返回“實(shí)驗(yàn)內(nèi)容”重新學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)界 面如圖6所示。劉 磊，等：“新工科”背景下工程機(jī)械類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)#劉 磊，等：“新工科”背景下工程機(jī)械類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)143迪址小紐高校共建整企合竹：廠戰(zhàn)戈丈甲臺(tái)V W V淸蠱比運(yùn)行模式捉字1平臺(tái)襖用數(shù)據(jù) 苴他應(yīng)用撰人哉車單總授權(quán)撲單悅計(jì)影弊斃跚T藏計(jì) 爭(zhēng)習(xí)日志亦 金員

19、積分統(tǒng)計(jì)平臺(tái)翳商就立銷訓(xùn) 字合開放效益4 一 八圖6 結(jié)構(gòu)裝配實(shí)驗(yàn)界面專項(xiàng)投人島校共建校企井越應(yīng)用推廣收益分戚技術(shù)服爭(zhēng)外包劉 磊，等：“新工科”背景下工程機(jī)械類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)#劉 磊，等：“新工科”背景下工程機(jī)械類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)#圖4 運(yùn)行與管理機(jī)制架構(gòu)圖（3）挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)搭建。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要考查劉 磊，等：“新工科”背景下工程機(jī)械類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)145學(xué)生對(duì)挖掘機(jī)各工作機(jī)構(gòu)的液壓控制回路的掌握，加 強(qiáng)學(xué)生對(duì)液壓元件圖形符號(hào)、作用及液壓基本回路的 認(rèn)識(shí)和使用。該實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)采用操作準(zhǔn)確性和操作時(shí)間 來判定，界面上方有時(shí)間進(jìn)度條。另外，為了避免單純 的元件拖動(dòng)帶來的

20、枯燥感，當(dāng)學(xué)生完成一個(gè)回路操作 后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)學(xué)生操作準(zhǔn)確度，給予一定的分?jǐn)?shù)或五 角星獎(jiǎng)勵(lì)，并隨機(jī)出現(xiàn)鼓勵(lì)語言，增加趣味性。液壓系 統(tǒng)建模交互界面如圖7所示。圖7 液壓系統(tǒng)建模交互界面(4) 挖掘機(jī)性能測(cè)試。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要考查學(xué)生 對(duì)液壓調(diào)速回路特性的掌握，以及調(diào)速回路在實(shí)際液 壓設(shè)備中的應(yīng)用和具體體現(xiàn)，學(xué)會(huì)對(duì)液壓系統(tǒng)的壓力 信號(hào)及執(zhí)行元件的位移進(jìn)行采集及顯示等。該實(shí)驗(yàn)分 為兩部分：一部分是多路閥開口度對(duì)動(dòng)臂上升速度的 影響；另一部分是負(fù)載對(duì)動(dòng)臂上升速度的影響。實(shí)驗(yàn) 操作也具有計(jì)時(shí)功能，一方面用以評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成 績(jī)，另一方面也便于統(tǒng)計(jì)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，便于 后續(xù)對(duì)實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)行優(yōu)化。動(dòng)臂控制

21、系統(tǒng)性能測(cè)試實(shí) 驗(yàn)界面如圖8所示。AfeHat#?|圖8 動(dòng)臂控制系統(tǒng)性能測(cè)試交互界面4結(jié)語我校地處“中國(guó)工程機(jī)械之都”徐州，毗鄰徐工集團(tuán)、卡特彼勒、海倫哲等國(guó)內(nèi)外知名工程機(jī)械類企 業(yè)，所建設(shè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源已提供給周邊高 校及上述企業(yè)共享使用。3年以來，已為徐州工程學(xué)院培養(yǎng)畢業(yè)生1 800余人，為中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、徐州工 業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院、徐州技師學(xué)院等周邊高校培養(yǎng)學(xué)生 1 600余人，為徐工挖掘機(jī)事業(yè)部、裝載機(jī)事業(yè)部、起 重機(jī)事業(yè)部等企業(yè)培訓(xùn)職工500余人。已開出校內(nèi)實(shí)驗(yàn)27 000余人時(shí)數(shù)，開出校外實(shí)驗(yàn)35 000余人時(shí)數(shù)。通過對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的深入推廣，使在 校學(xué)生及新入職員工的

22、專業(yè)技能和解決實(shí)際問題的能 力得到顯著提升，實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真實(shí)訓(xùn)與工程實(shí)踐的 無縫對(duì)接，可為“新工科”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的 建設(shè)提供參考。參考文獻(xiàn)(References)1 魏元玲，趙宏濤 .高速鐵路旅客信息系統(tǒng)構(gòu)建研究J.鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，2019, 41(1): 75- 792 劉秀清，葛文慶，焦學(xué)健，等.國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心"|建設(shè)與管理J.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018, 35(11): 225- 228. 2333 方振龍，李狀.城市軌道交通專業(yè)虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)資源研究：以長(zhǎng)春市城市軌道交通OCC培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)為例J.高教學(xué)刊，2017(16): 55- 574王龍庭，石永軍，姜浩，等 .工程機(jī)械