本  科
高职高专
当前位置: 首页 > 本科奖项 > 第四专题(实践教学改革)

机械工程虚拟仿真实验教学示范中心建设研究与实践成果介绍

发布日期: 2017-02-19 14:55:53

【字体: 】 【关闭窗口】 【打印该页】
  
  机械工程虚拟仿真实验教学示范中心建设研究与实践成果介绍
  
  成果完成单位:河南工业大学机电工程学院
  
  成果完成人:刘保国、朱红瑜、马晓录、刘自然蔡共宣、宋啸、武照云
  
  一、成果简介
  
  成果名称:机械工程虚拟仿真实验教学示范中心建设研究与实践
  
  成果完成单位:河南工业大学。
  
  成果完成人:刘保国、朱红瑜、马晓录、刘自然、蔡共宣、宋啸、武照云
  
  1.1、成果的背景、目的和意义
  
  虚拟仿真实验教学作为高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容,承担了学科专业与信息技术深度融合的重任。虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术,构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象,学生在虚拟环境中开展实验,达到教学大纲所要求的教学效果。机电类学生实验实训以及综合创新技能培养中,有一些是真实实验不具备或难以完成的教学内容,如有些真实实验不能更直观、形象地展现抽象概念,有些机械设备内部结构不易观察(如机床拆装,复杂模具装配等),真实实践训练学生参与程度低。还有一些训练成本高、消耗大、不可逆、存在安全隐患等。因此,机械工程虚拟仿真实验教学中心建设将真实实验与将现代机械设计和制造技术与信息化技术、在有限实验教学资源和实验课时下,以提高教学效果和实验教学设施利用率为目标,如何使虚拟仿真实验与真实实验科学配合、相互促进,建立适合培养现代机械工程师的虚拟仿真实验体系,强化学生理论应用于实践的能力培养,提高学习效果,实现“虚实结合、相互补充、相互促进”,将会为拓展实践领域、丰富教学内容,提供绿色、可靠、安全和经济的实验项目。特别是在现代信息技术和新型制造技术快速发展的今天,研究、加快建设机械工程虚拟仿真实验教学中心具有重要的时代意义和实用价值。
  
  1.2成果依托的建设平台
  
  1、河南省一级重点学科——机械工程一级学科
  
  2、河南省实验教学示范中心建设单位——河南工业大学机械工程实验教学中心
  
  3、河南省高等学校特色专业——机械设计制造及其自动化专业
  
  4、河南省高等学校教学团队——河南工业大学机械设计及理论教学团队
  
  5、河南省工程实验室——汽车复合材料河南省工程实验室
  
  1.3成果鉴定和获奖情况
  
  本项目成果由河南省教育厅组织多家高校专家于2015年9月对其进行了鉴定,获得了鉴定委员会专家的高度评价和肯定。
  
  2015年11月,获得河南工业大学教学成果特等奖。
  
  2016年10月,获得河南省教学成果一等奖
  
  二、主要研究内容及成果
  
  2.1虚拟仿真实验教学资源研究开发与建设
  
  以自主开发和合作开发相结合的方式,建设一批内容丰富、有利于培养学生现代设计与制造能力、可解决复杂工程技术问题、绿色、可靠、安全和经济的虚拟仿真实验资源。
  
  2.1.1自主开发虚拟仿真实验教学资源
  
  (1)工程测试与信号处理虚拟仿真实验教学系统
  
  为了配合课堂教学,开发了与教材配套使用的虚拟实验演示教学系统。该虚拟实验演示系统将课程中所涉及到的一些基本概念,基本原理等通过虚拟实验的方式进行演示,使抽象概念可视化,复杂概念简单化,可方便的用于课堂辅助教学。
  
  (2)开放式虚拟可编程控制器仿真实验平台
  
  开放式虚拟可编程控制器(开放式虚拟PLC)仿真实验平台是由河南工业大学机电工程学院开发的软件产品。该产品具有PLC及其编程器的界面、编程输入、模拟运行与输入/输出节点的控制以及多种手段的监控等等功能。能够在线编程、实时运行,能够完全仿真诸如东芝EX40、东芝EX20等型可编程器控制器及其编程器的运行状况,不仅模拟了PLC编程器对程序运行的固有监控方式,还能够提供更方便、更直观的波形图实时监控,具备很高的可靠性、全软仿性和鲁棒性。同时该软件还能够对PLC学习人员的正确操作和错误操作给出与实物完全一样的响应和提示;能够实现PLC实物所具备的功能,完全代替PLC硬件实物作为教学训器具进行使用。
  
  (3)汽车整车性能虚拟分析与仿真实验平台
  
  《汽车理论》课程是我校车辆工程专业重要的基础课,是本科学生毕业考研时必考的课目和进行汽车设计的基础。该课程的主要特点是理论性较强,公式推导复杂,计算过程繁琐。为了提高同学们学习《汽车理论》课程的兴趣,简化计算过程,虚拟仿真实验平台借助于Matlab软件开发汽车主要性能的计算程序,改进和完善汽车理论课程教学,通过在计算机上的运行来进行汽车性能的分析,能够实现对汽车主要性能的模拟分析,从而为汽车产品设计和改进提供参考依据。
  
  2.1.2与企业合作开发的虚拟仿真实验教学资源
  
  (1)液压系统仿真虚拟实践发展平台
  
  液压传动系统是大型机械,特别是工程机械中主要的传动方法,因此各种液压阀、泵、马达以及液压回路的性能试验,是相关产品研发和应用的重要试验。但是液压系统实验作为教学设备,体积庞大,价格贵,耗时长,能耗高,特别是高压实验有危险性。该液压系统仿真虚拟实践发展平台是依托老师的科研成果转化的教学资源。所有实验都是按工程需求设计,并与真实的实验台架结合,形成虚实结合虚拟仿真项目。平台包括智能型液压综合与电液比例伺服液压综合两大类共可开展98个小实验,通过这一系列功能齐全的实验,学生可以全面掌握各种液压元件的性能,回路特性和液压应用技术。
  
  (2)基于工程应用的PLC编程虚拟仿真实践建设发展平台
  
  PLC可编程技术在工业控制中大量应用,常规的PLC实验控制台在实际的教学过程中存在不容易表达复杂逻辑关系、学生在实验过程中不易检查程序正确性的问题。而采用实际的工程设备来进行实验开发,又存在设备占地面积大,实验投资大等问题。本实践建设发展平台利用虚拟仿真技术和虚拟PLC技术,用通信方式将逼真的工程设备三维模型和虚拟PLC有机地结合起来,实现PLC编程的可视化
  
  (3)虚拟陈列室实践研究平台
  
  该系统用“立体实验教材”的形式系统地组织与课程知识密切相关的大量案例,针对重点难点课程知识,用提出问题解决问题的交互方式,以及虚拟动画的表达形式进行演示性实验)。
  
  2.2机械工程虚拟仿真实验教学新体系研究与构建
  
  2.2.1实验教学改革思路
  
  按照“立足人才培养、强化科研互动、突出学科特色、坚持共建共赢、着眼持续发展”的建设思路,充分发挥高校学科优势,积极利用企业的开发和支持服务能力,强化校企合作与资源共享,紧密结合国家“制造2025”发展战略,充分发挥和挖掘“互联网+”虚拟仿真实验在提高实验教学效果和人才培养质量方面的优势,持续推进实验教学信息化建设和实验教学的改革创新,力争在3-5年建设成为特色鲜明、资源优质、功能齐全、运行高效的服务机械工程各专业的国类一流虚拟仿真实验中心。
  
  2.2.2“四模块、三层次”虚拟仿真实验教学新体系
  
  虚拟仿真实验教学中心围绕机械类专业人才培养计划,瞄准培养具有综合设计和创新能力的高素质应用型人才目标,坚持“三结合、两注重”原则,即形式上的灵活与理论上的严谨相结合、实验内容基础性与先进性相结合、虚拟仿真实验与真实实验及工程应用相结合;注重发挥虚拟实验的生动性、注重理论和工程能力的培养。充分整合信息化虚拟仿真实验教学资源,以强化专业基础实践能力为主导的基础验证实验层,以强化专业课程实践能力为主导的综合性实验层,以强化学生综合设计和创新能力为主导的创新设计实验层,构建一个虚实结合、层次分明、各有侧重,相互渗透、相互促进的“虚实结合、分类协同、注重理论教学/实验教学相融合、注重虚拟仿真实验与先进机械工程技术相结合”的多层次、多平台的机械工程虚拟仿真实验教学体系。虚拟仿真实验教学中心实验教学体系如图9所示。
  
  2.3虚拟仿真实验教学平台建设研究与构建
  
  依托河南工业大学校园网,搭建一种多层次弹性可分的虚拟仿真实验教学云平台。突破传统实验教学中的时间和空间约束,使学生可以在任何时间、任何地点开展虚拟仿真实验。在中心网站上设置虚拟仿真实验教学的管理与共享平台,实现不同院校的机械工程专业之间的资源共享以及校企资源共享。增设虚拟实验项目,缓解实验经费不足的困扰,改善实验教学条件,拓展学生实验内容。
  
  三、成果解决的主要教学问题
  
  本成果针对当前高校机械工程类专业实验教学中存在的主要矛盾和问题,以培养学生工程实践和创新创业能力为目标,结合学院实验教学实际,着眼于可持续发展,强化校企合作与资源共享,结合国家“制造2025”发展战略,充分发挥和挖掘“互联网+”虚拟仿真实验在提高实验教学效果和人才培养质量方面的优势,持续推进实验教学信息化建设和实验教学的改革创新,通过深入研究和实践,主要解决了以下问题:
  
  (1)明确了虚拟仿真实验教学与真实实验教学的相互关系以及两者间的互补性和互相促进作用;
  
  (2)构建了有利于依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术,构建了虚拟仿真实验环境、实验对象和实验系统和一批适应“互联网+”和“中国制造2025”新要求的现代机械专业虚拟仿真实验教学资源;
  
  (3)与真实实验有机结合,解决了真实实验不能很好地反映一些实验现象微观机理的问题,使学生可以通过虚拟仿真实验系统,使科学技术现象和规律的机理和抽象概念形象化、可视化,使复杂概念简单化;
  
  (4)解决了学生数量多而实验设施及实验教师相对不足、实验课时短而少和实验项目及内容多的问题;
  
  (5)涉及危险或极端的环境、不可及或不可逆的操作、高成本、高消耗、大型或综合训练等实验提供了安全、可靠、经济的实验环境,使一些在真实实验中无法完成的教学内容得以在虚拟仿真实验中得以完成,大大拓展了实验教学内容和范围。
  
  四、成果的创新点
  
  本成果的创新点主要体现在以下方面:
  
  (1)提出了一种通过虚拟仿真实验教学与真实实验教学有机结合、相互补充、相互完善、相互促进、可有效提高实验教学效果和效率的实验教学改革措施。
  
  (2)构建了一套机械工程虚拟仿真实验教学系统,并开发了“工程测试与信号处理虚拟仿真实验教学系统”等一批虚拟仿真实验教学资源。
  
  (3)以达成培养目标为指引,构建了“虚拟仿真实验+真实实验+校外现场实验+课外创新实验”三结合的机械工程虚拟仿真实验教学模式。