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摘要：针对机械设计制造及其自动化专业实验教学中存在装备昂贵、要求高、消耗大、加工过程不可逆等问题，将虚拟仿真技术引入实验教学，充分发挥虚拟仿真实验的高沉浸感、高参与性的优势，促进学生主动学习。主要阐述了“齿轮虚拟工厂”实验教学体系的构建、教学方法的实施和评价体系的建立。通过虚拟仿真实验教学探索和实践，引导学生自主学习，激发学生兴趣，提高教学质量，培养学生解决工程实际问题的能力。
关键词：齿轮智造；虚拟工厂；实验教学
本文引用格式：侯志敏,等.齿轮智造虚拟工厂实验教学的探索与实践[J].教育现代化,2019,6(77):168-171,190.
Exploration and Practice on Experimental Teaching of Gear Intelligent Manufacturing Virtual Factory
HOU Zhi-min,LU Chun-xia,WANG Hong-xi
(Xi’an Technological University,College of Mechanical and Electrical Engineering,Xi’an，China)
Abstract:In view of the problems existing in the experimental teaching of mechanical design and manufacturing and automation specialty,such as expensive equipment,high requirements,high consumption and irreversible processing process,the virtual simulation technology is introduced into the experimental teaching to give full play to the advantages of high
immersion and high participation of the virtual simulation experiment and promote students’active learning.This paper mainly expounds the construction of the experimental teaching system of“gear virtual factory”,the application of teaching methods and the establishment of evaluation system.Through the exploration and practice of virtual simulation experiment teaching,students can be guided to study independently,stimulate students’interest,improve teaching quality,and cultivate students’engineering practice ability.
Key words:Gear manufacturing;Virtual factory;Experimental teaching
一 引言
现代制造系统划分为生产线层、车间/工厂层、企业层和企业协同层四个层次，智造工厂以全流程的智能化为切入点，以端对端的信息流为基础，实现“制造”向“智造”的升级。
在新工科全面落实“学生中心、产出导向、持续改进”的教育理念下，机械设计制造及其自动化专业在培养过程中校内综合实践环节与智造企业生产实际尚存在一定的差距，学生全面、系统地综合运用学科知识解决实际工程问题的能力亟待进一步提高。齿轮是工业装备的基础零部件，是培养学生运用综合知识解决复杂机械工程问题的典型对象。齿轮智造过程体系庞杂，装备昂贵、相关设备环境条件、操作技术要求高、智造过程消耗大、加工过程不可逆，不能满足批量实验的要求。在实体实验难以满足众多学生需求的情况下，亟需开展“齿轮智造虚拟工厂”实验教学项目的研究与开发。
二 构建实验教学新体系
突出“以学生为中心”的教学理念，构建“三系统、四模块、五融合”的实验教学体系，如图1所示。实验提供沉浸式齿轮智造虚拟工厂环境，激发学生学习兴趣，达到主动学习效果。
（一）实验原理
系统提供与国防科研项目、兵工装备项目相关的实验任务，按强度理论设计满足要求的齿轮传动参数，确定齿轮基本结构；分析齿轮加工工艺性，制订齿轮加工工艺路线，对工艺规程相关内容进行计算；按照工艺流程选择相应的设备进行齿轮加工；对加工齿轮的齿廓、螺旋线、齿距等单项误差进行测量，并进行精度等级评定；判断是否满足订单任务要求。
齿轮智造虚拟工厂仿真实验过程如图2所示。
实验项目对应的知识点、覆盖专业课程、对毕业要求的支撑关系如表1所示。
（二）实验方法
齿轮智造虚拟工厂仿真实验一共包含3个子系统——学习系统，实验系统和评价系统，实验系统分为4个实验模块——齿轮设计模块，齿轮工艺模块、齿轮加工模块和齿轮测量模块，每个实验模块4个学时，可独立开设，也可共同构成一个综合性实验。齿轮测量实验采用虚实结合方式提高学生的真实体验。齿轮智造虚拟工厂仿真实验教学项目架构如图3所示。
三 实施实验教学新方法
采用任务驱动、问题探究、虚实结合的教学方法。
各模块发布设计任务，让学生面临一个需要立即解决的现实问题。通过齿轮智造虚拟工厂为学生提供齿轮智造的真实情境，感悟问题，学生围绕任务自主学习相关理论知识，开展齿轮参数化设计，编制工艺流程，进行在线虚拟加工与测量（如图4、5所示），自主分析实验结果；采用教师现场指导、远程指导、生生线上线下等多种互动方式，分析实验过程和结果，通过实体测量实验体验各种加工工艺对齿轮精度等级的影响（如图6所示），探究工艺与加工过程可能存在的问题，提出改进措施。
任务驱动、问题探究、虚实结合的教学方法，创造了以学定教、团队协作、探索创新的学习模式，调动了学生自主学习的积极性，激发了实验兴趣和对科研的好奇与探索，提高了学生分析问题、解决工程实际问题的能力，教学效果良好。
四 建立实验评价体系
以“学生产出为导向”，建立知识与能力、过程与结果、局部与整体的综合评价体系。预习考核与实操考核结合，实验过程考核与实验结果考核结合，模块实验考核与综合实验考核结合。
（一）实验结果与结论
通过齿轮智造虚拟工厂实验，深度参与齿轮智造的全过程，学习齿轮智造相关知识，掌握相关设备设施操作规范。实验结果与要求具体内容见表2。
（二）评价体系
考核采用线上和线下考核相结合的原则，线上重点考核实验过程，线下主要是实验结果与分析问题能力的考核与评价。
本实验项目各模块既可独立考核与评价，又可进行全过程综合考核与评价。各环节考核与成绩评价细则见表3。
预习考核提升学生自主学习齿轮设计、齿轮制造、齿轮测量相关基础理论和知识的能力；过程考核提升学生实操各类机床和齿轮测量机的技能，结果分析考核提升学生分析和解决复杂机械工程问题的能力，培养学生创新意识，模块考核注重专业技能，综合实验考核注重提升从系统角度解决实际工程问题的能力、团队协作的能力，有效沟通和交流的能力。
五 结束语
“齿轮智造虚拟工厂”实验教学是传统教学的延伸与扩展，以现代网络信息技术为手段，重塑了教学体系，变革了指导与学习模式。将理论教学与实验教学融合，利用网络技术打破教室、实验室与工厂的壁垒，使学生能够在虚拟工厂的学习环境中扮演不同岗位角色，弥补了传统实训教学的不足，有利于学生的职业素质培养和技能的训练；学生不受时间、空间、资源、内容的限制，创造了以学定教、团队协作、探索创新的学习模式。目前，在校内全方位多模式实现本实验项目教学资源共享，并向兄弟院校推广。计划面向社会开放网络访问资源，提供齿轮智造行业的员工培训，探索高等学校、科研院所、企业共建共管共享的新模式，构建可持续发展的虚拟仿真实验教学服务支撑体系。
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