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虚拟实验:机械电子工程的机遇与挑战

发布于:2017-06-21  浏览次数:

摘要
      以汉口学院机械电子工程专业为例,分析虚拟实验带来的机遇与挑战,提出争取上级部门支持、整合院系资源、学生参与和借助云计算技术多措施并用来建设虚拟实验平台的方法。
关键词 虚拟实验; 虚拟现实; 机械电子工程
中图分类号     文献标识码     文章编号
Virtual Experiment:A Chance and Challenge for Development of Mechanical and Electronic Engineering
Yan Deng
(Mechanical and Electronic Engineering College,Hankou University, Wuhan, Hubei, 430212)
Abstract:
      The paper takes Mechanical and Electronic Engineering Department of Hankou University as an example to examine the chance and challenge brought by virtual experiment. Then, an approach is provided for developing virtual experiment platform consisting of support from higher authorities, integration of whole college resources, student participation and cloud computing techniques application.
Keywords: Virtual Experiment; Virtual Reality; Mechanical and Electronic Engineering;
0 引言
       机械电子工程(又名机电一体化)是一个交叉学科,培养跨机械、电子、信息等多领域的复合型人才,要求学生掌握工程制图、机械设计和制造、机电系统控制等多种技能。机电教学实践性要求高,实验多而杂,需要大量高性能专用设备,建设一个机电专业教学实验室的硬件购置和维护费用高昂。近年,国内许多高校进行专业调整,增设了机械电子工程等一批热点专业,却面临着经费有限、设备不足等难题。基于仿真、多媒体、网络和虚拟现实(Virtual Reality)等技术兴起的虚拟实验(Virtual Experiment)为这些难题提供了一个解决方法,得到国内外教育机构的极大重视。虚拟实验给机械电子工程带来了机遇和挑战。本文以汉口学院机电工程学院的机械电子工程系为例,研究建设虚拟实验平台面临的问题和解决方法。
1 虚拟实验带来的机遇
       虚拟实验能全部或部分地替代真实实验的操作环节,可取得等价于甚至优于真实环境的学习或训练效果[1]。建设虚拟实验能带来诸多收益。首先,能降低硬件购置与维护的成本,弥补教学经费的不足;其次,可以摆脱实验设备数量、实验室开放时间和实验地点的限制,让学生自主选择时间进行实验;再者,能避免真实实验中可能的操作危险;最后,有利于培养学生使用软件对实验数据进行处理和分析的能力,为今后的工作和研究积累知识和经验。大力发展虚拟实验,对于提高教学质量、以较小的投入实现专业跨越式发展是一个绝佳的机遇。
       为抓住这一机遇,国内外的大学做了大量工作。国外大学纷纷建立各自的虚拟实验室,如美国印第安纳州立大学MBL化学实验室、芝加哥伊利诺伊大学数字化有机化学实验室、卡罗莱纳州立大学的LAAP(Learn Anytime Anywhere Physics)虚拟物理实验室等[2, 3];牛津大学、赫尔辛基大学、卡耐基梅隆大学等各自的虚拟实验平台均获得了出色的成就[4]。国内虚拟实验起步虽较晚,但近年的发展非常迅猛。太原理工大学机械工程学院张宏等学者开展了工程图学虚拟实验的研究[5];东华大学王丽娟等学者开展了机械加工虚拟实验技术的研究[6];华中科技大学机械学院何岭松教授的研究组[7]研发的“互换性与技术测量虚拟实验室”获得2011年全国多媒体课件大赛(教育部信息技术中心举办)二等奖。虚拟实验的发展如火如荼。
汉口学院传统强项主要为文科专业,机械电子工程等理工科专业多处于发展初期,人力和经费不足。十二五规划提出了我国教育产业与信息化产业相结合的指示方针。值此良机,机械电子工程专业要加快学科建设,必须借鉴国内外大学的经验,大力发展虚拟实验。
2 虚拟实验带来的挑战
       虚拟实验一方面带来机遇,但另一方面也给现行的专业教学带来挑战。
       首先,虚拟实验要求对现有的实验进行归纳、数字化和重新整合。
       机械电子工程横跨多个领域,制图、机械设计、机电设备控制等不同课程的实验差异很大,而各高校、各专业的教学资源和教学要求不同,不能生搬硬套其他高校的成果,需要基于本校、本专业的具体情况针对性开发虚拟实验。数字化和整合工作繁琐而具创造性,对于教学经验尚需积累的新设专业是个不小的挑战。
       其次,虚拟实验的开发工具繁多,需要进行选择和掌握。
       目前常用的虚拟现实开发平台较多,如VRML(Virtual Reality Modeling Language)、Virtools、EON、VRP(Virtual Reality Platform)等。VRML是基于Web的一种描述性格式化虚拟现实建模语言,用于建立三维模型和场景。北华大学和吉林大学的学者基于VRML建立了虚拟并联振动试验台[8]。Virtools 是法国VIRTOOLS公司研发的交互式三维虚拟现实平台,其三维引擎已被微软公司XBox认可。四川师范大学四川省软件重点实验室的李昌国等学者研究了基于Virtools 的虚拟实验开发方法[9]。EON功能强大并且包含专用机械类模块,包含丰富的节点,通过不同节点组合可实现交互设计,并支持Java Script和VB Script语音进行二次开发。张宏等学者的工程图学虚拟实验系统即基于EON开发[5]。VRP是中视典数字科技有限公司开发的虚拟现实软件,在国内市场占有率高。华北科技学院机电工程学院的江静等学者的《机电设备控制技术》虚拟实验平台就是基于VRP研发的[2]。但是,这些平台使用不同的文件格式和方法,没有统一标准。而且,如上开发平台大多不具备三维建模的能力,需要三维绘图软件进行辅助。即,使用3D studio Max、Pro/Engineering、Solidworks等软件构建设备或零部件的3D模型,然后导出为虚拟现实开发平台支持的文件,再构造虚拟实验。此外,MATLAB、Labview等软件也在虚拟实验中得到应用。
开发虚拟实验需要掌握大量软件,且需要根据不同实验的具体要求、不同院系的具体情况来选择并组成完整的开发套件。这对于建设虚拟实验平台又是一个挑战。
       第三,建设虚拟实验平台需要一定经费和不少人员。作为一个新设专业,机械电子工程系承担着大量教学和科研工作,人力、物力非常紧张,如何从中抽取资源进行虚拟实验的研究和开发是个捉襟见肘的难题。
       总之,机械电子工程专业建设虚拟实验平台需完成大量繁重工作,需要大量资源。这对于新设专业是个艰巨的任务。
3 建设虚拟实验平台的方法
       针对汉口学院的现状,机电工程学院在建设机械电子工程虚拟实验平台的过程中,采取了如下切实可行的方法。
A. 积极立项,争取上级部门支持。
       建设虚拟实验平台是个大工程,需要政策、人力、设施和经费等各种支持,上级部门的支持是先决条件。机械电子工程系向汉口学院校领导汇报并争取到多项政策,2013年又获得湖北省教育厅本科高校“专业综合改革”试点项目。上级部门给予的支持为建设虚拟实验平台奠定了良好的政策和物质基础。
B. 整合院系资源。
       机械电子工程专业虚拟实验平台的建设依托整个机电工程学院来开展,与学院的多项建设共同进行。
       汉口学院正为机电工程学院建设专业教学实验室。在选购设备时,优选信息化、网络化程度高的设备,为采集真实实验数据、分析和整合实验流程及文档等提供便利。而且,对于机械创新实验拼接平台还特别配套了仿真软件,为构建相关虚拟实验做准备。
       同时,虚拟实验平台的建设也依托院系网站和教学实验室设施进行,节省资源并加快建设进度。
C. 积极发动学生参与虚拟实验平台建设
       大力发动学生参与建设,可以解决人力不足的问题。为了达到这一目的,对课程设置进行了调整,将第5学期的《计算机制图》课程提前到第1学期,与《工程制图》理论课同步进行,使学生尽早掌握CAD软件。之后,从中挑选优秀学生进入实验室参与科研,进一步提高其制图能力,继而进行虚拟实验的3D建模工作。
       此外,强化进入实验室参与科研项目的学生的程序开发能力,为后续编程实现虚拟实验控制和交互做准备。
D.开展云架构的虚拟实验平台研究
       云计算技术是当前研究热点。十二五规划要求全国院校切实做好教育产业《云计算服务创新发展试点示范》工作,对云计算给予强力扶持。依照设想,各高校将学科专业实验室整合为一朵朵各具特色的“私有云”[10],再将各高校的云整合为一朵大的“公有云”[11]。一旦完成建设目标,各高校无需购买昂贵的商业软件,也无需重复搭建虚拟实验平台,可以直接向云服务器购买所需资源。云计算为建设虚拟实验平台提供一条捷径。
国内一些高校已经率先进行“实验云”和“教育云”的研究。华东师范大学进行电子书包的标准制定工作,华中师范大学正制定虚拟实验室标准,华南理工大学建立了多个私有云,IBM和北京工业大学联合打造的 “北京工业大学云计算实验平台”已交付使用,兰州大学、浙江大学、中山大学等高校也迈出了建设云平台的步伐[11]。在这一背景下,机械电子工程系也开始了云计算研究,希望借此势头地建设自己的云架构虚拟实验平台。
       以上措施多管齐下,机械电子工程已开始虚拟实验平台的建设工作,并按计划步步推进。
4 总结与展望
       汉口学院的机械电子工程等新设专业处于发展初期,面临着经费紧张、设备和实验场所不足、人力资源欠缺等诸多问题,而虚拟实验可以为解决这些问题提供很大助力。本文分析了虚拟实验给机械电子工程带来的机遇和挑战,从争取上级部门支持、整合院系资源、发动学生参与和利用云计算等新技术几个方面着手,提出了建设私营高校新设理工科专业虚拟实验平台的可行方法。
我国新一轮教育信息化建设为虚拟实验提供了发展良机。抓住时机建设虚拟实验平台,势必成为专业跨越式发展的关键。
5 致谢
     本研究受2013年度湖北省本科高校“专业综合改革”试点项目“机械电子工程(汉口学院)”资助。
参考文献
     1.单美贤, 李艺. 虚拟实验原理与教学应用. 2005: 教育科学出版社.
     2.江静, 刘朝辉.《机电设备控制技术》虚拟实验平台建设的应用研究. 华北科技学院学报, 2013. 10(4): 73-77.
     3.袁渊, 古军, 习友宝. 虚拟仪器基础教程. Vol. 12. 2002: 成都: 电子科技大学出版社.
     4.Kamalika Banerjee, S., Utilising the Virtual Laboratory Resources for incorporating ICT in the Chemistry Teacher Education. 2012.
     5.张宏, 王盼盼, 曹杏. 工程图学虚拟实验系统的研究与开发. 机械管理开发, 2013(6):  68-69.
     6.王丽娟, 胡青泥, 舒宏. 机械加工虚拟实验技术的研究. 东华大学学报: 自然科学版, 2011. 37(4): 462-466.
     7.何岭松, 邓严. 可重构虚拟仪器测试技术教学平台. 第三届全国虚拟仪器大会论文集, 2008.
     8.陈云, 陈熔, 苏建. 基于VRML的并联振动试验台虚拟现实运动仿真. 科技信息, 2013(35): 131-132.
     9.李昌国等. 基于 3D 和 Virtools 技术的虚拟实验开发方法研究. 计算机工程与应用, 2006. 42(31): 84-86.
    10.张瑞杰等. 基于私有云的虚拟实验平台的设计与实现. 计算机与现代化, 2013(8).
    11.占俊, 高校虚拟实验系统云架构分析. 高等教育, 2013(10): p. 72.

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