朱书慧　李连豪　袁志华　刘婉茹

【摘 要】针对典型机械工程安全事故虚拟仿真系统在实践教学应用过程中存在的问题，本文从与课堂知识点结合、教学方法、操作步骤和考核方法等方面展开讨论。结果对合理使用典型机械工程安全事故虚拟仿真系统和丰富《工程力学》实践教学环节场景具有指导意义。

【关键词】工程安全事故;虚拟仿真;实践教学;应用

中图分类号： TU714文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）28-0058-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.28.022

【Abstract】Aiming at the problem that in the application of virtual simulation system for typical safety accidents in mechanical engineering in practical teaching， the combination of classroom knowledge， teaching methods， operating procedures and assessment methods were discussed in this thesis. The results have guiding significance for rational use of virtual simulation system of typical safety accidents in mechanical engineering and enriching the scene of practical teaching of Engineering Mechanics.

【Key words】Engineering safety accidents; Virtual simulation; Practical teaching; Application

0 引言

隨着我国社会经济的高速发展，诸多生产事故频现，因此在时代的大背景下，避免事故发生和安全生产等意识逐渐深入人心。诸多生产事故多属于机械工程事故工程力学范畴。如何避免机械工程事故需要从头抓起，也就是说，需要从机械工程的的设计者初始就需要增强安全意识，避免事故发生。

就其基础学科《工程力学》而言，典型机械工程安全事故，如架桥机工作过程可能出现的事故，是工程力学全部知识点和相关实验的再现，具有典型的代表性。

在《工程力学》实践教学环节，典型机械工程安全事故很难现场再现。基于此类问题，结合信息技术[1]，以架桥机为例，开发出一款典型机械工程安全事故虚拟仿真系统[2-3]，其能够直观地再现架桥机在使用过程可能出现的安全事故。

在《工程力学》实践教学环节，如何合理地使用上述系统[4]，例如如何结合课堂知识点、如何操作以及考核成为一个亟待解决的问题。

基于以上问题，本文讨论了典型机械工程安全事故虚拟仿真系统在实践教学过程中的应用。本文对合理使用虚拟仿真系统具有指导意义。

1 典型机械工程安全事故虚拟仿真系统简介

本系统通过虚拟仿真技术再现架桥机工作过程可能出现的事故为出发点，弥补传统工程实践教育的不足，提高机械工程本科生创新、动手能力。其主要由VR图形工作站;头戴式虚拟现实头盔;六自由度操控手柄等硬件和知识模块及网络条件等软件组成。

2 面向学生及专业基础

本系统主要面向农业工程相关专业、机械工程相关专业和交通工程相关专业的三四年级工科本科生及研究生。要求学生学习完大二所有课程和相关的专业基础课程。掌握力学和机械原理相关知识，掌握力学分析基本要求以及机械原理等基础知识。专业实验要求学生学习完至少相关的三门专业课程。掌握基本力学和机械原理的相关知识。熟悉典型机械的结构与原理，掌握基本操作以及软件使用方法。

3 基本应用

3.1 课堂知识点结合

（1）架桥机的结构认知，真实再现架桥机的结构。（2）架桥机的拆解，可将架桥机主要零部件逐一拆解，零件包括：电机，减速器，卷筒机构，绳索导向器，制动器，行走机构，横向机构，天车，架桥机机臂，吊梁。（3）架桥机主要部件的工作原理。（4）架桥机动力分析。运动形式分析，画出运动简图。根据梁片的重量分析计算电机的功率。（5）拉伸强度校核。钢丝绳拉力分析，根据梁片的重量分析钢丝绳的拉力，钢丝绳的强度校核。（6）弯曲强度校核，天车的受力分析，画出天车梁的力学简图，根据梁片的重量分析天车横梁的受力，天车横梁的强度校核。（7）扭转强度校核，卷筒轴的受力分析，卷筒轴的力学简图，根据梁片的重量分析卷筒轴的受力，卷筒轴的强度校核。（8）架桥机运行准备工作。（9）架桥机工作过程安全管理。（10）事故原因分析，扁担体受力简图，强度计算。

3.2 教学方法

采用引导学生自主学习、虚拟实训并展开的实验教学方法，目的使学生在整个虚拟仿真实验过程中能够获得直观、真实的实验效果。学生在模拟实验操作过程中进行知识学习和设备操作，既可以培养学生对专业知识的理解和实训操作的技能，又可以培养学生自我训练及创新意识，是传统教学无法比拟的。

虚拟实训包含理论学习和虚拟实验操作2部分。其中，理论学习部分包括结构认知、原理文档、动画演示等，保证学生在实验过程中可以随时查看与之相关的理论资料，检查自己对相关内容的掌握程度;虚拟实验以沉浸式人机交互的形式让学生在虚拟的环境和实验设备上进行操作，包括学习模式和考核。在学习模式下系统提供文字、3D高亮、逻辑约束等标识，引导学生完成实验过程。在考核模式下，系统关闭提示和引导信息，并加入计时计分功能，从而检验学生的学习效果。

通过沉浸式虚拟现实操作、理论学习等方式，实现了对相关实验课程内容的全覆盖，通过理论学习与实验实操的有机结合，达到了丰富课程资源、提高教学质量的效果。

3.3 操作方法与步骤

（1）参照架桥机虚拟仿真教学系统的操作说明书，掌握该系统的基本操作与相关功能，以及每个模块功能的操作步骤以及要求。

（2）学生通过对架桥机的基础知识学习，了解与掌握架桥机的组成结构、技术参数、功能原理等知识。

（3）学生通过对架桥机的拆装，掌握架桥机的正确拆卸步骤与规范。

（4）学生通过对工作原理和动力分析的学习，掌握架桥机的基本工作原理，了解基本运动形式分析，画出运动简图。根据梁片的重量分析计算电机的功率。

（5）了解与掌握强度校核，掌握鋼丝绳拉力分析、天车的受力分析和卷筒轴的受力分析方法和校核。

（6）学生通过对架桥机作业前准备学习，掌握在作业前应该做好的准备工作，如农用架桥机机体折叠结构快装快拆和构建安装和调试等。

（7）学生通过对架桥机事故原因分析的学习，了解与掌握扁担体受力简图和强度计算等内容。

具体交互性操作步骤如表1所示。

3.4 考核要求

系统主要对学生的理论掌握程度、架桥机内部结构、动力及强度分析、典型事故分析实训的操作等方面进行考核。针对不同模块进行不同的考核方式，具体如下：

（1）力学基础理论知识：力学基础理论知识的考核范围涵盖基本理论、动力分析和强度校核方法等。主要以选择题的形式对学生进行考核。每次进入该部分的考核系统，系统会随机生成5-10道选择题供学生进行考核，系统以自动判断的方式对学生回答的正确性进行判断和记录，并在学生回答完毕之后，系统会给出最终反馈，反馈内容包括学生的答题时间、正确答案等内容。

（2）架桥机基础理论

架桥机基础理论的考核范围涵盖架桥机的结构、工作原理以及拆装。考核方式以选择题及实训相结合，系统以自动判断的方式对学生操作实验过程的正确性进行判断和记录，并在学生回答完毕之后，系统会给出最终反馈，反馈内容包括学生的答题时间、正确答案等内容。

（3）事故分析实训

事故分析实训考核是模拟作业实训操作，学生在没有任何提示的情况下进行操作，系统会采用过程记录、自动判断、计分、计时等方式对学生的操作过程的正确性、熟练性和知识掌握的完整性进行考核。

4 结束语

虚拟仿真技术能够再现在《工程力学》丰富的实践教学环节，为工科本科生和研究生提供多样的现场和互动。实践证实，通过系统的互动，能够明显的增强教学效果。但系统与全方位的机械工程安全教育尚需进一步开发和丰富。随着机械工程安全教育场景的不断优化，虚拟仿真技术必将为优化《工程力学》教学过程和教学改革发挥重要作用。

【参考文献】

[1]胡小强.虚拟现实技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2005.

[2]姜志森，翟龙军，张树森.基于虚拟现实技术的微波技术与天线课程实验教学实践与探索[J].实验技术与管理，2010，27（6）：85-88.

[3]邸馗，于天彪，陈培媛，等.虚拟现实技术在机械工程实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2014，31（10）：10-12.

[4]李培根.未来工程教育中的实践意识[J].高等工程教育研究，2010（6）：6-8.