摘要:针对目前学生创新能力不足的问题，本文对机械产品创新设计实验的教学方法进行研究。首先，探讨在基于实验的教学中，学生创新能力的体现方面;在此基础上，利用虚拟现实技术，构建机械产品创新设计虚拟仿真平台。然后，与一般的实验情况进行比较，分析实验的改进地方。最后，根据基于虚拟现实技术的实验教学取得的效果，总结实验教学改革的意义。
关键词:机械产品;创新设计;虚拟现实;教学改革
在机械工程、工业工程和工业设计等专业的教学中，机械产品创新设计实验是一个关键的教学环节。在这个过程中，机械产品的运动原理、几何结构可以被学生熟知。并且，在实验过程中，还可以培养学生进行创新设计的能力。在当前信息化和智能化的制造背景下，传统的教学模式已难以满足培养创新人才的要求。因此，急需一种新的实验教学方法，以便更好的培养创新型人才。机械产品创新设计实验包含很多方面，在虚拟平台的搭建方面，周晓玲［1］等进行了平面机构创意组合实验改革，利用虚拟仿真技术搭建实验平台，提供运动仿真模块。田力等对机构拼接与运动学仿真实验进行平台搭建，给学生一个直观的操作界面。周世杰等建设了虚拟仿真实验教学中心，使优质的实验资源可以实现共享。傅招国等针对特种设备领域的特殊性，用虚拟现实技术在虚拟环境中还原特种设备，以便学员可以切实地观察机械的结构。可见，在工程、教学和特种设备等领域，虚拟现实技术被广泛的采用，这项技术已得到广泛认可。上述的教学改革方法中，都采用了虚拟仿真技术，将实验器材、实验对象以及实验条件在计算机中模拟。本文在当前的实验教学条件情况下，以提高学生的产品创新设计能力为目的。基于虚拟现实技术对实验教学方法进行改革。首先，探讨在基于实验的教学中，学生创新能力的体现方面;在此基础上，利用虚拟现实技术，构建机械产品创新设计虚拟仿真平台。然后，与一般的实验情况进行比较，分析实验的改进地方。最后，根据基于虚拟现实技术的实验教学取得的效果，总结实验教学改革的意义。
1基于虚拟现实技术的机械产品创新设计实验
虚拟现实(VirtualReality，VR)是一项基于计算机的先进技术。形象、逼真地三维空间可以通过虚拟现实技术在计算机中模拟出来，同时满足用户在视觉、听觉和触觉等感官的反馈。用户通过外置设备(VR眼镜、数据手套)的使用，可以在计算机中有一种身临其境的感受。在外置设备的帮助下，基于虚拟现实技术的实验，可以部分或整体地代替当前的一般实验。这可以提高实验人员的实验效率，并且节省实验时间和扩大实验空间。使得实验人员在实验过程中尽可能地释放自己的创新能力。本文依据实验教学中学生创新能力的体现方面，并结合学校实验室现有的实验条件，在虚拟实验平台上搭建机械产品创新设计平台，而且改良虚拟现实环境中的实验条件。实验实施方法如下:(1)根据学生能力特长不同，以最大限度地激发学生的创新能力为目的，将学生进行合适地分组。学生在上机实验前，以组为单位，讨论自己实验构想，提出对机械产品需要改进的地方，并进行可行性分析。将讨论结果书面展示给指导教师。(2)教师结合学生的讨论结果报告，对虚拟现实环境中的实验条件进行设定，并且将学生所需模型类似或功能相似的零部件也调入到实验平台。这就可以满足实验过程中学生对创新设计的需求，最大可能地完成机械产品创新设计。(3)学生上机实验时，第一步，先熟悉实验仪器，体验虚拟环境的感官变化。第二步，熟悉机械产品实验创新设计平台。第三步，在PC机上，通过VR眼镜和数据手套，完成自己的创新设计设想，并且观看动画效果，以判断是否达到自己的所需设计意图。(4)在课后，学生可以针对自己的创新设计想法，将所需的资源打包，以APP的形式在手机中安装虚拟实验平台，借助手机盒子和蓝牙手柄实现机械产品的构建和运动模拟。基于虚拟现实技术的实验平台，可以最大限度的满足学生对实验条件的要求，而且在感官上配合学生，从而激发学生的创新能力。重要地是，在新鲜的环境中，学生的学习激情会提高，对知识获取也会增大需求。这相对于一般的实验条件，学生的创新能力的提高是显著的。同时，也为机械产品创新实验开创了一种新的实验方法，解决目前机械产品创新设计实验教学存在的各种问题与不足。图1和图2是基于虚拟现实技术的机械产品创新实验现场图。
2实验教学改革的意义
根据实验教学改进的地方，可以从教师的教学效果和学校的实验教学环境、学生的自主学习能力，还有学生的创新潜质等方面总结其改革意义。
2．1改善了教师的教学效果和学校的实验教学环境
采用虚拟现实技术的实验教学，在教师的指导下，学生可以通过网络资源拓展自己的眼见，丰富自己的专业知识，因此，教师的教学效果会有显著提升。另一方面，基于虚拟现实技术，可以丰富实验设备资源，让实验课的开设不在受实验仪器的约束，一定程度上缓解了学校经费紧张的问题。同时，实验教学环境也会得到改善。
2．2提高学生的自主学习能力
基于虚拟现实技术的实验，其实验构想是开源的。在虚拟现实实验环境中，学生进行设计创新能得到有效保证。比如，学生可以在虚拟实验平台上大胆的设计杆组组件，平时在课本上学习的基本原理可以在实验平台上得到验证，让所学的知识不在是书本上固定不变的定理，而是转变为虚拟环境中的物体。这不但可以帮助学生理解枯燥的几何理论知识，重要地是，可以激发学生的学习兴趣，提高学生的自主学习能力。
2．3激发学生的创新潜质
随着实验教学环境的改善和学生的自主学习能力的提高，学生在创新设计方面的能力就会展现出来。良好的基础条件是创新的必备因素。基于虚拟现实技术的实验，保障了学生在机械产品创新时的基础条件，可以为学生提供丰富地实验设备资源和广泛地科学知识，还有与行业专家探讨的交流机会。因此，通过这些条件，学生的创新潜质会被激发，创新能力会大大地提高。
3结语
基于虚拟现实技术的机械产品创新设计实验，打破传统的实验方法，用户可以不受时间、空间的约束随时进行机械产品创新设计实验，具有便捷性。通过实验教学改革，学生可以将自己大胆的设计构想进行实验验证，满足学生好奇心的同时，还能够激发创新潜能，使得学生的创新设计能力提升。
参考文献:
［1］周晓玲，汪中厚．基于虚拟仿真技术的平面机构创意组合实验的教学改革［J］．上海理工大学学报(社会科学版)，2017．39(1):79-82．
［2］田力，范秀敏，刘振峰，等．创新机构拼装与运动学仿真虚拟实验平台研究［J］．实验技术与管理，2015．32(2):131-135．
［3］周世杰，吉家成，王华．虚拟仿真实验教学中心建设与实践［J］．计算机教育，2015(9):5-11．
［4］傅招国，王天威，倪小鹏，等．基于Virtools的虚拟现实技术及在特种设备教学中的应用［J］．计算机工程与科学，2012．34(6):97-101．
［5］王辞晓，李贺，尚俊杰．基于虚拟现实和增强现实的教育游戏应用及发展前景［J］．中国电化教育，2017(08):99-107．
［6］王同聚．虚拟和增强现实(VR/AR)技术在教学中的应用与前景展望［J］．数字教育，2017(01):1-10.
作者:白瑀 吴庆云 乔虎 姚慧 单位:西安工业大学机电工程学院
