虚实融合的机械基础课程研究性教学改革

一、引言

机械基础课程内容包括机械零件、机械机构、机械传动、机械设计等核心知识，其知识体系兼具理论抽象性与工程实践性。传统教学往往采用板书、模型教具和平面图纸等手段，学生对于机械结构、机械运动状态和规律难以建立直观清晰的视觉印象，导致对运动规律的理解不够透彻和高效，空间几何想象受限，更难以有创新设计思维的提升。

随着信息技术与课堂教学的深度相融，VR/AR 技术成为解决上述问题的有力抓手。VR（虚拟现实）可构建沉浸式虚拟场景，AR（增强现实）能实现虚拟模型与现实环境的叠加，二者结合可打破时空限制，让抽象知识可视化、动态化。在此背景下，本文探索“虚实融合+案例贯穿+高阶思维培养”的教学改革路径，以典型机构（如牛头刨床）为载体，通过研究性教学提升课程质量。

二、传统机械基础课程教学的局限

1.空间想象能力培养不足：机械机构的运动轨迹、零部件装配关系等依赖空间想象，板书、图纸、图片等静态平面手段难以在学生的想象空间实现立体架构，知识理解不透甚至容易出现偏差。

2.实践环节局限性大：实体实验设备数量有限、成本高，且操作存在安全风险，学生人数多，实践操作机会有限，难以从实践探索深入到机构性能优化的探究。

3.高阶思维训练薄弱：教学以知识灌输为主，缺乏对学生分析问题、解决问题及创新设计能力的系统培养，难以满足工程领域岗位人才需求。

三、虚实融合的教学过程改革设计（一）VR/AR 技术支撑的可视化教学资源构建以牛头刨床为例，开发虚实融合的教学资源：

VR 虚拟仿真模块：构建三维虚拟牛头刨床模型，学生可通过VR 设备对刨床结构进行虚拟的“拆解”和“组装”，观察曲柄摇杆机构、滑枕等部件的运动关系，直观理解急回特性、行程速比系数等核心概念。

AR 增强现实模块：将虚拟机构模型与教材插图、实体教具叠加，学生用手机或平板扫描即可看到动态运动过程，实现“虚实对照”，强化由平面到空间的结构认知。

（二）案例贯穿式研究型教学模式设计如，以牛头刨床的“机构运动优化”为核心案例，贯穿教学全过程

1.问题导入：提出问题——“牛头刨床如何通过机构设计提高工作效率？”“滑枕运动轨迹偏差如何修正？”实际探索性问题，激发学生求知欲、探索欲。

2.虚拟探究：学生通过 VR/AR 工具模拟不同机构（如：曲柄摇杆机构、摆动导杆机构、棘轮机构）、不同构件尺寸（如曲柄、连杆长度）变化对机构运动的影响，记录数据和运行状态变化，总结分析变化规律，练习数据分析，提升结构设计探究能力。

3.协作研讨：分组讨论优化方案，利用虚拟模型验证设计思路，教师引导学生从“知其然”到“知其所以然”，

提升逻辑推理能力。

4.创新实践：基于探究结果，设计改良版牛头刨床机构，通过 3D 打印制作简易模型，实现“虚拟设计—实物验证”的闭环，强化创新思维。

（三）高阶思维培养的评价体系设计构建多维评价体系，侧重高阶思维能力培养

1.过程性评价：观察学生在虚拟探究、方案设计讨论中的表现，评估其思维活跃度、分析和解决问题的能力及团队协作素养。

2.成果性评价：通过创新设计方案、机构优化报告等，考核学生的创新设计与工程应用能力。

3.反思性评价：要求学生总结探究过程中的不足，培养自我反思与持续改进意识。

四、教学改革实践效果

通过在我校新能源装备专业机械基础课程教学的试点应用，改革取得显著效果

1.空间想象力提升：90%以上的学生表示VR/AR 技术帮助他们快速理解了牛头刨床等复杂机构的空间关系通过随堂测可见学生对抽象概念的理解效果提高80%以上。

2.高阶思维强化：学生在“机构优化设计”任务中的方案创新性显著提升。涌现出一批思维活跃、勇于提出和讨论个人想法的“骨干”学生。

3.学习兴趣增强：沉浸式虚拟操作和案例探究让学习更具趣味性，前排入座率和学生课堂参与度大大提高，课堂满意度从 67%提升至 93% 。

五、结论与展望

虚实融合的机械基础课程教学改革，通过VR/AR 技术实现知识可视化，以案例贯穿式研究性教学激活探究动力，有效解决了传统教学的痛点。未来可进一步拓展虚拟资源库，纳入更多典型机构（如齿轮传动、凸轮机构），并结合人工智能技术实现个性化学习路径推荐，持续提升教学质量，为培养创新型工程人才奠定基础。

参考文献

1. 黄志坚， 李建明. 虚拟现实技术在机械原理课程教学中的应用研究[J]. 中国现代教育装备， 2022（15）：45-48.2. 王军， 张晓东. AR 增强现实技术辅助机械设计课程可视化教学实践[J]. 高等工程教育研究，2021（3）：168-172.

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