“机械制造技术”课程虚拟仿真实验系统设计

针对“机械制造技术”课程中传统现场实验教学的不足,设计开发了机械制造技术虚拟仿真实验系统。该系统以航空航天制造领域的实际工程问题为导向,结合任务驱动的实验教学模式,实现了加工状态监测、加工质量检测和切削参数优化等实验教学内容。引入数据驱动的切削模型构建方法,提高了虚拟仿真实验的实时性和可信度。实践表明,该实验能够满足课程的实践教学需求,激发学生的自主学习热情,提升学生的实践能力和创新意识。

基于环境声识别的工业设备状态监测实验系统设计

为了实现低成本的工业设备故障检测,设计了一套基于环境声识别的设备状态监测实验系统。基于Arduino开源硬件开发低成本的智能传感器,并部署限制感受野的深度学习模型RFL-MobileNet。通过在边缘端进行智能数据处理,系统为工厂设备提供了实时且准确的状态监测,以减少传统方法中数据传输到云端所带来的延迟以及数据泄露风险。基于公开数据集和实际数据集的实验结果表明,系统运行良好,电动机故障检测准确率达95.4%。

钻探设备结构原理及金刚石钻进虚拟仿真实验系统建设与实验教学实施

为解决地质工程专业课程实验教学设备结构庞大复杂、难以真实体现、实验费用高和安全风险大的实验教学难题,基于计算机虚拟仿真技术构建钻探设备结构原理及金刚石钻进虚拟仿真实验系统,开发地质工程专业课程的虚拟仿真实验教学项目,包括钻探设备与钻具结构原理和拆装实验、绳索取心金刚石钻进的交互操作实验。实践表明,虚拟仿真实验系统的交互性好,可解决地质工程专业课程真实实验教学的难题,提高大学生的实践能力和创新能力,为地质工程专业创新型人才的培养提供实验教学的新模式。

多尺度直线位移测量实验系统的开发与应用——以“机械工程测试技术”课程为例

为促进国家级一流本科课程“机械工程测试技术”的建设,开发了一套多尺度直线位移测量实验系统,包括直线位移台、采集控制器、测量分析软件。直线位移台通过步进电机带动丝杠移动检测板改变被测位移,设计了专用的传感器安装支架,可安装多种位移传感器。设计了采集控制器,实现电机控制、数据采集、供电等功能。基于LabVIEW软件开发了位移测量分析软件,可以进行多种位移传感器的灵敏度分析和信号采集分析。该实验系统已用于实验教学,且教学效果良好,可以锻炼学生分析和解决复杂测试问题的能力。

基于数字孪生的液压回路虚拟实验系统

基于智能制造过程中数字孪生技术的应用及新工科人才培养数字孪生实践锻炼需求,探索了沉浸式液压回路虚拟实验数字孪生技术在工程教育中的应用。开发了基于数字学生的液压回路数字孪生系统,通过创建物理实体的精确虚拟孪生模型,并实时同步数据,为学习者提供了一个安全、可控且高度互动的学习环境。系统架构整合了物理实体、数据连接映射与孪生模型,实现了节流调速回路的实时数据采集、存储与三维可视化。通过该实验系统进行实验教学,不仅提升了教学效率,还增强了学生对新工科数字孪生技术的理解,并为学习者提供了全新的学习视角和工具。在提高对液压回路原理理解的同时,锻炼了学生解决实际工程问题的能力,为工程教育的创新与进步提供了新的思路和方法。

面向交通类专业创新人才的数字孪生实验系统

该文首先通过分析交通类专业创新人才需求,建立了产教融合“双闭环”创新人才培养体系;然后,在人才培养体系基础上,整合路侧感知计算系统、驾驶模拟器等实验设备,并结合数字孪生方法,设计了适用于交通类专业的数字孪生实验系统;最后,从学生专业认知程度、课程满意度、竞赛获奖等多个角度对实验系统进行了评价。

基于多源传感技术的铁路货运智慧监控模拟实验系统设计

在“新工科”教育背景下,为进一步丰富和优化铁路货运实验教学内容,设计了基于多源传感技术的铁路货物运输智慧监控模拟实验系统,即使用多源传感信息技术对货物运输环境和货物运输状态进行监测以及预警。结合OBE教育理念开展教学改革实践,提出提高学生综合能力的教学和评价方法。学生能对铁路货物运输的全过程有更为深刻的认识,提升对货物运输系统的操作能力,为今后从事铁路货运工作打下坚实的基础。

三相交流异步电动机控制及故障诊断虚拟仿真实验系统设计与应用

为切实解决三相交流异步电动机实验危险性高、操作复杂等教学难点,充分发挥虚拟仿真技术沉浸感强、交互性好、辅助抽象思考的优点,设计与开发一套三相交流异步电动机控制及故障诊断虚拟仿真实验系统。作为传统实验教学的延伸与拓展,该系统集成演示验证、设计探究和综合应用等多种实验形式,使学生能够独立、系统地参与实验,提高其解决工程实际问题的能力。

船岸标一体智能航行实验系统设计与实现

针对船舶自主航行难题,设计与开发一种基于STM32微控制器的船岸标一体智能航行实验系统,包括航路标识模块、船载感知载荷模块、航行器控制模块。该系统能实现船舶在每个航路转向点前,仿真预报船舶操纵运动轨迹,使用PID控制航模操舵,以提升转向控制精度。经船舶自主航行测试,验证了船岸标一体协同控制可行性和实用性。研究结果可为新一代航运系统中船舶智能航行提供有益的参考。

空间站高温材料科学实验系统热控设计及验证

中国空间站高温材料科学实验系统(HTMSES)是中国新一代的可长期在轨运行的综合型多功能空间材料实验装置,其组成复杂、布局紧凑、实验温度高、部组件散热困难,使热控设计难度较大。基于液冷主动控温、辐射间接控温、结构热控一体化协同优化设计等多种思路对热控组件进行设计,有效解决热控难题。利用有限元分析软件计算科学实验系统热设计的温度结果;然后开展加热实验对热设计方案进行验证。数据显示HTMSES在提供材料制备所需要的最严苛实验工况(1200℃)情况下,各关键部件处于友好的温度范围内,其中电机最高温度为42.2℃,编码器最高温度为40.6℃,丝杠最高温度为62.4℃,滑块最高温度为59.6℃,导轨最高温度为57.3℃,科学实验系统皮肤可触及部位最高温度为31.6℃,各温度结果均满足热控指标要求,表明设计方案合理可行,为同类型设备热设计提供了一种设计思路和参考依据。

低温氢气透平膨胀机实验系统设计

氢气透平膨胀机是大型氢液化器中核心部件之一,为探究其性能,设计了一套专门针对常温至液氢温区工作的低温氢气透平膨胀机实验系统。系统设计的核心目标是实现氢液化设备中的膨胀制冷流程,并对氢气透平膨胀机的热力性能和机械性能进行测试与分析。热力性能测试内容包括绝热效率、实际制冷量和膨胀比,用来评估氢透平膨胀机的性能。机械性能测试内容包括连续免维护运行时间和启停次数,用来评估氢透平膨胀机的可靠性以及使用寿命。此外,对测试过程中可能出现的误差进行了分析。本实验系统为低温氢气透平膨胀机的性能评估提供测试平台,从而掌握低温氢气透平膨胀机的关键技术参数,并在此基础上优化设计,进一步提高氢气透平膨胀机组以及氢液化流程的性能。

基于脑机接口和虚拟现实游戏的空间认知训练实验系统与验证

空间认知能力被认为是人类正常生活所必备的重要能力,适当的训练可以帮助认知功能受损的老年人提高空间认知能力。该研究旨在探讨如何借助虚拟社区公寓游戏、脑机接口(BCI)和虚拟现实(VR)技术来提升认知障碍老年人的空间认知能力。研究方法包括基于空间认知理论、使用VR头戴设备HTC VIVE Focus的虚拟社区公寓游戏设计,以及对脑电信号进行功率谱密度特征提取和支持向量机(SVM)分类分析。在行为数据分析结果中,随着实验者训练次数的增加,完成任务所需的时间明显减少。整个训练周期中,完成任务的时间成本总体呈下降趋势,同时任务准确性逐渐提高。从而表明受试者经过训练后的认知能力得到有效提升。利用功率谱密度提取脑电信号特征,并采用SVM和极线学习机(ELM)进行信号分类,发现在Alpha2频段,SVM的平均分类准确率逐步上升,这为游戏对空间认知有积极影响的观点提供了明确支持,受试者通过游戏训练显著改善了空间记忆和其他认知能力。研究结论表明,基于空间认知理论的VR训练游戏对提高老年人的空间认知能力具有显著效果。该系统结合科学理论和VR技术为认知障碍康复与个性化训练开辟了新途径,预期将提升老年人生活质量并推进医疗康复技术的创新。

建筑环境与能源应用工程专业虚拟仿真实验系统建设与示范

重庆大学土木工程学院依托国家级实验教学示范中心,对建筑环境与能源应用工程专业空调冷热源系统、大型通风空调系统等成本高、危险性高、周期长的实验内容进行虚拟仿真实验教学系统建设,共建设了空调冷热源系统、空调系统、热水供暖系统三个综合虚拟仿真实验系统。实验建设紧密围绕建环专业实践教学体系展开,坚持“能实不虚、虚实互补”原则,以培养解决复杂工程问题、具有创新思维、高素质综合型工科人才为目标。实验内容设置综合性的多工况虚拟实验、事故工况实验和科研创新实验,支撑了完整的实验教学过程,并建立了双向评价体系。实验采用Web端在线实验形式,提高实验的便捷性和共享性。2020—2021年,虚拟仿真实验系统除服务本校本科实验教学外,向4个高校超300名学生提供实验教学服务,获得校内外较高评价,产生了良好的示范和社会效益。

“双碳”背景下岩石力学教学改革——基于岩石实时高温剪切实验系统

为让学生深入理解“双碳”目标,探索岩石力学中蕴含的“双碳”问题,该文基于岩石实时高温剪切实验系统,创新性地将“双碳”战略实施过程中涉及到的地热资源开发、干热岩开采等问题融入岩石力学教学中。岩石力学课程中该实验系统的引入,可以帮助学生更好地理解地热资源的特性和行为,熟悉高温高压下岩石的物理特性和力学行为,掌握高应力环境下节理岩体的剪切力学特性及破坏特征。同时,以新的实验系统为载体,可以激发学生的学习兴趣,培养学生的动手能力和创新思维,进而加深学生对理论知识的理解。另外,通过实验可提高学生的实践水平,将所学知识充分应用到工程实际中。

基于机器视觉的造纸设备机电一体化实验系统设计研究

市场上现有的制浆造纸实验系统往往各环节都是独立的,且实验平台技术落后,功能单一。为满足制浆造纸学科相关教学工作和深入研究需求,基于机器视觉技术进行造纸设备机电一体化实验系统设计,实现模切机纸张定位和纸张计数功能,对实验系统的总体设计、硬件选型进行详细介绍,搭建成像系统,并提出纸张视觉定位算法和纸张层叠图像的计数算法,对现有造纸设备机电一体化实验平台进行优化。这一方面能够为我国造纸行业培养更多具备较好实践技能的人才,另一方面也能够发挥机器视觉技术应用价值,辅助生产决策,达到提质增效、降本减存的目的。

微通道内相变流动可视化教学实验系统研制

微通道相变换热技术可较好地解决集成电路散热问题,近年来已成为传热学领域的研究热点之一。为满足国家“双碳”人才培养需求,增强本科生对新型换热技术的深入了解,研制一套微通道内相变流动可视化教学实验系统。实验系统由加热系统、可视化热沉室、测量系统以及相关管路和元器件组成,其中通道宽度为1 mm,既能形成微通道沸腾流动,又便于学生观察实验现象。实验时通过调节水流量和加热功率来控制沸腾程度,以呈现独立气泡、塞状流、弹状流、环状流等典型气泡特征及其转变过程,实验过程生动有趣、启发思考,可增强学生对基础知识的理解,提高创新能力。

钻井液与含水合物地层热流交换模拟实验系统设计

在冻土和海洋的钻井过程中,钻井液的热流作用会扰动地层中原本稳定存在的水合物,导致水合物分解,造成地层力学性质劣化,进而引发井壁坍塌失稳。为保障钻井安全,需要针对环空内钻井液与含水合物地层之间的直接相互作用开展室内模拟研究,进而摸清水合物分解规律,揭示钻井液与含水合物地层的热流交换机理。然而,已有研究中尚未见到仅考虑钻井液与含水合物地层热流交换作用的模拟实验系统。为此,本文设计了一种仅模拟上述作用的实验系统,并使用ANSYS-workbench进行了强度校核,同时提供了对应的实验方法,为揭示钻井液与含水合物地层的热流交换机理提供实验基础。

游戏化虚拟实验系统设计与应用——以“面包制作”实验为例

以“面包制作”实验为例,将游戏化学习引入虚拟仿真实验教学中。基于Unity 3D平台设计并开发了一套集游戏故事情节、面包制作基础知识、答题与实践操作、学习效果评估等多项功能于一体的游戏化虚拟实验系统——“小元密室逃脱之旅”,并与华东某高校虚拟仿真实验平台进行对比评价。研究结果表明,游戏化虚拟实验系统具有良好的用户体验与实验教学效果。

基于32位便携式微控制器实验系统的开发和设计

近年来,随着技术研发水平的提升以及物联网、汽车电子产业的快速发展,国内微控制器市场中32位产品因能效比高,其应用占比呈上升趋势。为满足不同层次学习者的需求,本文以STC32G12K128单片机作为主控芯片,围绕设计要求分析、硬件和软件设计、系统测试与验证三方面,开发设计了一套性价比高、功能多样、价格低廉、原理图和源代码开放、易于扩展升级的便携式单片机实验系统。此实验系统设计新颖,布局合理,携带方便,应用广泛,可满足用户随时随地学习研究的需求,有利于增强学习者的学习热情、科研能力和创新创业意识。

小学科学课数字化实验系统提升工程作品检验能力的实践探索

文章紧扣新课标中技术与工程的核心概念内容,梳理小学科学课中工程教学的过程,明确学生工程实践能力的分类。通过构建小学阶段工程实践能力矩阵,明确了不同年段学生在工程实践中应具备的能力层次。通过具体的实践案例,探讨在工程检验作品阶段,数字化实验系统如何促进学生测试检验、收集数据、分析数据与归纳总结等能力的发展,起到提升学生综合工程实践能力的重要作用。