（1）四阶递进式能力培育模型。构建“认知→设计→分析→创新”四阶段能力进阶体系：

● 认知阶段：通过机械认知与装配实验建立机械系统整体认知。

● 设计阶段：通过机构运动简图绘制实验培养机构创新设计能力。

● 分析阶段：通过运动学/静力学分析实验掌握性能测试方法。

● 创新阶段：通过虚实融合实验环境实现综合工程问题解决。

（2）四阶递进式实验环节步骤。以“学习→实践→创新→评价”四阶递进组织各实验环节：

● 学习环节：实验基础知识建构与基础认知。

● 实践环节：完成机构设计、参数调试与性能测试等实验任务。

● 创新环节：基于虚实融合实验平台开展机构设计、参数优化及创新方案验证。

● 评价环节：通过实验过程和在线评价系统为学习成效提供量化认证。

（3）虚实共生技术架构。采用“数字孪生+物联网”双轮驱动模式：

● 虚拟仿真层：集成3D建模、运动学和动力学仿真技术。

● 物理映射层：通过物联网传感器采集实验台数据。

● 交互控制层：开发基于Unity的跨平台交互系统。

● 数据管理层：构建MySQL实验数据库支持学习行为分析。

1. 重构“认知→设计→分析→创新”四阶段能力进阶的课程实验教学内容体系

表1所示是机械设计基础课程实验项目，以能力递进为逻辑主线，四个实验形成完整的认知闭环。每一阶既是下一阶的基础，又是上一阶的深化，避免了传统实验项目孤立、碎片化的弊端。这一体系特别适合开放教育学习者基础参差不齐、需自主构建知识体系的特点。

表1 机械设计基础课程实验项目

2.设计“学习→实践→创新→评价”四阶递进实验环节步骤

表2所示是机构运动学分析与测试实验步骤，使远程实验形成了一个可学习、可操作、可反馈、可迭代的完整学习闭环。学生在学习阶段建立理论预期（见图1），在实践阶段获取真实数据（见图2），在创新阶段完成优化设计（见图3），在评价阶段实现能力认证（见图4）。

表2 机构运动学分析与测试实验步骤

图1 理论学习（虚拟环境中生成相关运动学曲线）

图2 实践操作（元器件的虚拟安装）

图3 创新设计（优化相关参数并分析优化结果）

图4 实验评价（系统评价页面）

3.“虚实共生”架构下的远程物联网实验模式

如图5所示，学生不再面对纯软件仿真，而是通过互联网操控数千公里外的实验设备，实时获取传感器实测数据。“虚拟仿真曲线”与“物联网实测曲线”在同一坐标系中叠加显示，并自动计算误差范围。学生进一步分析误差成因，形成分析报告，培养其工程批判思维。实验具有真实感、可重复性和可扩展性，服务开放教育上万名学生，大幅降低生均设备成本。

图5 远程实体实验设备运行及虚实数据采集对比

4.丰富多样的实验教学资源

为保障远程自主学习的有效开展，建设了多维辅助资源体系。

一是前置知识文本库，将理论知识、公式、操作规程等以实验指导书的形式呈现，支持学生按需查阅，“带着准备进实验”。

二是关键步骤示范视频，针对虚拟拆装、画图软件使用、远程设备安装和调试等关键环节，制作了短视频，“手把手引导”。

三是实验过程动态提示系统，在学生操作过程中，系统自动弹出文字提示或高亮引导，“有效操作”。

1.形成了“四阶递进”的远程实验教学体系

基于课程特点，四个实验形成了“认知→设计→分析→创新”完整的认知闭环，帮助学习者自主构建知识体系；设计了“学习→实践→创新→评价”四阶递进实验环节步骤，使远程实验形成了一个可学习、可操作、可反馈、可迭代的完整学习闭环。

2.探索了“虚实共生”远程物联网实验模式

将远程物联网技术嵌入实验教学，学生可通过实体实验设备并获取实测数据，使实验具有真实感、可重复性和可扩展性，服务大量远程学习学生。通过虚拟仿真结果与物联网实测结果的比较、分析，有效培养学生工程批判思维和创新思维。

3.建设了基于丰富资源支撑的“自主学习”实验系统

前置知识文本、关键步骤视频、过程动态提示等嵌入实验关键节点，评价体系综合了学生的虚拟实验操作轨迹和最终实验结果，“主动导学”加“过程性评价”，有效辅助学生自主学习。

随着机械学科的技术发展和机械设计基础课程的教学内容更新，不断优化综合设计型实验项目，并构建更高精度的机械系统数字孪生体，实现实验教学体系与课程内容的重构与创新。同时，进一步拓展物联网的应用，构建新工科“产—教—研”新生态。