新工科背景下“虛擬樣機技術”項目化教學研究

孫小肖，孫小玉，許江濤

（1.南京工程學院機械工程學院，江蘇南京 211167；2.連云港開放大學，江蘇連云港 222006）

為主動應對新一輪科技革命與產業變革，教育部推出新工科建設，積極探索工程創新人才培養方案，助力高等教育強國建設[1]。新工科建設將地方經濟和產業發展需求引入教育體系，更加關注對學生實踐能力的培養，注重理論與實踐相融合的授課理念，將產業發展過程中形成的新技術、新方法引入課程，鼓勵高校教師與企業進行產學研合作，利用企業資源形成大量教學案例庫，并將教學知識點整合到案例中，教師授課過程中結合案例庫講授，學生在課程學習過程中不但學習了新知識，同時了解相關產業的最新發展狀況，達到產學合作協同育人的目的。

“虛擬樣機技術”是利用計算機仿真手段來優化產品的設計，通過對產品的建模、動力學仿真、控制系統與機械系統的聯合仿真來提高產品的研發速度，在產品研發過程中節省了大量的人力和物力資源。在我校課程體系設置中，把“虛擬樣機技術”作為現代設計方法課程的一個分支課程，該課程是面向機械工程學院機械制造及其自動化專業大四學生開設的一門專業必修課，目標是教授學生利用虛擬樣機技術提升產品的設計能力，結合典型的虛擬樣機軟件ADAMS 教授學生將傳統的設計計算過程轉移到虛擬樣機建模軟件中，對虛擬樣機模型進行運動仿真以及查看仿真結果，并且結合優化理論講授產品在虛擬樣機軟件中的優化方法，為學生開展畢業設計及以后走向工作崗位提供了重要的工程技能。

1 “虛擬樣機技術”課程教學現狀

我校的機械制造及其自動化專業是江蘇省重點專業，該課程包括優化設計、有限元分析和虛擬樣機技術三部分，其中虛擬樣機技術安排15 個課時，在這15 個課時內把虛擬樣機技術講透徹對教師來講是一個挑戰，因此必須要做好充足準備，合理規劃授課內容。在對2016 級學生進行“虛擬樣機技術”課程講授的過程中，主要包括課堂講授和上機兩部分，課堂講授主要講解虛擬樣機產生背景、虛擬樣機技術涉及的運動學、動力學理論知識以及相關數值求解方法，同時選用一款典型的虛擬樣機軟件ADAMS[2]進行講解，軟件講解結合PPT 課件和現場操作演示，向學生介紹ADAMS 的功能、基本操作方法與操作技巧。課堂講授結束以后，安排學生上機實踐，上機以學生操作為主，教師負責答疑。在指導2016 級學生畢業設計以及畢業設計答辯環節中發現：部分學生在畢業環節中，并不能有效應用ADAMS 軟件對復雜機械產品進行虛擬樣機建模與仿真分析，通過對學生訪談以及對教學方法的反思，總結2016 級“虛擬樣機技術”教學方法存在以下問題：

（1）課堂教學過程中的理論講解過于枯燥，學生消化吸收效果差。課堂講授的理論知識主要是多體動力學建模與求解理論知識，該部分知識主要是研究生課程學習的知識，對于本科生來講比較困難，導致學生學習積極性減弱，對課程講授理論知識的吸收效果較差。

（2）課堂教學過程中講授ADAMS 軟件的功能和基本操作方法，由于課時限制，學生在課堂沒有得到及時訓練，課下又沒有及時上機實踐，等上機實驗時，軟件操作步驟已經遺忘很多。課堂教授過程中，教師通過投影給學生演示ADMAS 軟件操作過程，學生沒有足夠時間跟隨教師一起操作，因此并不能在課堂上及時掌握ADAMS 的操作過程。

（3）課堂講授的案例過于簡單，只是針對某項功能進行簡單示例的演示操作，示例之間不具有系統性、連貫性，學生學完以后不能將所學知識點串在一起，還不能解決具體工程實例。

以上問題導致學生“虛擬樣機技術”課程學習成效低、拓展應用能力差，無法滿足新經濟、新產業發展的需求。新工科對工程教育的指導思想是為新技術、新業態、新產業、新模式的發展提供支撐服務，落實以學生為中心的理念，增強師生互動[3]。2016 級采用的教學方法已無法滿足新工科對人才的培養要求。因此，需要結合新工科對人才培養的要求以及提升學生學習成效等要求，在教學內容、教學方式和方法上對“虛擬樣機技術”課程進行教學改革和探索。

2 “虛擬樣機技術”課程項目化改革探索

為提升教學成效，滿足新工科人才培養要求，在對2017 級學生進行“虛擬樣機技術”課程教學時，進行項目化教學改革探索，通過對虛擬樣機技術知識點的重新梳理與分類，將知識點融入設計的系統化項目中，學生通過項目不斷學習新知識點，通過項目化教學方式，極大了提升學生學習的積極性，學生通過系統化學習，提升解決工程實際問題的能力。

2.1 教學內容改革

本次教學內容改革將虛擬樣機技術知識點進行通盤設計，各知識點均融合到具體的教學案例中，通過教學案例的講授，把各個知識點傳授給學生。對教學內容的安排做了大調整，教學內容以項目1、項目2等一級項目形式安排，每個一級項目是一個完整的工程案例，每個工程案例分布不同知識點，若干個知識點組成一個二級項目，即每個一級項目由多個二級項目組成（一般設置4 個）。工程案例主要來自個人縱向研究課題、企業橫向技術課題、校企合作課題和學生機械設計課程實踐等內容，如個人縱向課題研究的行星探測車（如圖1(a)所示），個人橫向課題中的工業機器人（如圖1(b)所示）。對于工程案例的設計，一般包含相同知識點的工程案例設計兩個，一個為教師課堂講授，另外一個作為學生上機練習，以鞏固知識點。每個一級項目又劃分為若干個二級項目，比如行星探測車這個一級項目[4]，可分解為以下4 個二級項目：（1）行星探測車模型導入與剛體動力學仿真分析；（2）行星探測車桅桿柔性化及模型柔性動力學仿真；（3）運用設計變量分析行星探測車桅桿一直保持垂直所需要的最小力矩；（4）行星探測車跨越障礙物穩定性分析及優化設計。工業機器人這個一級項目，可分解為以下4 個二級項目：（1）工業機器人模型導入與剛體動力學仿真分析；（2）工業機器人大臂柔性化及剛柔耦合動力學仿真分析；（3）運用設計變量分析工業機器人末端搬運重物質量與各關節所需力矩間關系；（4）工業機器人的軌跡規劃與末端執行器寫字操作。這兩個項目包含知識點基本相同，教師在課堂講授其中一個項目的操作流程，另外一個項目作為學生上機練習案例。對于項目的安排，學生通過分組方式共同完成，每個小組完成一個一級項目，小組每位成員負責一個二級項目，將小組每位成員完成的二級項目進行綜合形成一個完整的一級項目。通過項目、小組的形式進行教學內容的設計，極大地激發學生學習虛擬樣機技術的興趣，同時提升學生的團隊合作能力，每位學生都積極參與完整工程案例虛擬樣機建模求解過程，極大提升學生解決復雜工程問題的能力，為后續畢業設計環節虛擬樣機技術的應用奠定基礎。對于課程綜合實踐中設計的電動葫蘆三級減速器這個一級項目，學生不僅能體驗到對自己設計的電動葫蘆產品進行虛擬樣機建模仿真過程，更能體會到虛擬樣機設計與前期手工計算的不同之處，深刻理解虛擬樣機技術的特點與優勢。

2.2 教學方法改革

以往“虛擬樣機技術”教學方法以教師課堂講授為主，考慮課時有限，改革之后充分利用學生課外時間，采用翻轉課堂教學方法[5]，教師事先將對應的工程案例講解通過錄制視頻的方式上傳到學校網絡教學平臺，學生課前觀看教師準備的示例項目教學視頻以及預習各小組項目案例任務書，完成課前自主學習，網絡后臺記錄每位學生課前自主學習的時間。課堂上以學生為中心，教師負責現場指導與答疑，學生按照課前分配好的項目任務書，上機操作完成各自的二級項目任務，學生在完成各自二級項目任務過程中，要與小組其他成員進行討論交流，最后匯總完成的一級項目。課堂翻轉法進行教學，學生學習虛擬樣機技術的過程更加靈活、主動，每位學生的參與度進一步提升，學生通過實踐獲得知識，提升學習的自信心。

2.3 課程考核方式改革

以往“虛擬樣機技術”課程的考核主要是期末考試和上機報告，其中期末考試占60%，上機占20%，大作業占20%。對課程內容、教學方法進行改革以后，對考核方式也進行了調整，課程考核方式分為小組得分、個人得分、組內互評得分，其中小組得分占40%、個人得分占30%、組內互評得分占30%。小組得分評分依據為整個小組完成一級項目的情況，分為完美完成、較好完成、基本完成、較差完成、未完成5 個等級；個人得分主要包括個人答辯表現及二級項目完成情況，分為很好、較好、一般、較差、很差5 個等級；組內互評是小組成員根據每個人的組內貢獻度，經過集體商議確定每位成員得分，并且需要集體簽字確認[6]。

2.4 持續跟蹤與改進

“虛擬樣機技術”課程結束以后，下一學期學生便開展畢業設計，在學生畢業設計指導過程中，對部分學生進行訪談，了解其上學期“虛擬樣機技術”學習情況與掌握情況，根據學生反饋情況持續改進教學內容、教學方法，從而達到新工科對人才培養的要求。

3 結語

通過“虛擬樣機技術”課程項目化教學的實施，激發學生對本課程的學習興趣，通過設置一級項目、二級項目的案例化教學，學生不僅可以學習到虛擬樣機基礎知識、虛擬樣機軟件的操作方法以及典型工程案例解決方法，同時提高學生的團隊合作能力，提升了學生畢業設計過程中運用虛擬樣機技術的能力和運用所學知識解決復雜機械工程問題的能力，提升學生后續就業的核心競爭力。