機械設計課程設計虛實融合的教學模式探究與實踐

柴博森，王麗慧，寇 瑩，陳炳錕，羅彥茹

（吉林大學a.機械與航空航天工程學院；b.機械基礎國家級實驗教學示范中心（吉林大學）；c.機械虛擬仿真國家級實驗教學中心（吉林大學），長春 130025）

0 引 言

2020 年新型冠狀病毒疫情全球性大爆發，導致高等工程教育領域的教學秩序與傳統格局發生巨大改變。高等工程教育是建設現代化制造強國的重要根基，如何培養高質量一流工程技術人才是當代高等工程教育與新工科建設不可回避且要重點解決的核心命題［1-6］。面對嚴峻的新冠疫情，根據習近平總書記關于堅決打贏疫情防控阻擊戰的重要指示精神和教育部《關于在疫情防控期間做好普通高等學校在線教學組織與管理工作的指導意見》，教育部提出“停課不停學，停課不停教”的要求，全國高校迅速響應并組織教師啟動線上教學模式，以確保教學工作順利開展［7-8］。作為一種開放式的教育教學理念，線上教學突破了時空的限制，打破了傳統課堂教學的模式，推動新的高等工程教育格局與生態逐步地走向多維度、多元化的深度融合［9-10］。隨著數字化、信息化、智能化社會需求的發展以及我國疫情防控工作的常態化布局，線上教學在高等工程教育領域的應用是必不可少且大勢所趨，線上線下混合教學將成為后疫情時代的主流教學模式［11-12］。

機械設計課程是機械類和近機械類專業學生必修的一門實踐性課程，在工學專業課程教學體系建設中起到承上啟下的關鍵作用，對于培養學生的工程設計意識和獨立分析、解決復雜工程問題的能力具有重要的支撐作用［13］。隨著“中國制造2025”和“新工科建設”理念的提出，新時代機械制造業對數字化、網絡化、智能化、綠色化和信息化技術的需求越來越高，促使我國高等工程教育對一流人才核心素養的培養需求不斷攀升，對機械設計課程設計的教學內容改革與方法創新提出了更高的新要求［14-15］。

1 疫情期間課程設計教學問題

隨著疫情狀態變化，在不同時期下教學環境、教學活動、師生意識形態都在發生變化，但是，對于高等工程教育培養一流工程技術人才的教育目標及教學理念是明確的，只是實現目標的教學改革途徑與方法需要適時調整與即時變化。

（1）疫情前期。課程設計采用3 周課堂集中學時開展線下教學，教學環境固定為傳統設計教室。教師主導整個教學過程，布置傳統設計題目、內容并提出具體且明確的要求。作為學習主體的學生普遍只注重傳統齒輪減速器理論知識學習，對減速器裝置內部空間結構、零件制造、裝配工藝等內容認識不足，缺乏對齒輪傳動系統動態工作過程的感性認識，針對工程訓練和課程思政這兩個教學環節的投入明顯不足，學生大量的時間和精力主要集中在參數計算、手工繪圖環節，且設計過程嚴重地依賴已有參考資料，普遍性存在沒有參考樣圖就不會設計的棘手問題，學生難以建立理論計算與工程設計之間的有效關聯。傳統的培養模式已經無法滿足當今高等工程教育和新工科對工程設計人才培養的要求。

（2）疫情期間。課程設計從原本線下實體課堂教學環境轉變為全部線上的網絡教學環境，整體學時仍為3 周時間。由于教學環境因素發生改變，勢必引發“蝴蝶效應”波及整個教學環節，引起教學活動呈現明顯的時空分離特征，將直接導致教學活動參與者師生角色及行為、教學規則及形態發生驟變。線上教學更加注重學生的自主性和個性化學習，教師側重引導學生對網絡學習平臺、優質網絡教育資源及移動學習終端等工具的合理使用顯得尤為重要。雖然線上教學突破了時空限制，其教學形式與方法更加靈活多變，同時網絡信息化技術能夠幫助學生獲取更多的教學資源，但是，教學過程中師生面對面溝通與交流環節缺失，線上虛擬教學環境無形中構筑了師生之間無法突破的情感壁壘。另外，實踐性教學環節缺失將導致學生無法切身體會產品設計的真實感。與此同時，也存在網絡課堂教學秩序難保證、學生自主學習過程難監督、學情狀態與效果難把控、成績量化考評制度難實施等短板問題，這將嚴重地制約新工科背景下機械設計課程設計教學質量的提升。

（3）疫情后期。課程設計整體學時改變為4 周，由2 周線上教學分散學時和2 周線下課堂集中學時組成。其中1 周分散學時直接融入機械設計課程教學環節，在理論課程學習進程中提前布置課程設計前期內容，要求學生初步完成方案擬定、參數計算、虛擬拆裝與草圖設計，這樣安排不僅有利于強化學生對基礎理論知識的掌握程度，而且能夠有效地避免繁瑣性的計算、驗算等重復性工作內容，使學生能夠集中時間和精力在2 周線下課堂教學階段，充分利用數字化、信息化、智能化手段，完成創新性和應用性較強的齒輪減速器結構設計與優化內容。疫情后期，教學環境逐漸走向線上虛擬教學環境與線下課堂實體教學環境的深度融合，精準教學活動目的實現的途徑與方法得到了極大的拓展與延伸。但是，只有當教學活動參與者師生之間教與學的雙向動態耦合行為在線上虛擬和線下實體的教學環境中實現無縫銜接與快速切換，才可以充分地彰顯兩種教學環境下各自的優勢，降低兩種教學環境的客觀缺陷所帶來的消極影響，從而實現精準、高效、智能教學效益的最大化。如何構建合理有效的線上線下混合教學模式、建立虛實環境深度融合的完整教學體系，以達成培養學生符合社會發展和信息化時代要求的工程設計能力及其核心素養的教學目標，仍然是一個亟需深度反思的關鍵問題。

2 改革舉措

2.1 構建虛實結合的線上線下混合教學模式

依托我校國家工科機械基礎課程教學基地、國家級機械基礎實驗教學示范中心、國家級機械虛擬仿真實驗教學中心、國家級工程實踐教育中心和國家機械工程一級重點學科，以國家級一流本科課程機械設計A為載體，以機械設計省級優秀教學團隊為支撐，基于學校學堂在線和課程中心網絡教學平臺，建立具有我校本土特色的機械設計課程設計網絡課程教學資源，實現數字化、信息化、網絡化教學資源的開放與共享，拓展課程內容的教學空間，滿足學生個性化學習、自主實驗和創新實踐的強烈需求，學生可以隨時隨地通過學習移動終端進入課程平臺開展線上學習。以加強網絡資源平臺建設和“線下為主，線上為輔，以實為主，以虛為輔”的教學改革思想為指導，創建“線上線下、虛實結合”理念的創新型混合教學模式，教學體系構建及思路如圖1 所示。

圖1 混合教學體系構建與教學內容重構

根據學校新版教學大綱要求，機械設計課程設計實踐教學環節整體學時為4 周，分為課前分散（1 周）、課中集中（2 周）和課后分散（1 周）3 個階段。課前階段，直接融入機械設計課程學習進程，適時將課程設計任務通過線上形式提前布置，學生通過前期調研完成整機系統方案認知與擬定，輔以虛擬現實手段幫助學生建立零件與系統、局部與整體的耦合設計關系，這樣不僅能夠鞏固學生理論課程基礎知識學習，而且能夠固化學生站在整機系統角度進行零件設計的思維觀念，強化學生自主學習和工程設計意識的培養。課中階段，通過實驗樣機拆裝、參數實測及工程訓練中心參觀，強化學生的工程訓練過程，增強工程實踐的體會感，同時在這個階段巧妙地融入大國重器、大國工匠、機械設計發展史等思政元素，將課程思政潛移默化地移植到線下教學環節，提升學生的思想境界和愛國情操；而后基于前期鋪墊，開展二維圖紙繪制，降低傳統手繪草圖工作量，通過三維建模軟件（CATIA）調用零件模型數據庫，編輯修改數據庫模型幾何結構參數以滿足設計要求，實現齒輪減速器智能化的裝配設計。課后階段，以師生互動答疑為主，強化學生利用數字化、信息化技術手段及軟件工具開展結構優化與參數調整，通過動靜態虛擬仿真完成齒輪傳動系統綜合性能分析，總結歸納并輸出技術報告，強化訓練學生自主創新設計與工程應用的能力。

2.2 建立理論面向工程的虛實融合實驗教學平臺

基于當代大學生的學習習慣和自身特點，以激發學習興趣、點燃學習激情為導向，遵循“系統性、層次性、工程性、交互性”和“以實為本、虛實結合、能實不虛”的教學原則，綜合運用虛擬現實、云網絡、數據庫以及人機交互等先進技術手段，從工程實際應用的角度出發，針對傳統減速器與新型減速器實際產品，開發虛擬環境下的實驗內容與操作技術，構建形象逼真的齒輪減速器虛擬實驗對象和虛擬環境下可視化實驗教學平臺，良好的操作環境使學生沉浸在開放、自主、交互的虛擬空間進行高效率、安全性、趣味性的工程實驗，如圖2 所示。

圖2 齒輪減速器虛擬實驗教學平臺

為了體現實驗真實性，建立原動機、齒輪減速器傳動裝置與執行機構組成的機械系統，其中透明型齒輪減速器模型樣機箱體由有機玻璃材料制造，學生可以直接觀察其內部結構及齒輪嚙合運轉情況，輔以虛擬仿真實驗并結合教師推送的減速器潤滑視頻，幫助學生充分地認識整個潤滑過程并加深理解密封結構的設計特點。通過構建齒輪減速器虛擬實驗教學平臺，基于動態可視化虛擬樣機和真實樣機拆裝測繪的實驗訓練，加強學生對齒輪減速器結構、裝配關系、潤滑特點和工作進程的認識，強化學生工程設計意識的培養，如圖3 所示。

圖3 真實樣機拆裝實驗教學平臺

2.3 數字化設計、建模與性能仿真優化

為了降低傳統課程設計中繁雜性計算、重復性設計、純手工繪圖等環節所占據的大量工作時間，使學生能夠集中精力在有限學時內高質量地完成方案優選與結構創新設計，基于構建的網絡課程教學平臺與實驗教學平臺，應用三維建模軟件（CATIA），建立實時更新設計標準與技術規范的集成化三維零件模型數據庫，該數據庫涵蓋各種齒輪減速器傳動裝置所需的全部參數化、可編輯的三維零件模型，所有的零件模型均可以在教學網站上下載，且能夠自行編輯修改，如圖4 所示。通過調用齒輪減速器模型數據庫，建立結構設計參數動態可調的數字化三維模型，實現設計方案快速建模。

圖4 零件模型數據庫及參數化建模

為了分析齒輪傳動裝置中零部件裝配方式及相關設計參數選擇對傳動系統綜合性能的影響程度，基于仿真分析軟件（ANSYS、Romax）對齒輪減速器進行靜動態仿真，揭示傳動軸因撓曲變形而引起齒輪嚙合錯位的物理現象，定性地分析齒輪時變嚙合剛度、齒面側隙、軸的剛度和軸承游隙等參數對齒輪傳動系統綜合性能的影響程度，闡明造成傳動軸旋轉精度降低和傳動系統振動的原因，提出降減振動、提升傳動性能的優化方案，如圖5 所示。引入參數化建模、性能仿真優化的教學內容，旨在培養學生的學習興趣、創新設計理念與工程設計意識，以滿足數字化、信息化和智能化技術時代背景下高等工程教育對機械設計人才的需求。

圖5 減速器傳動系統性能仿真分析

3 結 語

基于“以實為主，以虛為輔，線下為主，線上為輔”的教學理念，構建“線上線下、虛實結合”的創新型混合教學模式，將機械設計課程設計教學過程分為“課前分散、課中集中、課下分散”3 個密切關聯、層級遞進的教學環節。以高等工程教育現代化機械設計人才核心素養培養目標為牽引，將數字化設計、智能化建模、虛擬仿真技術引入課程教學體系，通過系統化、層次性、關聯性的模塊化教學設計，建立虛實融合、理論教學面向工程設計的可視化實驗教學平臺，實現減速器傳動系統虛擬現實多方案設計、整機虛擬拆裝測繪、機構運行狀態及潤滑過程動態可視化，加強數字化、信息化、智能化設計方法在虛擬仿真教學中的應用，強化學生工程設計意識和解決實際工程問題能力的培養。