以“智能制造”為核心的機械設計教學改革研究

王曉輝　李萬敏　季偉

摘 要：針對人工智能背景下推進的新型工科專業建設要求，本文圍繞中國制造業發展需求，以“智能制造”為核心，凝練課程特色，從教學模式、評價機制、課程思政、實踐教學等主要方面對機械設計課程教學提出相應的改革策略，旨在培養學生具備人工智能視角下的機械設計思維，通過智能化的實踐設計平臺，推進設計理論與實踐相結合、人工智能知識與機械設計廣度相融合，提高學生的智能機械設計理念與能力，以適應現代智能制造業的需求。

關鍵詞：機械設計；智能制造；教學方式；課程改革

中圖分類號：G642? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2023）11-0076-04

工業4.0是工業發展的一個新階段，這個新階段可以看成是以“智能制造”為主導的第四次工業革命。為順應工業發展需要，中國在2015年發布了《中國制造2025》行動綱領，該綱領以“智能制造”為主攻方向，全力打造具有國際競爭力的制造業，實現由制造大國向制造強國的跨越。在此背景下，教育部、人社部和工信部聯合發布了《制造業人才發展規劃指南》，這份指南為高校工科教育發展提供了新的參考和更高要求，引發了高校為適應數字化、信息化、智能化發展趨勢而進行的相關專業課程改革。

1 機械設計課程改革的必要性

機械設計是在機械原理、材料力學、公差與配合、金屬工藝和熱處理等眾多課程之后學習的一門綜合性、設計性和應用性較強，涉及范圍廣的課程。機械設計課程的理論和設計方法能夠培養學生產品開發、造型設計的能力，提高學生的創造力，促進學生動手操作的實踐能力。機械設計對于機械專業的學生來說是一門比較重要的專業課，更是一門核心的課程。

機械設計課程目標是培養具有產品設計和創新設計的工程技術應用人才。機械設計課程受傳統課程觀念的影響，學科化程度較重，在智能制造的背景下課程設置已不能適應學科發展需求，因此需要改革機械設計課程。使之與自動化、計算機、人工智能、互聯網、智能制造等學科融為一體[1]。

智能化的設計理念在人工智能高速發展的今天處處體現出來，從產品定義到結構實現都充斥著智能化的身影。智能化設計的發展，根本上還是要靠理解機械設計的精髓。應用機械設計理論及方法，深入研究設計的精髓、過程設計的思維特征及其方法，是走向智能化設計的必經之路。機械設計的數字化與智能化實現已經成為當前高校機械設計課程體系改革的方向，因此，機械設計課程改革勢在必行。

2 機械設計課程的現狀

2.1 課程定位落后

目前部分高校機械設計課程的教學目標仍定位于培養傳統設計制造人才，其教學內容著重基本知識、基本理論和方法的講解，創新設計等方面的內容相對較少。課程建設思路陳舊，缺乏創新。在智能化和信息化的時代背景下，已無法與我國迅速發展的工業化進程需要相對接。因此，機械設計課程定位也要與時俱進，把課程定位體現在“三個著眼”和“三個立足”上，即著眼于國家發展需要，立足于智能化發展；著眼于工作崗位需求，立足于學生能力發展；著眼于學生潛能開發，立足于學生長遠發展。

2.2 課程內容多、課時少

為了促進高等教育的國際交流與合作，我國高校的專業在總學分設置上趨向于與國外一致，這就造成了專業課程的學分大幅度減少，也就意味著課程課時的減少。機械設計課程內容涵蓋較多，而對應的課時卻相對較少，這就使得學生學習起來更費力，同時也促使教師要更新教學觀念，研究和實踐新的教學方法，以便在較短的時間內完成教學目標和任務。

2.3 教學方式缺少創新

在教學過程中仍以教師為主體，采用單一的講授法結合多媒體、動畫仿真的方式讓學生被動地接受知識，在課程中很少應用數字化、智能化設計手段，導致學生對學科前沿和先進技術手段缺乏了解，滿足不了學生個性化發展的需求，也適應不了“智能制造”背景下制造業發展的需求。

2.4 缺少實踐融合

機械設計課程容易在系統、深入的框架下，流于對各種理論方法的學習，學生往往只學了一大堆原理和方法，卻不知道如何與具體的工程問題聯系起來，不理解各種方法在工程實踐中的定位。同時，課程教學內容往往也過于單調和守舊，很少融入工程實踐知識、創新知識和創新思想[2]，使得理論與實踐不能融合，課程也無法從理論層次提升到應用層次。

3 課程改革策略

機械設計課程以《中國制造2025》行動綱領為指導，以“智能制造”的發展需求為核心，以工程應用為著眼點，采用現代設計方法和設計手段，培養學生創新設計思維，樹立學生正確的設計思想，以“智能制造”為核心，構建實踐設計平臺。從教學方式方法、課程評價機制、課程思政等多個方面進行教學探索，通過多種方式、多種形式開展教學實踐活動，培養能解決實際工程問題的復合型專業技術人才[3]。

3.1 夯實課程基礎，拓寬課程廣度

習近平總書記鼓勵廣大高校學生，一定要把專業學寬，把基礎打厚。習近平總書記的這番話說得樸實無華，卻蘊含著深刻的道理。開展一切創造性工作的前提，必須要打牢課程基礎，夯實專業基本功。

夯實機械設計課程基礎的著眼點要立足于智能制造發展方向，在具體到每一位學生時，在不斷探索的基礎上，逐步積累起兩項基本原則，即“因材施教，注重聯系”。這里的“因材施教”，是指在課程教材、教學大綱和課程設計等方面融入智能技術。選用與時俱進的教材，保證教材的理論深度與知識廣度，同時融入新的技術與應用實例。采用系統和全面的教學大綱與教案，科學安排知識點與學習進程，夯實知識結構的基礎。強化培養學生的工程素養，采用設計案例分析、課程設計與實驗等方式夯實理論基礎，讓學生們從智能化、數字化的角度重新理解機械設計課程。所謂“注重聯系”，就是在理論學習的基礎上大量開展實踐運用與訓練，保證教學過程中理論與應用實例相結合，新技術與工程實例貫穿始終，理論聯系實際。并定期對專業核心課程進行知識更新，確保專業課程體系與產業技術發展同步。

拓寬課程廣度，就是保留機械設計課程的基礎理論與知識模塊部分，同時增加智能設計理論與方法的相關內容，讓智能設計思想滲入到機械設計課程教學中，培養學生具備人工智能視角下的機械設計思維，如通過大數據分析挖掘用戶需求，利用云計算和人工智能技術實現機械結構設計的智能優化與快速迭代等，使學生能在人工智能與機械設計交叉的問題空間里產生創新思路和方法策略。

3.2 改革教學方式，融入數智化教學模式

智能制造時代的到來必然會推動傳統教學模式向數字化、智能化教學模式的轉變。傳統的教學模式多為教師講授為主，學生按部就班地參與學習，這就導致學生在學習的過程中缺乏主動性和積極性，缺少師生之間的互動。而通過運用數字化、智能化手段打破傳統教學方式，將課程內容、學習資料等以線上線下相結合的方式呈現，實現標準化、個性化的授課方式，讓學生達到更高層次的學習目標。

在高校過去幾年的現行教學中，線上線下混合式教學模式逐漸成為主流模式。線下教學往往由于課程在學時上的欠缺，從而導致教學活動單一，最終學生完成的僅僅是學習的基本目標。而線上線下相結合的混合式教學，則可充分利用網絡平臺，引入數字化教學模式，讓學生在線上提前自主學習課程的主要內容和基礎知識，并能夠根據教師布置的任務和學習步驟，實現教師在進行線下課程教學時，能針對學生的自主學習情況，完成重難點內容的精講，充分利用線下時間設計更多的教學活動，提升學生的學習興趣，并通過生動的教學活動使學生更深刻理解課程知識內涵、塑造自己的創新能力，達到更高層次的學習目標。運用數智化教學方式可以優化教學環節，改善教學質量，給教師提供更多資源和扶持，同時還能突破時間、空間的限制，使學生的學習方式變得更加個性化、智能化，貼合時代發展需求。

3.3 強化實踐環節，搭建實踐教學平臺

習總書記提出“實踐出真知，實踐長真才”的道理，指出學習不踐行，學與不學就沒有什么區別了。學以致用，具備解決實際問題的本領，才是學習的最終目標。機械設計課程有著很強的實踐性，這就要求學生們做到學用結合，知行合一。為此，在機械設計課程實踐教學環節中，以“智能制造”為背景，以“解決工程問題”為導向，以“可視化技術”為切入點，搭建實踐教學平臺，推進“理實融合”的教學模式。

結合不斷發展的現代設計方法和智能制造的工程實際，將形創ACADEMIA教育三維設計軟件引入到課程學習中，并搭建起三維設計實踐平臺，完成零部件從開始到概念階段、建模設計到開發階段的全過程可視化設計[4]。同時，教師也可以利用與課程配套的教學工具包，進行課程的設計創新及教學項目的開發。三維設計實踐平臺的應用，使設計實踐由二維向三維轉變，由計算機輔助繪圖向計算機輔助設計轉變，由數字化設計向虛擬化、可視化、智能化的設計方向發展。以包含質量、材料、結構等物理、工程特性的三維功能建模為基礎，用三維模型表達零部件設計理念，不僅更加直觀、高效，而且實現了比二維設計更真實的虛擬設計和優化設計。

除此之外，人工智能技術是智能制造的核心技術之一，機械設計也需要與人工智能技術相結合，以實現自動化設計、智能化制造等目標。教師可以在實踐教學中介紹人工智能技術在機械設計中的應用，如基于機器學習的設計優化、基于深度學習的圖像識別等。

虛擬仿真技術也是智能制造中的重要技術之一，在機械設計中也有著廣泛的應用。通過虛擬仿真技術，可以在設計前對機械性能進行預測和分析，提高設計效率和準確性。因此，也可以將運動與動力分析軟件、有限元分析仿真軟件等嵌入到實踐教學平臺中，更好地提高學生的綜合設計、計算與分析能力，同時也為后續的數控制造技術等課程奠定基礎。

3.4 多元化考核及評價機制

課程考核和評價機制是專業課程設置中不可或缺的重要一環，教學內容、教學方式改革的真正價值，最終要通過合理的課程考核和評價機制體現出來?？己伺c評價的革新與多元化也是新工科考核要求的方向。

目前，現有的一些院校仍采取的是以期末考試為主導，由平時成績和試卷成績兩部分構成的終結性考核評價辦法，缺少實踐教學環節的考核。這種考核形式單一，忽視了學習過程的考核，不能準確體現學生對這門課程的實際掌握情況，也就無法真實反映出課程的教學效果。

為此，要建立多元化、實行多角度的考核與評價機制，在理論考試、實踐項目、聽課與課堂表現等多個角度對學生進行評價，使評價更加全面客觀。一是在課程學習中設置智能機械設計相關項目，考核學生運用人工智能技術進行機械設計創新的能力。并分配相應的分值計入課程成績中，同時弱化期末考試所占比重[5]。二是引入過程性評價。在教學過程中增加小組討論、小組作業等交流環節，考察學生的思維活躍性、表達能力與團隊合作精神。三是增加學生參與度評價。通過調查問卷等方式收集學生對教學內容、教學方式的反饋意見，分析并作為教學改進的依據。四是采用工程實例評價。在評價中采用來自企業的工程設計實例，考核學生針對實際問題進行智能機械設計的綜合運用與分析能力。五是邀請企業專家對學生的設計作品或項目進行評審，使評價更加貼近產業需求與技術發展。六是關注社會效益評價。在評價中引入設計方案對環境、社會的影響評價，培養學生的社會責任與工程倫理意識。

綜上，人工智能時代與智能制造發展的需要，機械設計課程的考核與評價機制更加注重學生綜合運用知識與技能進行智能機械設計創新的能力。過程性評價、工程實例與學生參與度評價將更加重要。人與技術融合，社會效益導向，這也是新工科人才培養的理念。

3.5 引入課程思政

“培養什么樣的人”是教育的首要問題。大學的本科教育，不只是傳道授業解惑，培養人的重任也應該兼顧到高校的本科教育中去。習近平總書記強調“所有課堂都有育人功能，不能把思想政治工作只當作政治理論課的事，其他各門課都要守好一段渠、種好責任田”，提出“各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應”的要求。因此很有必要把思政教學引入到課程中來。

在課程學習中，引導學生關注人工智能應用于機械設計對環境和社會的影響，引導學生考慮機械設計決策中的工程倫理與社會責任。在實踐設計環節，以嚴謹認真、精益求精的設計，培養學生的工匠精神。把思想政治教育理論內化為大學生的思想品質、價值觀念和道德標準，外化為大學生的自覺行動。把傳授知識與社會主義核心價值觀相結合起來，樹立學生正確的理想信念和政治信仰，使學生成為德才兼備、全面發展的人才[6]。

3.6 促進教師專業發展

教師是教育中最重要的一環，而最能代表教師能力的莫過于其專業水平，所以在高校專業課程教學改革研究中，促進教師的專業發展也是非常重要的一個環節。教師應該以專業課程發展方向為目標，以專業課程改革為載體，從職業道德、專業能力和專業知識上進一步提升教師的能力和水平，促進教師專業成長。

職業道德是規范教師言行舉止、規范教師職責的準則，是立身之本。其身正，不令而行；其身不正，雖令不從。如果教師在學習工作和思想上不能端正自己的態度和言行，又怎能去教書育人，為人師表。大學階段是人生重要的發展階段，是大學生走向社會、認知世界的開始。而高校教師對大學生世界觀、人生觀、價值觀的形成影響更為深遠，因此，高校教師要把握新時期高校教師職業道德的新內涵，不斷加強思想政治學習和道德理論修養，全面提高自身素質和修養，做到愛崗敬業、教書育人，在新時期高校教師隊伍中起到典范作用[7]，也為學生們做出很好的表率作用。

在智能化時代的大背景下，對高校人才培養提出了新的培養目標和要求，同時也對高校專業教師的專業水平和育人能力提出了更高的要求[8]。高校專業教師不能僅停留在當前的學術水平和專業能力上，要不間斷的學習促進自身的專業發展，掌握最新的學術動態，時時更新自己的知識儲備，長期的積累專業知識，始終不渝地在專業上開拓創新，與時俱進，與時代前沿科技交融。

作為教師想要提高自身的專業發展，不僅需要自身的努力，更重要的是要結合學校本專業的發展實際，將個人專業發展目標與學校專業發展規劃結合起來，形成結合學校專業發展需要的教師專業發展及行動方案，使專業教師能圍繞以“智能制造”為核心的課程改革，按照個人專業發展規劃不斷提升專業素質，突破專業能力，成為專業過硬的能力者，優良職業道德的傳承者，教書育人的領導者，為國家和社會培育更優秀的人才。

3.7 完善課程教師團隊

搞好專業課程改革，僅靠一個人的力量是不夠的，更多的要依靠團隊的力量來完成專業課程改革的重任。將教授同一課程的教師和同一學科方向、內容體系緊密相關的系列課程的授課教師組成一個課程團隊[3]，從課程培養方案、授課計劃、教學方式方法、教材建設及選用、項目科研等方面進行綜合的交融與協作，取長補短，以此提升教師團隊的整體實力。同時，也可以選聘專業課教師與企業中的工程技術人員相結合的方式，在保障教學理論水平的同時也具有較高的工程實踐能力與素養。

建立以“博士帶碩士”、以“教授、副教授帶講師”、以“老教師帶新教師”的教師梯隊，從不同層次搭建教師團隊[9]，通過經驗交流，來達到培養青年教師的目的，最終實現專業課程教學質量的飛躍。

4 結束語

以制造業創新發展為主題，以推進智能制造為主攻方向，走中國特色新型工業化道路。在此背景下，本文首先闡述了機械設計課程改革的必要性，并對機械設計課程現狀加以分析，針對課程存在問題提出了課程改革策略。機械設計課程改革能幫助教師總結教學經驗，改進教學方式方法，給學生提供更多的學習平臺和學習資源，激發學生對機械設計課程，乃至整個機械工程專業的學習興趣，最終成長為中國制造強國的接班人。

參考文獻：

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〔3〕鄧斌，吳景春，胡美玲.基于“智能制造”時代背景下應用型本科院?！皺C械設計”教學研究[J].江蘇科技信息，2017，34（33）：73-75.

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〔6〕劉曉陽，靳江艷，張君彩，等.《機械設計》課程教學存在的問題及其課程改革探索[J].教育現代化，2020，7（03）：35-37.

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〔9〕鄧立奎.堅持課改構建創新型教師隊伍[J].群文天地，2012，22（07）：174-175.