新工科背景下“虛擬樣機技術(shù)”項目化教學(xué)研究

孫小肖，孫小玉，許江濤

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

為主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，教育部推出新工科建設(shè)，積極探索工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)方案，助力高等教育強國建設(shè)[1]。新工科建設(shè)將地方經(jīng)濟和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求引入教育體系，更加關(guān)注對學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)，注重理論與實踐相融合的授課理念，將產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中形成的新技術(shù)、新方法引入課程，鼓勵高校教師與企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)學(xué)研合作，利用企業(yè)資源形成大量教學(xué)案例庫，并將教學(xué)知識點整合到案例中，教師授課過程中結(jié)合案例庫講授，學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中不但學(xué)習(xí)了新知識，同時了解相關(guān)產(chǎn)業(yè)的最新發(fā)展?fàn)顩r，達(dá)到產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人的目的。

“虛擬樣機技術(shù)”是利用計算機仿真手段來優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計，通過對產(chǎn)品的建模、動力學(xué)仿真、控制系統(tǒng)與機械系統(tǒng)的聯(lián)合仿真來提高產(chǎn)品的研發(fā)速度，在產(chǎn)品研發(fā)過程中節(jié)省了大量的人力和物力資源。在我校課程體系設(shè)置中，把“虛擬樣機技術(shù)”作為現(xiàn)代設(shè)計方法課程的一個分支課程，該課程是面向機械工程學(xué)院機械制造及其自動化專業(yè)大四學(xué)生開設(shè)的一門專業(yè)必修課，目標(biāo)是教授學(xué)生利用虛擬樣機技術(shù)提升產(chǎn)品的設(shè)計能力，結(jié)合典型的虛擬樣機軟件ADAMS 教授學(xué)生將傳統(tǒng)的設(shè)計計算過程轉(zhuǎn)移到虛擬樣機建模軟件中，對虛擬樣機模型進(jìn)行運動仿真以及查看仿真結(jié)果，并且結(jié)合優(yōu)化理論講授產(chǎn)品在虛擬樣機軟件中的優(yōu)化方法，為學(xué)生開展畢業(yè)設(shè)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(shù)”課程教學(xué)現(xiàn)狀

我校的機械制造及其自動化專業(yè)是江蘇省重點專業(yè)，該課程包括優(yōu)化設(shè)計、有限元分析和虛擬樣機技術(shù)三部分，其中虛擬樣機技術(shù)安排15 個課時，在這15 個課時內(nèi)把虛擬樣機技術(shù)講透徹對教師來講是一個挑戰(zhàn)，因此必須要做好充足準(zhǔn)備，合理規(guī)劃授課內(nèi)容。在對2016 級學(xué)生進(jìn)行“虛擬樣機技術(shù)”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(chǎn)生背景、虛擬樣機技術(shù)涉及的運動學(xué)、動力學(xué)理論知識以及相關(guān)數(shù)值求解方法，同時選用一款典型的虛擬樣機軟件ADAMS[2]進(jìn)行講解，軟件講解結(jié)合PPT 課件和現(xiàn)場操作演示，向?qū)W生介紹ADAMS 的功能、基本操作方法與操作技巧。課堂講授結(jié)束以后，安排學(xué)生上機實踐，上機以學(xué)生操作為主，教師負(fù)責(zé)答疑。在指導(dǎo)2016 級學(xué)生畢業(yè)設(shè)計以及畢業(yè)設(shè)計答辯環(huán)節(jié)中發(fā)現(xiàn)：部分學(xué)生在畢業(yè)環(huán)節(jié)中，并不能有效應(yīng)用ADAMS 軟件對復(fù)雜機械產(chǎn)品進(jìn)行虛擬樣機建模與仿真分析，通過對學(xué)生訪談以及對教學(xué)方法的反思，總結(jié)2016 級“虛擬樣機技術(shù)”教學(xué)方法存在以下問題：

（1）課堂教學(xué)過程中的理論講解過于枯燥，學(xué)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(xué)建模與求解理論知識，該部分知識主要是研究生課程學(xué)習(xí)的知識，對于本科生來講比較困難，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)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(xué)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(xué)生在課堂沒有得到及時訓(xùn)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(jīng)遺忘很多。課堂教授過程中，教師通過投影給學(xué)生演示ADMAS 軟件操作過程，學(xué)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(jìn)行簡單示例的演示操作，示例之間不具有系統(tǒng)性、連貫性，學(xué)生學(xué)完以后不能將所學(xué)知識點串在一起，還不能解決具體工程實例。

以上問題導(dǎo)致學(xué)生“虛擬樣機技術(shù)”課程學(xué)習(xí)成效低、拓展應(yīng)用能力差，無法滿足新經(jīng)濟、新產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求。新工科對工程教育的指導(dǎo)思想是為新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)、新模式的發(fā)展提供支撐服務(wù)，落實以學(xué)生為中心的理念，增強師生互動[3]。2016 級采用的教學(xué)方法已無法滿足新工科對人才的培養(yǎng)要求。因此，需要結(jié)合新工科對人才培養(yǎng)的要求以及提升學(xué)生學(xué)習(xí)成效等要求，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和方法上對“虛擬樣機技術(shù)”課程進(jìn)行教學(xué)改革和探索。

2 “虛擬樣機技術(shù)”課程項目化改革探索

為提升教學(xué)成效，滿足新工科人才培養(yǎng)要求，在對2017 級學(xué)生進(jìn)行“虛擬樣機技術(shù)”課程教學(xué)時，進(jìn)行項目化教學(xué)改革探索，通過對虛擬樣機技術(shù)知識點的重新梳理與分類，將知識點融入設(shè)計的系統(tǒng)化項目中，學(xué)生通過項目不斷學(xué)習(xí)新知識點，通過項目化教學(xué)方式，極大了提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，學(xué)生通過系統(tǒng)化學(xué)習(xí)，提升解決工程實際問題的能力。

2.1 教學(xué)內(nèi)容改革

本次教學(xué)內(nèi)容改革將虛擬樣機技術(shù)知識點進(jìn)行通盤設(shè)計，各知識點均融合到具體的教學(xué)案例中，通過教學(xué)案例的講授，把各個知識點傳授給學(xué)生。對教學(xué)內(nèi)容的安排做了大調(diào)整，教學(xué)內(nèi)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(shè)置4 個）。工程案例主要來自個人縱向研究課題、企業(yè)橫向技術(shù)課題、校企合作課題和學(xué)生機械設(shè)計課程實踐等內(nèi)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(yè)機器人（如圖1(b)所示）。對于工程案例的設(shè)計，一般包含相同知識點的工程案例設(shè)計兩個，一個為教師課堂講授，另外一個作為學(xué)生上機練習(xí)，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(dǎo)入與剛體動力學(xué)仿真分析；（2）行星探測車桅桿柔性化及模型柔性動力學(xué)仿真；（3）運用設(shè)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(wěn)定性分析及優(yōu)化設(shè)計。工業(yè)機器人這個一級項目，可分解為以下4 個二級項目：（1）工業(yè)機器人模型導(dǎo)入與剛體動力學(xué)仿真分析；（2）工業(yè)機器人大臂柔性化及剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真分析；（3）運用設(shè)計變量分析工業(yè)機器人末端搬運重物質(zhì)量與各關(guān)節(jié)所需力矩間關(guān)系；（4）工業(yè)機器人的軌跡規(guī)劃與末端執(zhí)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(xué)生上機練習(xí)案例。對于項目的安排，學(xué)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(fù)責(zé)一個二級項目，將小組每位成員完成的二級項目進(jìn)行綜合形成一個完整的一級項目。通過項目、小組的形式進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計，極大地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)虛擬樣機技術(shù)的興趣，同時提升學(xué)生的團隊合作能力，每位學(xué)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(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，為后續(xù)畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)虛擬樣機技術(shù)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。對于課程綜合實踐中設(shè)計的電動葫蘆三級減速器這個一級項目，學(xué)生不僅能體驗到對自己設(shè)計的電動葫蘆產(chǎn)品進(jìn)行虛擬樣機建模仿真過程，更能體會到虛擬樣機設(shè)計與前期手工計算的不同之處，深刻理解虛擬樣機技術(shù)的特點與優(yōu)勢。

2.2 教學(xué)方法改革

以往“虛擬樣機技術(shù)”教學(xué)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(xué)生課外時間，采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法[5]，教師事先將對應(yīng)的工程案例講解通過錄制視頻的方式上傳到學(xué)校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，學(xué)生課前觀看教師準(zhǔn)備的示例項目教學(xué)視頻以及預(yù)習(xí)各小組項目案例任務(wù)書，完成課前自主學(xué)習(xí)，網(wǎng)絡(luò)后臺記錄每位學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)的時間。課堂上以學(xué)生為中心，教師負(fù)責(zé)現(xiàn)場指導(dǎo)與答疑，學(xué)生按照課前分配好的項目任務(wù)書，上機操作完成各自的二級項目任務(wù)，學(xué)生在完成各自二級項目任務(wù)過程中，要與小組其他成員進(jìn)行討論交流，最后匯總完成的一級項目。課堂翻轉(zhuǎn)法進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)虛擬樣機技術(shù)的過程更加靈活、主動，每位學(xué)生的參與度進(jìn)一步提升，學(xué)生通過實踐獲得知識，提升學(xué)習(xí)的自信心。

2.3 課程考核方式改革

以往“虛擬樣機技術(shù)”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(yè)占20%。對課程內(nèi)容、教學(xué)方法進(jìn)行改革以后，對考核方式也進(jìn)行了調(diào)整，課程考核方式分為小組得分、個人得分、組內(nèi)互評得分，其中小組得分占40%、個人得分占30%、組內(nèi)互評得分占30%。小組得分評分依據(jù)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(xiàn)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(nèi)互評是小組成員根據(jù)每個人的組內(nèi)貢獻(xiàn)度，經(jīng)過集體商議確定每位成員得分，并且需要集體簽字確認(rèn)[6]。

2.4 持續(xù)跟蹤與改進(jìn)

“虛擬樣機技術(shù)”課程結(jié)束以后，下一學(xué)期學(xué)生便開展畢業(yè)設(shè)計，在學(xué)生畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)過程中，對部分學(xué)生進(jìn)行訪談，了解其上學(xué)期“虛擬樣機技術(shù)”學(xué)習(xí)情況與掌握情況，根據(jù)學(xué)生反饋情況持續(xù)改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法，從而達(dá)到新工科對人才培養(yǎng)的要求。

3 結(jié)語

通過“虛擬樣機技術(shù)”課程項目化教學(xué)的實施，激發(fā)學(xué)生對本課程的學(xué)習(xí)興趣，通過設(shè)置一級項目、二級項目的案例化教學(xué)，學(xué)生不僅可以學(xué)習(xí)到虛擬樣機基礎(chǔ)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(xué)生的團隊合作能力，提升了學(xué)生畢業(yè)設(shè)計過程中運用虛擬樣機技術(shù)的能力和運用所學(xué)知識解決復(fù)雜機械工程問題的能力，提升學(xué)生后續(xù)就業(yè)的核心競爭力。