機械設(shè)計課程設(shè)計虛實融合的教學(xué)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(xué)a.機械與航空航天工程學(xué)院；b.機械基礎(chǔ)國家級實驗教學(xué)示范中心（吉林大學(xué)）；c.機械虛擬仿真國家級實驗教學(xué)中心（吉林大學(xué)），長春 130025）

0 引 言

2020 年新型冠狀病毒疫情全球性大爆發(fā)，導(dǎo)致高等工程教育領(lǐng)域的教學(xué)秩序與傳統(tǒng)格局發(fā)生巨大改變。高等工程教育是建設(shè)現(xiàn)代化制造強國的重要根基，如何培養(yǎng)高質(zhì)量一流工程技術(shù)人才是當(dāng)代高等工程教育與新工科建設(shè)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(jù)習(xí)近平總書記關(guān)于堅決打贏疫情防控阻擊戰(zhàn)的重要指示精神和教育部《關(guān)于在疫情防控期間做好普通高等學(xué)校在線教學(xué)組織與管理工作的指導(dǎo)意見》，教育部提出“停課不停學(xué)，停課不停教”的要求，全國高校迅速響應(yīng)并組織教師啟動線上教學(xué)模式，以確保教學(xué)工作順利開展［7-8］。作為一種開放式的教育教學(xué)理念，線上教學(xué)突破了時空的限制，打破了傳統(tǒng)課堂教學(xué)的模式，推動新的高等工程教育格局與生態(tài)逐步地走向多維度、多元化的深度融合［9-10］。隨著數(shù)字化、信息化、智能化社會需求的發(fā)展以及我國疫情防控工作的常態(tài)化布局，線上教學(xué)在高等工程教育領(lǐng)域的應(yīng)用是必不可少且大勢所趨，線上線下混合教學(xué)將成為后疫情時代的主流教學(xué)模式［11-12］。

機械設(shè)計課程是機械類和近機械類專業(yè)學(xué)生必修的一門實踐性課程，在工學(xué)專業(yè)課程教學(xué)體系建設(shè)中起到承上啟下的關(guān)鍵作用，對于培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計意識和獨立分析、解決復(fù)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(shè)”理念的提出，新時代機械制造業(yè)對數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、綠色化和信息化技術(shù)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(yǎng)的培養(yǎng)需求不斷攀升，對機械設(shè)計課程設(shè)計的教學(xué)內(nèi)容改革與方法創(chuàng)新提出了更高的新要求［14-15］。

1 疫情期間課程設(shè)計教學(xué)問題

隨著疫情狀態(tài)變化，在不同時期下教學(xué)環(huán)境、教學(xué)活動、師生意識形態(tài)都在發(fā)生變化，但是，對于高等工程教育培養(yǎng)一流工程技術(shù)人才的教育目標(biāo)及教學(xué)理念是明確的，只是實現(xiàn)目標(biāo)的教學(xué)改革途徑與方法需要適時調(diào)整與即時變化。

（1）疫情前期。課程設(shè)計采用3 周課堂集中學(xué)時開展線下教學(xué)，教學(xué)環(huán)境固定為傳統(tǒng)設(shè)計教室。教師主導(dǎo)整個教學(xué)過程，布置傳統(tǒng)設(shè)計題目、內(nèi)容并提出具體且明確的要求。作為學(xué)習(xí)主體的學(xué)生普遍只注重傳統(tǒng)齒輪減速器理論知識學(xué)習(xí)，對減速器裝置內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)、零件制造、裝配工藝等內(nèi)容認識不足，缺乏對齒輪傳動系統(tǒng)動態(tài)工作過程的感性認識，針對工程訓(xùn)練和課程思政這兩個教學(xué)環(huán)節(jié)的投入明顯不足，學(xué)生大量的時間和精力主要集中在參數(shù)計算、手工繪圖環(huán)節(jié)，且設(shè)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(shè)計的棘手問題，學(xué)生難以建立理論計算與工程設(shè)計之間的有效關(guān)聯(lián)。傳統(tǒng)的培養(yǎng)模式已經(jīng)無法滿足當(dāng)今高等工程教育和新工科對工程設(shè)計人才培養(yǎng)的要求。

（2）疫情期間。課程設(shè)計從原本線下實體課堂教學(xué)環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)槿烤€上的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境，整體學(xué)時仍為3 周時間。由于教學(xué)環(huán)境因素發(fā)生改變，勢必引發(fā)“蝴蝶效應(yīng)”波及整個教學(xué)環(huán)節(jié)，引起教學(xué)活動呈現(xiàn)明顯的時空分離特征，將直接導(dǎo)致教學(xué)活動參與者師生角色及行為、教學(xué)規(guī)則及形態(tài)發(fā)生驟變。線上教學(xué)更加注重學(xué)生的自主性和個性化學(xué)習(xí)，教師側(cè)重引導(dǎo)學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺、優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)教育資源及移動學(xué)習(xí)終端等工具的合理使用顯得尤為重要。雖然線上教學(xué)突破了時空限制，其教學(xué)形式與方法更加靈活多變，同時網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)能夠幫助學(xué)生獲取更多的教學(xué)資源，但是，教學(xué)過程中師生面對面溝通與交流環(huán)節(jié)缺失，線上虛擬教學(xué)環(huán)境無形中構(gòu)筑了師生之間無法突破的情感壁壘。另外，實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)缺失將導(dǎo)致學(xué)生無法切身體會產(chǎn)品設(shè)計的真實感。與此同時，也存在網(wǎng)絡(luò)課堂教學(xué)秩序難保證、學(xué)生自主學(xué)習(xí)過程難監(jiān)督、學(xué)情狀態(tài)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(shè)計課程設(shè)計教學(xué)質(zhì)量的提升。

（3）疫情后期。課程設(shè)計整體學(xué)時改變?yōu)? 周，由2 周線上教學(xué)分散學(xué)時和2 周線下課堂集中學(xué)時組成。其中1 周分散學(xué)時直接融入機械設(shè)計課程教學(xué)環(huán)節(jié)，在理論課程學(xué)習(xí)進程中提前布置課程設(shè)計前期內(nèi)容，要求學(xué)生初步完成方案擬定、參數(shù)計算、虛擬拆裝與草圖設(shè)計，這樣安排不僅有利于強化學(xué)生對基礎(chǔ)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(fù)性工作內(nèi)容，使學(xué)生能夠集中時間和精力在2 周線下課堂教學(xué)階段，充分利用數(shù)字化、信息化、智能化手段，完成創(chuàng)新性和應(yīng)用性較強的齒輪減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化內(nèi)容。疫情后期，教學(xué)環(huán)境逐漸走向線上虛擬教學(xué)環(huán)境與線下課堂實體教學(xué)環(huán)境的深度融合，精準(zhǔn)教學(xué)活動目的實現(xiàn)的途徑與方法得到了極大的拓展與延伸。但是，只有當(dāng)教學(xué)活動參與者師生之間教與學(xué)的雙向動態(tài)耦合行為在線上虛擬和線下實體的教學(xué)環(huán)境中實現(xiàn)無縫銜接與快速切換，才可以充分地彰顯兩種教學(xué)環(huán)境下各自的優(yōu)勢，降低兩種教學(xué)環(huán)境的客觀缺陷所帶來的消極影響，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)、高效、智能教學(xué)效益的最大化。如何構(gòu)建合理有效的線上線下混合教學(xué)模式、建立虛實環(huán)境深度融合的完整教學(xué)體系，以達成培養(yǎng)學(xué)生符合社會發(fā)展和信息化時代要求的工程設(shè)計能力及其核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)，仍然是一個亟需深度反思的關(guān)鍵問題。

2 改革舉措

2.1 構(gòu)建虛實結(jié)合的線上線下混合教學(xué)模式

依托我校國家工科機械基礎(chǔ)課程教學(xué)基地、國家級機械基礎(chǔ)實驗教學(xué)示范中心、國家級機械虛擬仿真實驗教學(xué)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(xué)科，以國家級一流本科課程機械設(shè)計A為載體，以機械設(shè)計省級優(yōu)秀教學(xué)團隊為支撐，基于學(xué)校學(xué)堂在線和課程中心網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，建立具有我校本土特色的機械設(shè)計課程設(shè)計網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)資源，實現(xiàn)數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)資源的開放與共享，拓展課程內(nèi)容的教學(xué)空間，滿足學(xué)生個性化學(xué)習(xí)、自主實驗和創(chuàng)新實踐的強烈需求，學(xué)生可以隨時隨地通過學(xué)習(xí)移動終端進入課程平臺開展線上學(xué)習(xí)。以加強網(wǎng)絡(luò)資源平臺建設(shè)和“線下為主，線上為輔，以實為主，以虛為輔”的教學(xué)改革思想為指導(dǎo)，創(chuàng)建“線上線下、虛實結(jié)合”理念的創(chuàng)新型混合教學(xué)模式，教學(xué)體系構(gòu)建及思路如圖1 所示。

圖1 混合教學(xué)體系構(gòu)建與教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)

根據(jù)學(xué)校新版教學(xué)大綱要求，機械設(shè)計課程設(shè)計實踐教學(xué)環(huán)節(jié)整體學(xué)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(shè)計課程學(xué)習(xí)進程，適時將課程設(shè)計任務(wù)通過線上形式提前布置，學(xué)生通過前期調(diào)研完成整機系統(tǒng)方案認知與擬定，輔以虛擬現(xiàn)實手段幫助學(xué)生建立零件與系統(tǒng)、局部與整體的耦合設(shè)計關(guān)系，這樣不僅能夠鞏固學(xué)生理論課程基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)，而且能夠固化學(xué)生站在整機系統(tǒng)角度進行零件設(shè)計的思維觀念，強化學(xué)生自主學(xué)習(xí)和工程設(shè)計意識的培養(yǎng)。課中階段，通過實驗樣機拆裝、參數(shù)實測及工程訓(xùn)練中心參觀，強化學(xué)生的工程訓(xùn)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(shè)計發(fā)展史等思政元素，將課程思政潛移默化地移植到線下教學(xué)環(huán)節(jié)，提升學(xué)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(tǒng)手繪草圖工作量，通過三維建模軟件（CATIA）調(diào)用零件模型數(shù)據(jù)庫，編輯修改數(shù)據(jù)庫模型幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)以滿足設(shè)計要求，實現(xiàn)齒輪減速器智能化的裝配設(shè)計。課后階段，以師生互動答疑為主，強化學(xué)生利用數(shù)字化、信息化技術(shù)手段及軟件工具開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化與參數(shù)調(diào)整，通過動靜態(tài)虛擬仿真完成齒輪傳動系統(tǒng)綜合性能分析，總結(jié)歸納并輸出技術(shù)報告，強化訓(xùn)練學(xué)生自主創(chuàng)新設(shè)計與工程應(yīng)用的能力。

2.2 建立理論面向工程的虛實融合實驗教學(xué)平臺

基于當(dāng)代大學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣和自身特點，以激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、點燃學(xué)習(xí)激情為導(dǎo)向，遵循“系統(tǒng)性、層次性、工程性、交互性”和“以實為本、虛實結(jié)合、能實不虛”的教學(xué)原則，綜合運用虛擬現(xiàn)實、云網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫以及人機交互等先進技術(shù)手段，從工程實際應(yīng)用的角度出發(fā)，針對傳統(tǒng)減速器與新型減速器實際產(chǎn)品，開發(fā)虛擬環(huán)境下的實驗內(nèi)容與操作技術(shù)，構(gòu)建形象逼真的齒輪減速器虛擬實驗對象和虛擬環(huán)境下可視化實驗教學(xué)平臺，良好的操作環(huán)境使學(xué)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(xué)平臺

為了體現(xiàn)實驗真實性，建立原動機、齒輪減速器傳動裝置與執(zhí)行機構(gòu)組成的機械系統(tǒng)，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(xué)生可以直接觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及齒輪嚙合運轉(zhuǎn)情況，輔以虛擬仿真實驗并結(jié)合教師推送的減速器潤滑視頻，幫助學(xué)生充分地認識整個潤滑過程并加深理解密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點。通過構(gòu)建齒輪減速器虛擬實驗教學(xué)平臺，基于動態(tài)可視化虛擬樣機和真實樣機拆裝測繪的實驗訓(xùn)練，加強學(xué)生對齒輪減速器結(jié)構(gòu)、裝配關(guān)系、潤滑特點和工作進程的認識，強化學(xué)生工程設(shè)計意識的培養(yǎng)，如圖3 所示。

圖3 真實樣機拆裝實驗教學(xué)平臺

2.3 數(shù)字化設(shè)計、建模與性能仿真優(yōu)化

為了降低傳統(tǒng)課程設(shè)計中繁雜性計算、重復(fù)性設(shè)計、純手工繪圖等環(huán)節(jié)所占據(jù)的大量工作時間，使學(xué)生能夠集中精力在有限學(xué)時內(nèi)高質(zhì)量地完成方案優(yōu)選與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計，基于構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)平臺與實驗教學(xué)平臺，應(yīng)用三維建模軟件（CATIA），建立實時更新設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)規(guī)范的集成化三維零件模型數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫涵蓋各種齒輪減速器傳動裝置所需的全部參數(shù)化、可編輯的三維零件模型，所有的零件模型均可以在教學(xué)網(wǎng)站上下載，且能夠自行編輯修改，如圖4 所示。通過調(diào)用齒輪減速器模型數(shù)據(jù)庫，建立結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)動態(tài)可調(diào)的數(shù)字化三維模型，實現(xiàn)設(shè)計方案快速建模。

圖4 零件模型數(shù)據(jù)庫及參數(shù)化建模

為了分析齒輪傳動裝置中零部件裝配方式及相關(guān)設(shè)計參數(shù)選擇對傳動系統(tǒng)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(tài)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(xiàn)象，定性地分析齒輪時變嚙合剛度、齒面?zhèn)认?、軸的剛度和軸承游隙等參數(shù)對齒輪傳動系統(tǒng)綜合性能的影響程度，闡明造成傳動軸旋轉(zhuǎn)精度降低和傳動系統(tǒng)振動的原因，提出降減振動、提升傳動性能的優(yōu)化方案，如圖5 所示。引入?yún)?shù)化建模、性能仿真優(yōu)化的教學(xué)內(nèi)容，旨在培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、創(chuàng)新設(shè)計理念與工程設(shè)計意識，以滿足數(shù)字化、信息化和智能化技術(shù)時代背景下高等工程教育對機械設(shè)計人才的需求。

圖5 減速器傳動系統(tǒng)性能仿真分析

3 結(jié) 語

基于“以實為主，以虛為輔，線下為主，線上為輔”的教學(xué)理念，構(gòu)建“線上線下、虛實結(jié)合”的創(chuàng)新型混合教學(xué)模式，將機械設(shè)計課程設(shè)計教學(xué)過程分為“課前分散、課中集中、課下分散”3 個密切關(guān)聯(lián)、層級遞進的教學(xué)環(huán)節(jié)。以高等工程教育現(xiàn)代化機械設(shè)計人才核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)為牽引，將數(shù)字化設(shè)計、智能化建模、虛擬仿真技術(shù)引入課程教學(xué)體系，通過系統(tǒng)化、層次性、關(guān)聯(lián)性的模塊化教學(xué)設(shè)計，建立虛實融合、理論教學(xué)面向工程設(shè)計的可視化實驗教學(xué)平臺，實現(xiàn)減速器傳動系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實多方案設(shè)計、整機虛擬拆裝測繪、機構(gòu)運行狀態(tài)及潤滑過程動態(tài)可視化，加強數(shù)字化、信息化、智能化設(shè)計方法在虛擬仿真教學(xué)中的應(yīng)用，強化學(xué)生工程設(shè)計意識和解決實際工程問題能力的培養(yǎng)。