機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)虛實(shí)融合的教學(xué)模式探究與實(shí)踐

柴博森，王麗慧，寇 瑩，陳炳錕，羅彥茹

（吉林大學(xué)a.機(jī)械與航空航天工程學(xué)院；b.機(jī)械基礎(chǔ)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（吉林大學(xué)）；c.機(jī)械虛擬仿真國家級實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(diǎn)解決的核心命題［1-6］。面對嚴(yán)峻的新冠疫情，根據(jù)習(xí)近平總書記關(guān)于堅(jiān)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(shí)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(shí)代的主流教學(xué)模式［11-12］。

機(jī)械設(shè)計(jì)課程是機(jī)械類和近機(jī)械類專業(yè)學(xué)生必修的一門實(shí)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(jì)意識和獨(dú)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(shí)代機(jī)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(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)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(jì)教學(xué)問題

隨著疫情狀態(tài)變化，在不同時(shí)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(shí)現(xiàn)目標(biāo)的教學(xué)改革途徑與方法需要適時(shí)調(diào)整與即時(shí)變化。

（1）疫情前期。課程設(shè)計(jì)采用3 周課堂集中學(xué)時(shí)開展線下教學(xué)，教學(xué)環(huán)境固定為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)教室。教師主導(dǎo)整個(gè)教學(xué)過程，布置傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(rèn)識不足，缺乏對齒輪傳動系統(tǒng)動態(tài)工作過程的感性認(rèn)識，針對工程訓(xùn)練和課程思政這兩個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的投入明顯不足，學(xué)生大量的時(shí)間和精力主要集中在參數(shù)計(jì)算、手工繪圖環(huán)節(jié)，且設(shè)計(jì)過程嚴(yán)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(jì)的棘手問題，學(xué)生難以建立理論計(jì)算與工程設(shè)計(jì)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(jì)人才培養(yǎng)的要求。

（2）疫情期間。課程設(shè)計(jì)從原本線下實(shí)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(shí)仍為3 周時(shí)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(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，引起教學(xué)活動呈現(xiàn)明顯的時(shí)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(gè)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(shí)空限制，其教學(xué)形式與方法更加靈活多變，同時(shí)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(shí)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(jì)的真實(shí)感。與此同時(shí)，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(shí)施等短板問題，這將嚴(yán)重地制約新工科背景下機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)教學(xué)質(zhì)量的提升。

（3）疫情后期。課程設(shè)計(jì)整體學(xué)時(shí)改變?yōu)? 周，由2 周線上教學(xué)分散學(xué)時(shí)和2 周線下課堂集中學(xué)時(shí)組成。其中1 周分散學(xué)時(shí)直接融入機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)環(huán)節(jié)，在理論課程學(xué)習(xí)進(jìn)程中提前布置課程設(shè)計(jì)前期內(nèi)容，要求學(xué)生初步完成方案擬定、參數(shù)計(jì)算、虛擬拆裝與草圖設(shè)計(jì)，這樣安排不僅有利于強(qiáng)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(jì)算、驗(yàn)算等重復(fù)性工作內(nèi)容，使學(xué)生能夠集中時(shí)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(qiáng)的齒輪減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)體教學(xué)環(huán)境的深度融合，精準(zhǔn)教學(xué)活動目的實(shí)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(shí)體的教學(xué)環(huán)境中實(shí)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(shí)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(shí)環(huán)境深度融合的完整教學(xué)體系，以達(dá)成培養(yǎng)學(xué)生符合社會發(fā)展和信息化時(shí)代要求的工程設(shè)計(jì)能力及其核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)，仍然是一個(gè)亟需深度反思的關(guān)鍵問題。

2 改革舉措

2.1 構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的線上線下混合教學(xué)模式

依托我校國家工科機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)基地、國家級機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、國家級機(jī)械虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、國家級工程實(shí)踐教育中心和國家機(jī)械工程一級重點(diǎn)學(xué)科，以國家級一流本科課程機(jī)械設(shè)計(jì)A為載體，以機(jī)械設(shè)計(jì)省級優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)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(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)資源，實(shí)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(gè)性化學(xué)習(xí)、自主實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐的強(qiáng)烈需求，學(xué)生可以隨時(shí)隨地通過學(xué)習(xí)移動終端進(jìn)入課程平臺開展線上學(xué)習(xí)。以加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)資源平臺建設(shè)和“線下為主，線上為輔，以實(shí)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(shí)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(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)整體學(xué)時(shí)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(gè)階段。課前階段，直接融入機(jī)械設(shè)計(jì)課程學(xué)習(xí)進(jìn)程，適時(shí)將課程設(shè)計(jì)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(jī)系統(tǒng)方案認(rèn)知與擬定，輔以虛擬現(xiàn)實(shí)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(jì)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(jī)系統(tǒng)角度進(jìn)行零件設(shè)計(jì)的思維觀念，強(qiáng)化學(xué)生自主學(xué)習(xí)和工程設(shè)計(jì)意識的培養(yǎng)。課中階段，通過實(shí)驗(yàn)樣機(jī)拆裝、參數(shù)實(shí)測及工程訓(xùn)練中心參觀，強(qiáng)化學(xué)生的工程訓(xùn)練過程，增強(qiáng)工程實(shí)踐的體會感，同時(shí)在這個(gè)階段巧妙地融入大國重器、大國工匠、機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)要求，實(shí)現(xiàn)齒輪減速器智能化的裝配設(shè)計(jì)。課后階段，以師生互動答疑為主，強(qiáng)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(bào)告，強(qiáng)化訓(xùn)練學(xué)生自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用的能力。

2.2 建立理論面向工程的虛實(shí)融合實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，以激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、點(diǎn)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(shí)為本、虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛”的教學(xué)原則，綜合運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)、云網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫以及人機(jī)交互等先進(jìn)技術(shù)手段，從工程實(shí)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(shí)際產(chǎn)品，開發(fā)虛擬環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)對象和虛擬環(huán)境下可視化實(shí)驗(yàn)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(jìn)行高效率、安全性、趣味性的工程實(shí)驗(yàn)，如圖2 所示。

圖2 齒輪減速器虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

為了體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)真實(shí)性，建立原動機(jī)、齒輪減速器傳動裝置與執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的機(jī)械系統(tǒng)，其中透明型齒輪減速器模型樣機(jī)箱體由有機(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)情況，輔以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(rèn)識整個(gè)潤滑過程并加深理解密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。通過構(gòu)建齒輪減速器虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，基于動態(tài)可視化虛擬樣機(jī)和真實(shí)樣機(jī)拆裝測繪的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，加強(qiáng)學(xué)生對齒輪減速器結(jié)構(gòu)、裝配關(guān)系、潤滑特點(diǎn)和工作進(jìn)程的認(rèn)識，強(qiáng)化學(xué)生工程設(shè)計(jì)意識的培養(yǎng)，如圖3 所示。

圖3 真實(shí)樣機(jī)拆裝實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

2.3 數(shù)字化設(shè)計(jì)、建模與性能仿真優(yōu)化

為了降低傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)中繁雜性計(jì)算、重復(fù)性設(shè)計(jì)、純手工繪圖等環(huán)節(jié)所占據(jù)的大量工作時(shí)間，使學(xué)生能夠集中精力在有限學(xué)時(shí)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(jì)，基于構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)平臺與實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，應(yīng)用三維建模軟件（CATIA），建立實(shí)時(shí)更新設(shè)計(jì)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(jì)參數(shù)動態(tài)可調(diào)的數(shù)字化三維模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)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(cuò)位的物理現(xiàn)象，定性地分析齒輪時(shí)變嚙合剛度、齒面?zhèn)认丁⑤S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(jì)理念與工程設(shè)計(jì)意識，以滿足數(shù)字化、信息化和智能化技術(shù)時(shí)代背景下高等工程教育對機(jī)械設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)結(jié)合”的創(chuàng)新型混合教學(xué)模式，將機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)教學(xué)過程分為“課前分散、課中集中、課下分散”3 個(gè)密切關(guān)聯(lián)、層級遞進(jìn)的教學(xué)環(huán)節(jié)。以高等工程教育現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)計(jì)人才核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)為牽引，將數(shù)字化設(shè)計(jì)、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(jì)，建立虛實(shí)融合、理論教學(xué)面向工程設(shè)計(jì)的可視化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，實(shí)現(xiàn)減速器傳動系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)多方案設(shè)計(jì)、整機(jī)虛擬拆裝測繪、機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)及潤滑過程動態(tài)可視化，加強(qiáng)數(shù)字化、信息化、智能化設(shè)計(jì)方法在虛擬仿真教學(xué)中的應(yīng)用，強(qiáng)化學(xué)生工程設(shè)計(jì)意識和解決實(shí)際工程問題能力的培養(yǎng)。