新工科背景下“虚拟样机技术”项目化教学研究

孙小肖，孙小玉，许江涛

（1.南京工程学院机械工程学院，江苏南京 211167；2.连云港开放大学，江苏连云港 222006）

为主动应对新一轮科技革命与产业变革，教育部推出新工科建设，积极探索工程创新人才培养方案，助力高等教育强国建设[1]。新工科建设将地方经济和产业发展需求引入教育体系，更加关注对学生实践能力的培养，注重理论与实践相融合的授课理念，将产业发展过程中形成的新技术、新方法引入课程，鼓励高校教师与企业进行产学研合作，利用企业资源形成大量教学案例库，并将教学知识点整合到案例中，教师授课过程中结合案例库讲授，学生在课程学习过程中不但学习了新知识，同时了解相关产业的最新发展状况，达到产学合作协同育人的目的。

“虚拟样机技术”是利用计算机仿真手段来优化产品的设计，通过对产品的建模、动力学仿真、控制系统与机械系统的联合仿真来提高产品的研发速度，在产品研发过程中节省了大量的人力和物力资源。在我校课程体系设置中，把“虚拟样机技术”作为现代设计方法课程的一个分支课程，该课程是面向机械工程学院机械制造及其自动化专业大四学生开设的一门专业必修课，目标是教授学生利用虚拟样机技术提升产品的设计能力，结合典型的虚拟样机软件ADAMS 教授学生将传统的设计计算过程转移到虚拟样机建模软件中，对虚拟样机模型进行运动仿真以及查看仿真结果，并且结合优化理论讲授产品在虚拟样机软件中的优化方法，为学生开展毕业设计及以后走向工作岗位提供了重要的工程技能。

1 “虚拟样机技术”课程教学现状

我校的机械制造及其自动化专业是江苏省重点专业，该课程包括优化设计、有限元分析和虚拟样机技术三部分，其中虚拟样机技术安排15 个课时，在这15 个课时内把虚拟样机技术讲透彻对教师来讲是一个挑战，因此必须要做好充足准备，合理规划授课内容。在对2016 级学生进行“虚拟样机技术”课程讲授的过程中，主要包括课堂讲授和上机两部分，课堂讲授主要讲解虚拟样机产生背景、虚拟样机技术涉及的运动学、动力学理论知识以及相关数值求解方法，同时选用一款典型的虚拟样机软件ADAMS[2]进行讲解，软件讲解结合PPT 课件和现场操作演示，向学生介绍ADAMS 的功能、基本操作方法与操作技巧。课堂讲授结束以后，安排学生上机实践，上机以学生操作为主，教师负责答疑。在指导2016 级学生毕业设计以及毕业设计答辩环节中发现：部分学生在毕业环节中，并不能有效应用ADAMS 软件对复杂机械产品进行虚拟样机建模与仿真分析，通过对学生访谈以及对教学方法的反思，总结2016 级“虚拟样机技术”教学方法存在以下问题：

（1）课堂教学过程中的理论讲解过于枯燥，学生消化吸收效果差。课堂讲授的理论知识主要是多体动力学建模与求解理论知识，该部分知识主要是研究生课程学习的知识，对于本科生来讲比较困难，导致学生学习积极性减弱，对课程讲授理论知识的吸收效果较差。

（2）课堂教学过程中讲授ADAMS 软件的功能和基本操作方法，由于课时限制，学生在课堂没有得到及时训练，课下又没有及时上机实践，等上机实验时，软件操作步骤已经遗忘很多。课堂教授过程中，教师通过投影给学生演示ADMAS 软件操作过程，学生没有足够时间跟随教师一起操作，因此并不能在课堂上及时掌握ADAMS 的操作过程。

（3）课堂讲授的案例过于简单，只是针对某项功能进行简单示例的演示操作，示例之间不具有系统性、连贯性，学生学完以后不能将所学知识点串在一起，还不能解决具体工程实例。

以上问题导致学生“虚拟样机技术”课程学习成效低、拓展应用能力差，无法满足新经济、新产业发展的需求。新工科对工程教育的指导思想是为新技术、新业态、新产业、新模式的发展提供支撑服务，落实以学生为中心的理念，增强师生互动[3]。2016 级采用的教学方法已无法满足新工科对人才的培养要求。因此，需要结合新工科对人才培养的要求以及提升学生学习成效等要求，在教学内容、教学方式和方法上对“虚拟样机技术”课程进行教学改革和探索。

2 “虚拟样机技术”课程项目化改革探索

为提升教学成效，满足新工科人才培养要求，在对2017 级学生进行“虚拟样机技术”课程教学时，进行项目化教学改革探索，通过对虚拟样机技术知识点的重新梳理与分类，将知识点融入设计的系统化项目中，学生通过项目不断学习新知识点，通过项目化教学方式，极大了提升学生学习的积极性，学生通过系统化学习，提升解决工程实际问题的能力。

2.1 教学内容改革

本次教学内容改革将虚拟样机技术知识点进行通盘设计，各知识点均融合到具体的教学案例中，通过教学案例的讲授，把各个知识点传授给学生。对教学内容的安排做了大调整，教学内容以项目1、项目2等一级项目形式安排，每个一级项目是一个完整的工程案例，每个工程案例分布不同知识点，若干个知识点组成一个二级项目，即每个一级项目由多个二级项目组成（一般设置4 个）。工程案例主要来自个人纵向研究课题、企业横向技术课题、校企合作课题和学生机械设计课程实践等内容，如个人纵向课题研究的行星探测车（如图1(a)所示），个人横向课题中的工业机器人（如图1(b)所示）。对于工程案例的设计，一般包含相同知识点的工程案例设计两个，一个为教师课堂讲授，另外一个作为学生上机练习，以巩固知识点。每个一级项目又划分为若干个二级项目，比如行星探测车这个一级项目[4]，可分解为以下4 个二级项目：（1）行星探测车模型导入与刚体动力学仿真分析；（2）行星探测车桅杆柔性化及模型柔性动力学仿真；（3）运用设计变量分析行星探测车桅杆一直保持垂直所需要的最小力矩；（4）行星探测车跨越障碍物稳定性分析及优化设计。工业机器人这个一级项目，可分解为以下4 个二级项目：（1）工业机器人模型导入与刚体动力学仿真分析；（2）工业机器人大臂柔性化及刚柔耦合动力学仿真分析；（3）运用设计变量分析工业机器人末端搬运重物质量与各关节所需力矩间关系；（4）工业机器人的轨迹规划与末端执行器写字操作。这两个项目包含知识点基本相同，教师在课堂讲授其中一个项目的操作流程，另外一个项目作为学生上机练习案例。对于项目的安排，学生通过分组方式共同完成，每个小组完成一个一级项目，小组每位成员负责一个二级项目，将小组每位成员完成的二级项目进行综合形成一个完整的一级项目。通过项目、小组的形式进行教学内容的设计，极大地激发学生学习虚拟样机技术的兴趣，同时提升学生的团队合作能力，每位学生都积极参与完整工程案例虚拟样机建模求解过程，极大提升学生解决复杂工程问题的能力，为后续毕业设计环节虚拟样机技术的应用奠定基础。对于课程综合实践中设计的电动葫芦三级减速器这个一级项目，学生不仅能体验到对自己设计的电动葫芦产品进行虚拟样机建模仿真过程，更能体会到虚拟样机设计与前期手工计算的不同之处，深刻理解虚拟样机技术的特点与优势。

2.2 教学方法改革

以往“虚拟样机技术”教学方法以教师课堂讲授为主，考虑课时有限，改革之后充分利用学生课外时间，采用翻转课堂教学方法[5]，教师事先将对应的工程案例讲解通过录制视频的方式上传到学校网络教学平台，学生课前观看教师准备的示例项目教学视频以及预习各小组项目案例任务书，完成课前自主学习，网络后台记录每位学生课前自主学习的时间。课堂上以学生为中心，教师负责现场指导与答疑，学生按照课前分配好的项目任务书，上机操作完成各自的二级项目任务，学生在完成各自二级项目任务过程中，要与小组其他成员进行讨论交流，最后汇总完成的一级项目。课堂翻转法进行教学，学生学习虚拟样机技术的过程更加灵活、主动，每位学生的参与度进一步提升，学生通过实践获得知识，提升学习的自信心。

2.3 课程考核方式改革

以往“虚拟样机技术”课程的考核主要是期末考试和上机报告，其中期末考试占60%，上机占20%，大作业占20%。对课程内容、教学方法进行改革以后，对考核方式也进行了调整，课程考核方式分为小组得分、个人得分、组内互评得分，其中小组得分占40%、个人得分占30%、组内互评得分占30%。小组得分评分依据为整个小组完成一级项目的情况，分为完美完成、较好完成、基本完成、较差完成、未完成5 个等级；个人得分主要包括个人答辩表现及二级项目完成情况，分为很好、较好、一般、较差、很差5 个等级；组内互评是小组成员根据每个人的组内贡献度，经过集体商议确定每位成员得分，并且需要集体签字确认[6]。

2.4 持续跟踪与改进

“虚拟样机技术”课程结束以后，下一学期学生便开展毕业设计，在学生毕业设计指导过程中，对部分学生进行访谈，了解其上学期“虚拟样机技术”学习情况与掌握情况，根据学生反馈情况持续改进教学内容、教学方法，从而达到新工科对人才培养的要求。

3 结语

通过“虚拟样机技术”课程项目化教学的实施，激发学生对本课程的学习兴趣，通过设置一级项目、二级项目的案例化教学，学生不仅可以学习到虚拟样机基础知识、虚拟样机软件的操作方法以及典型工程案例解决方法，同时提高学生的团队合作能力，提升了学生毕业设计过程中运用虚拟样机技术的能力和运用所学知识解决复杂机械工程问题的能力，提升学生后续就业的核心竞争力。