机械专业数值仿真类课程教学体系建设与实践

耿麒 叶敏 朱佳庆 张泽宇 张志峰 马登成

摘  要：为解决我国高等教育现阶段面临的传统陈旧的教学资源与国家高速发展对重点领域、专门人才需求之间的不匹配、不平衡间的矛盾，以培养满足时代需求的创新型人才为目标，提出关于“机械专业数值仿真类课程”的教学体系新模式。首先，结合时代发展趋势和人才培养需求，研究机械数值仿真类课程教学的现状并分析不足之处。其次，从课程认知、理解掌握和应用实践三个层面进行课程教学体系建设，并结合典型工程案例编纂课程教材。再次，从课程教学团队和课程实践基地两方面进行团队建设。最后，利用现代化信息技术，采用多软件线上线下混合教学、多元化课程考核为我国机械类人才培养提供一个新方案。同时，教学成果可供其他高校参考和借鉴，提高我国相关领域人才的培养质量。

关键词：机械；数值仿真；课程改革；人才培养；团队建设

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）30-0095-04

Abstract： In order to solve the contradiction between the traditional and obsolete teaching resources faced by China's higher education at the present stage and the mismatch and imbalance between the rapid development of the country and the demand for key areas and specialized talents， and to cultivate innovative talents to meet the needs of the times， a new teaching system model of "Numerical Simulation Course for Mechanical Specialty" is proposed. Firstly， combined with the development trend of the times and the need for talent training， the current situation of mechanical numerical simulation course teaching is studied and the shortcomings are analyzed. Secondly， the curriculum teaching system is constructed from three aspects： curriculum cognition， understanding and application practice， and the curriculum teaching materials are compiled with typical engineering cases. Then， team construction is carried out from two aspects： curriculum teaching team and curriculum practice base. Finally， using modern information technology， multi-software online and offline mixed teaching and diversified curriculum assessment provide a new scheme for the cultivation of mechanical talents in China. At the same time， the teaching results can be used for reference by other universities to improve the quality of personnel training in related fields in China.

Keywords： machinery; numerical simulation; curriculum reform; personnel training; team construction

高等教育是國家人才培养的重要组成部分，是建设学习型社会、大力提高国民素质的重要支撑。然而当下，高等继续教育的教学效果不甚理想，无效供给普遍存在，造成这种困境的一个重要原因是传统陈旧的教学资源与国家高速发展对重点领域、专门人才需求之间的不匹配、不平衡的矛盾。

在极具代表性的国家重大装备制造领域，《工程机械行业“十四五”发展规划》[1]指出，我国工程机械企业创新研发基础相对薄弱，在一些高端产品领域未能掌握核心关键技术，制约了行业能力水平和产品性能的提高。此外，在与三一、徐工、法士特和中铁装备等国家重点机械制造企业的多年合作过程中，发现其研发人员大多具备良好的产品设计能力，但对于具体工程问题进行深入分析的手段和能力较为欠缺，严重制约了关键技术的突破和重大装备的研制。因此为有效改善上述问题，增强国家基础建设能力，提高我国高等学校人才培养、尤其是机械类专业的人才培养，对机械类专业高等继续教育的培养目标和课程建设提出了新的要求。

受制于理论水平和试验手段，我国在重大装备关键系统的研制方面取得显著性突破难度较高。但随着我国计算机水平和系统化数值仿真水平的进步，越来越多的企业从传统的制造工艺逐渐转向采用系统化数值仿真，通过构建准确可靠的重大装备关键系统数值模型，推演其结构和运行参数对关键性能的影响规律，从而加速对关键系统、关键技术的创新和突破。习近平总书记曾多次提出：“深化教育改革，加快教育现代化”“信息技术与教育教学深度融合”“推进教育信息化”[2]。因此，机械专业计算机数值仿真类课程的设置和教学有利于培养国家所需的应用型人才，是创新信息时代教育治理新模式，推动信息化手段服务教育教学全过程和推进智慧教育创新发展的有力行动。

但在目前“注重能力培养、强化通识学科基础课、压缩专业发展课”的先进教育理念趋势下，学生很难全面学习所有课程，从而不能全面系统地掌握计算机数值仿真技术，更谈不上实践、应用和服务终身。因此，高等学校机械专业数值仿真类课程的设置和教学，不能沿袭现有“教师科研专长和任务驱动”模式、“课程多、课时大、缺乏统筹”的状态，不应以讲授某种仿真需求、某种仿真技术、某款仿真软件为目的，而要顺应“百年未有之大变局”的时代背景，以国家重大装备制造这一宏观问题为导向，采用项目驱动（Project-Based Learning，PBL）[3]教学理念，整合已有资源，进行机械专业数值仿真类课程教学体系的创新变革研究。

一  机械数值仿真类教学课程研究现状与不足

从认识论的角度出发，计算机数值仿真是一种系统实验方法。人类对客观世界的认识越具体、越全面、越深刻，对客观世界的模仿就越准确、越真实。因此，鉴于当下高等继续教育的教学效果不理想、无效供给普遍存在，传统陈旧的教学资源不能匹配国家对重点领域专门人才的需求，结合计算机数值技术的发展，分析数值仿真技术分析与课程建设需求，对我国高等教育机械专业数值仿真类课程教学体系建设与实践的研究现状进行分析。

（一）  数值仿真技术分析与课程建设需求现状

仿真方法经历了直观模仿、模拟实验和功能模拟三个发展阶段[4]。目前我国高等学校数值仿真类课程和教学资源，也基本是按照上述三个阶段进行设置的，具体包括以下方面：第一，用于直观模仿事物外形和运动的虚拟仿真类课程[5]；第二，基于物理和数学原理进行系统能力模仿的基础仿真类课程，如液压和机电系统仿真；第三，用于预测产品结构性能、作业性能和基本原理的数值模拟类课程。现阶段我国对数值仿真类课程的建设总体仍处于第一阶段：自2017年起教育部规划建设了1 000项左右国家级虚拟仿真实验教学项目[2]，在工程造价[6]、电工电子实验[7]、地质标本展示[8]等多个学术领域得以应用，取得了良好的演示和认知的教学效果，提高了教学过程的效率。但目前，我国在重大装备制造领域核心技術的突破和高端产品的研制方面已经对第二、第三阶段的数值仿真技术和相关人才提出了迫切需求，而现有的数值仿真类课程建设过于陈旧、层次偏低，课程设置没能及时跟上时代发展的步伐，致使相关领域发展受挫。

（二）  数值仿真类课程体系建设与教材建设现状

目前我国机械专业数值仿真类课程建设大多依附于、服务于专业基础课程。例如：陈修龙等[9]为服务于机械原理的课程教学，对机械原理课程设计中机器人机构的动力学建模和仿真进行研究；宋晓娟等[10]基于机械电子工程课程教学，开展了MATLAB软件的仿真教学改革；宋潇等[11]对电机学等课程开展了控制系统仿真课程实验教学探索与改革研究；马登成等通过开展沥青混合料拌和虚拟仿真实验教学项目的建设，实现对工程机械构造课程教学。这类数值仿真类教学往往不够系统、各自为政、臃肿松散，且无明确目标导向，不适用于继续教育，不足以支撑企业学员以继续教育、培训的方式来快速系统掌握高端复杂数值仿真技术。其次，整个课程缺乏教材，课程当中大多使用讲义，甚至直接使用仿真软件教学书籍进行课程讲解。这易导致学生对计算机数值仿真技术的学习和理解割裂化、片面化，难以支撑国家重大装备研制对机械类专业人才宏观、全面、系统的数值仿真能力的需求。

（三）  数值仿真类课程教学团队和方法建设现状

计算机技术的发展和各类仿真软件的不断进步，虚拟样机和有限元仿真等诸多技术的联合运用提高了机械产品的研发进程。因此，传统的课堂教学方法已逐渐不再适用于数值仿真类课程教学，陈旧的教学资源不能匹配国家对重点领域专门人才的需求。为有效改善机械工程仿真软件应用课程的教学方法，培养具备工程仿真分析和创新设计能力的创新型人才，姚凌云等[12]提出“矩阵式”教学法并应用到机械工程仿真软件应用课程的教学实践中，取得了良好的教学效果；为了提高MATLAB仿真软件的教学效果，乌兰[13]提出将软件使用融入到控制工程基础课程的教学中，摆脱教学系统硬件局限性，加强师生互动，提高教学质量；为打造全新教学体系与实践训练体系，培育应用型、创新型机械工程专业人才，朱家贤[14]提出变革教学模式、突出应用创新、打造实验教学中心、建设实践教学基地等理念，以促进仿真技术在机械工程教学中的应用；为提升矿山类机械课程的教学效果，燕碧娟等[15]基于建构主义学习理论和沉浸式学习方法，通过仿真技术构建矿山设备的实际造型，对钻、采、运等过程实现逼真模拟。上述研究表明，目前数值仿真类课程的教学手段大多采用线下课堂教学与考试考核方式，不适应数值仿真类课程以计算机实操演示为主体的教学形式和“个性化、多元化、合作化、终身化”的典型特质，此外，鉴于数值仿真手段已成为高校教师开展科学研究以及企业开展重大装备研制和辅助施工的重要手段，若在教学团队建设方面仍沿用专业课教学团队，难以发挥本类课程“科教融合”的特点，易造成“纸上谈兵”的现象。

二  面向国家重大装备制造的数值仿真类课程体系建设

国家重大装备普遍具有功能集成性高、结构性能好、作业能力强的特点，也明确要求研发人员需掌握多门数值仿真技术。因此，目前相关企业亟需高校建立并完善数值仿真类课程体系。但在对数值仿真类课程体系建设前，应首先采用文献法、调查法等方法，深刻探究国家制造强国战略、国家重大装备制造、教育信息化等纲领性政策的内在关联，深入重点工程机械企业，了解当前急需突破的关键瓶颈技术，以及迫切需求的数值仿真技术和人才情况，深入剖析现有的虚拟仿真技术、数值模拟技术和系统仿真技术在国家重大装备制造，以及相应课程在机械类专业人才培养目标方面的支撑情况。其次，综合分析机械专业基础课程的知识构架，研究常用的各类数值仿真软件的功能、软件以及优劣势，为机械专业数值仿真类课程体系建设夯实应用背景和奠定理论基础，完成对国家重大装备关键系统制造的特定需求的数值仿真类课程系统体系建设。

建设数值仿真类课程体系可以从以下三个层面进行。

认知层面。针对重大装备关键系统的结构和工作原理，进行工程机械虚拟仿真实验等建设，提高教师及学生对数值仿真类课程的认知。

理解、掌握层面。针对重大装备的关键结构、液压系统、电控系统等机械关键系统进行机械结构动力学与性能仿真、液压系统仿真、电控系统仿真和工程机械作业原理仿真等课程的建设。同时，教师团队需修改机械类专业人才培养目标和培养方案，撰写针对各门课程的全新教学大纲和适应各门课程考核的达成度评级模型，形成完整的数值仿真类课程体系。

应用实践层面。融合学院、团队教师的科研项目，依托机械类专业毕业设计，基于PBL理念，开展基于数值仿真技术的毕业设计工作，使学生能够实践已掌握的数值仿真技术。

三  面向国家重大装备制造的数值仿真类课程教材建设

在开展PBL模式的机械专业数值仿真分析课程建设与教材建设研究前需将“为什么要用数值仿真技术去解决问题？为什么要选择这种数值仿真方法？为什么要选取这款数值仿真软件？为什么要用这款软件的某个模块？分析数值仿真结果时用到什么基础理论知识？”等宏观问题讲清楚，重点关注数值仿真理念的培养而非技术的讲授，争取用某一个或几个系统化的案例（例如大型隧道掘进装备开掘系统设计），涵盖可能涉及的各类数值仿真手段和技术，培养学生合理选用数值仿真技术分析解决问题的能力。相较于传统的机械专业基础课程，数值仿真类课程对专业知识储备和通识要求更高，具有层次性、应用性以及实践性强的特点。因此，为有效开展数值仿真类课程则需建立一个全面系统、通俗易懂的教学资料储备和教材建设系统。

在对数值仿真类课程教学资料库建设方面，基于现有的多门数值仿真类课程资源，深度分析凝练各门课程中具有代表性的数值仿真案例，从仿真方法选取、仿真软件选取、仿真软件入门、案例实操、结果分析和实验对比验证等科学思路进行讲义、教案、电子课件、教学视频和仿真模型等教学资料制作。

在对数值仿真类课程教材建设方面，基于已构建的数值仿真类课程教学资料库，选择性参考借鉴国内外类似课程的教材形式、内容，组织教学团队进行课程教材的编制工作。最终完善数值仿真类课程教材体系和教学资料库，为课程教学实践提供有力保障，还可帮助企业、行业研发人员实现终身教育。

四  面向国家重大装备制造的数值仿真类课程教学团队建设

机械专业数值仿真类课程具有典型“科教融合”的特点，又具有极强的实践性和应用性，鉴于数值仿真手段已成为高校教师开展科学项目研究以及重点企业开展重大装备研制的重要手段，因此必须以“科教融合”理念构建课程教学团队、以“校企联合”模式构建课程实践基地。

第一，在课程教学团队建设方面，打破现有数值模拟类课程基于系、部独立设置和教学的固有模式，充分发挥学院教师在数值仿真方面的科学研究专长，建立致力于重大工程装备数值仿真类卓越人才培养的科教团队，进行虚拟仿真、作业仿真、电液仿真和结构仿真的多区块灵活协同教学，实现“以教促研、以研哺教、教研相长”的教学目标。

第二，在課程实践基地建设方面，紧紧围绕行业的重大需求、重大装备进行校企联合课程实践基地建设。首先，邀请重点企业专家入校讲学，让学生了解重大装备的研制动态及数值仿真技术在相关领域的运用情况。其次，鼓励学生使用数值仿真技术开展毕业设计、参加大学生创新创业竞赛等学科竞赛。再次，通过部署学生参与各类纵向和企业横向科研项目研究，实际运用数值仿真技术，锻炼研究能力。最后，校方与重点企业建立人才培养与输送合作机制，设立企业奖学金，将所培养的熟练掌握数值仿真技术的人才定点输送至最有需求的企业。

五  面向国家重大装备制造的数值仿真类课程教学方法研究

数值仿真类课程融合了虚拟仿真、系统仿真、数值模拟等多种理念，涉及虚拟现实、MATLAB、有限元和离散元等多款软件，采用“线上+线下”的混合教学方式和“个性化、多元化”的培养模式更有助于学生对仿真软件的掌握。因此，在进行数值仿真类课程时，可采用远程“数值-虚拟”仿真培训和现场指导相结合的方法，基于PBL理念，以国家重大工程装备制造和施工中的关键基本问题为目标导向，面向社会层面企业员工的继续教育，进行数值仿真和系统仿真的远程线上培训教学，以及远程虚拟仿真演示教学和现场指导教学。

在课程教学方法研究方面，首先，以某个典型项目为例，将工程问题分析、数值软件选取、数值仿真开展的详细过程进行“线下”课堂教学；同时依托慕课、学习通等在线学习平台，将数值仿真软件详细教学环节以及多个典型数值仿真项目的教学过程进行“线上”自学教学，学生根据兴趣自行选择仿真案例进行学习，达到“个性化、多元化”的培养目的；最后，基于服务继续教育和终身教育的理念，探讨针对机械专业数值模拟类课程的大规模在线教学。

在课程考核模式研究方面，为了突出个性化培养特点、提升团队合作能力，将以团队合作的形式进行考察考核；设置多个来源于国家重大装备设计制造的数值仿真项目，每个项目下根据教学内容分解为若干个子项，强调子项之间的因果关联，强调国内外文献的调查研究，以团队合作形式完成数值仿真项目，并合作撰写项目研究报告。在成绩评定划分方面可综合考量教学考勤、仿真案例完成质量、文献调研状况和项目研究报告质量四个方面进行最终给分。

六  结束语

在建设学习型社会的时代背景、工程装备制造和施工行业背景下，以国家《工程机械行业“十四五”发展规划》为指引，立足于继续教育，以PBL驱动的机械专业数值仿真类课程教学体系建设为总体目标，面向机械类专业高校学生和重大装备制造与施工领域的从业人员，开展机械专业数值仿真类课程的教学体系建设与实践。并对现有的数值仿真类课程作出分析，对仿真分析课程教学的课程体系、课程教材、教学方法以及教学团队建设作出研究，更有利于提高机械类人才的培养质量。同时，其教学成果还可对其他高校起到一定的示范辐射作用，以提高相关领域的创新型、领军型专门人才的培养质量。

参考文献：

[1] 中国工程机械工业协会 工业和信息化部装备工业一司.工程机械行业“十四五”发展规划（发布稿）[EB/OL].http：//www.cncma.org/article/10579.

[2] 谭惠灵，郭庆，韩景倜.虚拟仿真实验教学建设的认识论思考[J].中国多媒体与网络教学学报（上旬刊），2020（12）：17-19.

[3] 慕景强.PBL教学法在我国的可行性研究[J].医学教育，2003（6）：37-41.

[4] 羊玢.计算机系统仿真技术的哲学思考[J].湖北师范学院学报（自然科学版），2004（2）：19-22.

[5] 董桂伟，赵国群，王桂龙.我国虚拟仿真实验教学的发展与趋势研究——基于近十年中国知网文献的知识图谱分析[J].中国大学教学，2021（7）：85-92.

[6] 陈洁.新工科下虚拟仿真技术在工程造价课程的应用[J].山西建筑，2021，47（20）：186-187.

[7] 楼静梅，闫茂德，朱礼亚.电工电子虚拟仿真实验教学平台建设与实践[J].教育教学论坛，2021（4）：149-152.

[8] 张宝文，陈达银.虚拟现实互动技术在博物馆中的应用——以长安大学地质博物馆为例[J].中国地质教育，2021，30（2）：107-110.

[9] 陈修龙，陈天祥.机械原理课程设计中机器人机构的动力学建模与仿真[J].实验室研究与探索，2021，40（2）：109-114.

[10] 宋晓娟，吕书锋，何曉东，等.机电系统仿真教学改革及教学模式的探讨[J].教育教学论坛，2020（37）：158-159.

[11] 宋潇，余新栓.控制系统仿真课程实验教学探索与改革[J].教育教学论坛，2020（36）：389-390.

[12] 姚凌云，吴飞，马永昌.机械工程仿真类课程“矩阵式”教学方法[J].实验室研究与探索，2018，37（12）：168-172.

[13] 乌兰.试析如何运用MATLAB仿真软件开展机械控制工程基础课程教学的改革[J].时代教育，2017（1）：58.

[14] 朱家贤.仿真技术在机械工程教学中的应用[J].装备制造技术，2016（6）：263-265.

[15] 燕碧娟，王志霞，李自贵.仿真教学在矿山机械课程体系中的应用研究[J].教学研究，2014，37（4）：77-79.

基金项目：陕西省高等教育改革研究项目“服务终身教育的机械类专业数值仿真类课程教学体系建设与实践”（21JZ003）；长安大学2021年度高等教育教学改革研究项目“机械类专业继续教育课程体系建设中的数值仿真教学探究”（JZ202159）；长安大学国际教育教学改革项目“后疫情时代来华留学生专业实验课程远程授课模式研究与实践——以《工程机械性能实验》为例”（300108221）

第一作者简介：耿麒（1989-），男，汉族，山东淄博人，博士，副教授。研究方向为工程机械数值仿真领域的教学。