面向机械工程专业的计算机仿真实践课程体系

周凯红 张 奕　

面向机械工程专业的计算机仿真实践课程体系

周凯红 张 奕

（桂林理工大学机械与控制工程学院，广西 桂林 541006）

随着计算机技术在机械设计领域的广泛应用，设计人员的计算机仿真分析能力对于机械产品的设计水平日益显示出重要的作用。针对此现状，文章提出一套以提高工程实践能力为目标的机械工程专业计算机仿真实践课程体系，旨在培养本科学生运用计算机仿真技术解决机械工程实际问题的能力，使之成为适应现代计算机技术条件的机械工程技术人才。

机械工程；教学改革；计算机仿真实践

引言

在计算机技术被广泛应用的信息化时代，计算机技术促使自然科学迅猛发展，现代机械工程实践也日益向高精度、高速度、高效率和极端载荷和尺度方向发展。早在1979年钱学森先生就卓有见识地指出：“现在是讲现代力学了，必须明确地把电子计算机和力学工作结合起来，不然就不是现代力学，就不是现代化。”[1]

传统的理论分析和实验研究方法已无法为现代机械工程实践问题提供有效的解决方案，计算机数值分析和仿真技术成为现代机械工程技术人员解决工程实际问题的强有力工具。构建机械工程专业一流学科中的计算机仿真实践教学课程体系，将计算机实践与建设机械工程一流学科教学相结合，是将教育面向现代社会发展趋势的要求和必然结果。实践证明，将计算机仿真技术应用到机械工程教育教学环节中，能够充分挖掘计算机仿真虚拟现实的强大优势，提高工程实践教育的教学质量和效率。对于机械工程学科的各门专业课程，计算机仿真技术与其教学都有着十分密切的联系，学生在实践中需要应用到所学习的课程，能够将理论教学与实用性的仿真软件相结合。开设计算机仿真实践课程，是基于现有的计算机辅助教学方式并将其发展，独立成一门实践课程，在教育教学改革上的一个新拓展。将计算机仿真技术作为促进学生进一步学习理论知识的工具，增强学生对理论知识的理解以及计算机仿真分析能力，使每位学生的创新思维与实践能力在计算机仿真实践课程体系中得到有效的锻炼，这正是创新人才培养所需要的，对于学生的现代化教育与未来发展会起到深远的作用。

因此，在机械工程专业教学中，构建机械工程专业学科中的计算机仿真实践课程体系，将计算机数值分析和仿真实践能力的培养与理论分析和实验研究能力予以同样的重视，是现代机械工程技术发展对大学本科机械工程专业教学提出的必然要求，是提高大学本科机械工程专业人才培养水平的必由之路。

1 机械工程类专业课程教学现状

1.1 教学内容

目前，机械工程类专业开设普遍，人才招收规模大，主要培养从事机械产品的开发与制造、应用研究、质量检测等方面工作的专门人才[2]。机械工程类专业的具体课程，包含“理论力学”“材料力学”“机械原理”和“机械设计”等，课程门类众多。

目前，求解工程技术问题主要方法有三种，分别是理论分析、实验分析、数值模拟。理论分析的方法具有普适性，但是对于复杂的数值问题，其分析原理更为复杂，如果不用计算机技术求解，应用将十分困难，该方法只适用于经典简单的力学模型；实验分析的方法原理简单、结果直观，但是获得数据的成本高、精度受实验条件限制且不具有普适性，只能够解决经典且常见的工程问题；数值模拟的方法使用计算机技术求解，其结果直观、应用成本低，适用于各种复杂的工程问题，是现在普遍应用的方法。

1.2 教学现状

现阶段的普遍教学模式中，在理论教学方面，与机械有关的理论课程设置与相关计算机仿真软件课程设置脱节，教师们主要把课堂重点放在学生对概念的理解和考试知识点的掌握上。作业与期末考试强调考核学生对概念、理论的理解记忆和公式的运用[3]。专业理论教学无法跟上工程实践的要求，学生将专业理论知识应用于实践的能力不强，造成学生不能将理论应用于实际，无法满足现代机械设计的要求。

在计算机仿真软件教学方面，计算机仿真课程仅作为一门单一的软件使用教学课程，很多仿真实践教程内容为阐述相关软件的使用方法设置的实例，只教会学生使用软件菜单功能，对于学生使用软件解决问题没有太大帮助，与理论课程教学没有有效的课程联系。

在实践课程教学体系方面，没有设置与计算机技术应用能力相关的实习课程。在传统教学模式中，理论教学能满足工程实际需求，实验教学课程安排也较为完善，相对应有课程实习、金工实习、工厂实习，能让学生具象了解相关问题并掌握解决方法。然而，目前并没有计算机仿真实践的相关实习课程。实际上，无论是在分析计算、机构设计、制造等方面，都不能脱离计算机技术。这与当前的技术发展趋势不符合，和当前机械工程专业的人才培养要求不一致，这种传统的教学模式是落后于现代工业技术发展的。

1.3 传统教学模式存在的问题

传统的教学模式存在两个问题，一是理论课程部分和计算机仿真软件课程部分的教学联系不紧密；二是学生缺乏系统的计算机仿真实践训练，导致学生既无法在计算机仿真分析软件的应用中加强对理论知识的运用，也无法以专业理论知识为基础理解和应用相应的计算机仿真分析软件来解决工程问题。这就造成了学校专业人才培养与企业用人需求的脱节，也不符合“新工科”建设与专业认证的培养要求。

针对传统教学模式的种种不足，构建一种为建设机械工程一流学科服务的，以学生为主体，以加强本科生应用计算机技术解决实际问题能力培养、提高教学质量为目标的高校机械工程专业计算机仿真实践教学课程体系势在必行。

2 计算机仿真实践课程体系的构建理念及其意义

本课程体系的中心是为建设机械工程一流学科服务的，在结合本校机械学科教学环境的基础上，在专业课的教学中形成计算机仿真实践课程体系。摒弃单一的计算机仿真软件使用教学教程，开设以计算机仿真为主的实习课程，将计算机数值分析和仿真实践能力的培养提到与理论分析和实验研究能力同等的地位，使机械理论课程设置与相关软件课程设置紧密联系，让学生在学习基本菜单功能的基础上，能够运用计算机仿真技术解决复杂工程问题。这能让本科生尽早认识到虚拟样机仿真方法在解决实际问题中的巨大作用，增强学生应用计算机解决实际工程问题的能力，同时增强本科生毕业就业竞争力。这对促进学生适应计算机技术条件下机械工程专业的发展形势，提高和培养学生在计算机技术条件下的专业实践能力和工作能力、动手能力都具有十分现实的意义。同时，课程体系的实践研究也将为其他教师提供借鉴，为计算机仿真技术在机械工程专业课程教学中的应用提供科学依据。

3 计算机仿真实践课程体系的构建

3.1 在专业课教学环节，建立理论课程与计算机仿真软件的联系

在理论力学教学中引入ADAMS软件辅助教学，在讲解过程中使用对应的模型，设置相应约束和驱动，再进行动力学/静力学仿真分析，通过输出的参数曲线图和运动动画，让学生直观地观察其受力和运动情况，加强对模型本身运动学、动力学多视角的深入分析和理解。在材料力学教学中引入ANSYS软件辅助教学，例如工字梁弯曲变形分析，可对其进行建模和网格划分，添加约束，再进行仿真，使变形过程可视化地展示出来，让学生对应力、应变等抽象的概念更易理解。教师在授课过程中，演示操作用仿真软件解决工程实际问题，不仅提高学生学习兴趣，也将理论课程与计算机仿真软件建立起联系。

3.2 在计算机仿真软件教学环节，结合相应的专业课知识进行讲授

教师在计算机仿真实践课程的讲授中，可以以理论为基础讲解计算机仿真软件。在计算机仿真实践课程中，教师联系机械原理有关知识，教导学生使用SOLIDWORKS软件对各种典型机构进行建模，如连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等[3]。然后在ADAMS软件中为构件添加驱动和运动副，如转动副、移动副，并对各典型机构进行运动学、动力学仿真分析，分析所求关键点的位移、受力、速度/角速度和加速度/角加速度情况[4]。最后使机构进行仿真运动，得到力矩或速度曲线图，使学生对常用机构的运动有具体的理解和掌握。此外，在ANSYS软件中对关键零件进行模态分析，研究该零件的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断以及结构动力特性的优化设计提供依据。该环节将以专业理论和概念的讲授为基础，打通计算机仿真软件与相应的课程理论知识之间的联系，促进学生在学习计算机仿真软件的过程中巩固和强化理论知识，提高学生使用软件解决问题的能力。

3.3 研究开设一种以计算机仿真实践为主的实习课程

安排一种运用计算机软件解决机械工程实际问题的实践课程环节，开设计算机仿真实习课程。以具体题目为实例，利用计算机仿真技术解决工程实际问题。以往在学习完机械原理等课程以后，学院通常有课程设计安排，一般为二级减速器的设计以及其装配图、零件图的绘制。而研究开设的计算机仿真实习课程，则是在计算机仿真软件教学结束后，以此为基础综合安排一次课程设计，用计算机仿真的方法再解决一个工程实际问题。例如，要求学生根据要求设计某机构并实现机构的运动，首先学生设计好重要零件的参数尺寸，在SOLIDWORKS软件绘制其三维模型并装配，其次在Auto CAD软件绘制其装配图及零件图，然后用ANSYS软件分析某工况条件下重要零件的受力情况，对零部件工作时的应力、应变进行仿真分析，校核轴的扭转强度，最后在ADAMS软件完成模型的仿真运动[5]。

仅以手工作装配图、零件图的机械课程设计方式已经落后于实际工程需要，研究开设一种以计算机仿真实践为主的实习课程，将计算机仿真技术和理论知识相结合，作为一次训练学生综合能力的实习，不仅能以学科理论知识为基础，提高学生应用计算机仿真软件解决实际工程问题的能力，也能使学生在实习过程中建立起各仿真软件之间的联系，帮助学生对同时使用两个或两个以上仿真软件进行联合仿真提供概念认知。

3.4 在毕业设计环节，强化实践能力

计算机仿真实践课程作为机械工程专业一流学科教学中的一个重要环节，与理论学习有着同等重要的地位。理论和技术只有结合实践，才能从根本上提高计算机仿真水平。因此可以通过多种实践模式，对学生的仿真实践能力进行应用和锻炼，例如将毕业设计的选题设置为工程实际中遇到的实例问题，以此类毕业设计内容作为学生的选题方向，将在实际应用中体现毕业生的实践能力，也为毕业生面对企业应聘和就业打好基础。此外，鼓励学生参加竞赛、听取学术报告，对学生的软件应用能力、创新思维等同样可以起到有效锻炼。

3.5 在师资环节，提高教师团队的计算机仿真实践教学能力

实施计算机仿真实践课程体系的关键前提，就是要将教师的计算机仿真实践水平提高。对此，学校要积极强化机械工程专业师资队伍的建设，根据机械工程专业教师教育、教学的实际内容，聘请企业专业技术人员，讲解对应的计算机仿真软件的教学和实例应用，包括但不限于ADAMS、AMESim、ANSYS、SOLIDWORKS、Inventor等软件的前沿动态和最新应用。通过实际案例，深入浅出，提高参训教师的计算机仿真实践教学水平，向全体教师进行详细的辅导，对机械工程专业教师全面、科学、高效地应计算机仿真软件，了解软件的各项功能，提高课堂质量，起到十分重要的作用。

4 计算机仿真实践课程体系的实施

在对学校计算机仿真软件教学情况与学生理论教学认知情况进行调研的基础上，针对传统的计算机仿真技术教学安排，重组教学内容，提升教学目标，加强基础动手训练，强化学科知识联系，培养学生综合应用计算机仿真软件的能力。

根据拟订方案实施课程体系，将培养学生计算机仿真实践能力的教学方案分为三个步骤：基础认知、学科强化、综合练习。基础认知：软件认知、基本操作。在专业理论课程的讲授中，结合计算机仿真求解方法，使学生明确各软件用途，熟悉菜单功能，能准确地记录仿真实验数据，认真观察实验结果并进行分析判断，得出结论。学科强化：各个计算机仿真软件的理论和实践教学。结合理论力学、材料力学、机械设计等专业课程的例题，应用软件分析实例，进一步打通计算机分析软件和相应的专业理论之间的联系。综合练习：开设以计算机仿真为主的实习课程，给出具体案例，应用计算机仿真技术建立模型并进行数值分析，解决实际工程问题。

5 结束语

在当前的机械工程专业教学课程体系中，专业理论课程教学内容与计算机仿真分析软件课程教学完全脱节。一方面学生无法通过计算机仿真分析软件提高专业理论知识的工程应用能力，另一方面，又无法通过专业理论知识的学习深刻理解相应的计算机仿真分析软件。

针对此现状，提出一套以提高工程实践能力为目标的机械工程专业计算机仿真实践课程体系：首先，在“理论力学”“材料力学”“机械原理”和“机械设计”等基础专业课的教学环节中，融合加入相应的计算机数值求解方法的讲授和训练内容，以提高学生运用专业基础理论解决实际工程问题的能力；其次，在计算机分析软件教学中，着力结合相应的专业基础理论和概念进行讲授，打通计算机分析软件和相应的专业理论之间的联系；最后，在完成上述课程的课堂教学后，安排一次运用计算机方向软件解决机械工程实际问题的实践课程环节。新的计算机仿真实践课程体系摒弃了单一的软件使用教学，加强课程间相关内容的联系，打破原课程界限，使机械工程类专业的理论课程设置与相关软件课程设置紧密联系。学生在学习专业课程的同时，也学会运用计算机仿真技术解决复杂工程问题，增强本科毕业生的就业竞争力。这对促进学生适应计算机技术条件下机械工程专业的发展形势，提高和培养学生在计算机技术条件下的专业实践能力和工作能力、动手能力都具有十分重要的现实意义。

[1] 钱学森. 现代力学: 在一九七八年全国力学规划会议上的发言[J]. 力学与实践，1979(1): 4-9，3.

[2] 张桂菊，肖才远. 机械工程类学生创新能力培养的研究与实践[J]. 中国电力教育，2012(8): 22-23.

[3] 华剑，徐小兵. 虚拟仿真软件在机械专业教学中的应用实践[J]. 大学教育，2020(2): 14-16.

[4] 罗锦华，章程，赵成宏. 基于Pro/E和ADAMS的动力学联合仿真研究[J]. 船电技术，2011，31(9): 69-71.

[5] 袁逸萍，孙文磊，黄帅，等. 计算机仿真技术引入机械类专业教学的方法探讨[J]. 装备制造术，2011(1): 169-171.

Computer Simulation Practice Course System for Mechanical Engineering Majors

With the wide application of computer technology in the field of mechanical design, the computer simulation analysis ability of designers has increasingly played an important role in the design level of mechanical products. In response to this current situation, the article proposes a set of computer simulation practical course system for mechanical engineering majors with the goal of improving engineering practical ability. The aim is to cultivate undergraduate students' ability to use computer simulation technology to solve practical problems in mechanical engineering, and make them become mechanical engineering technical talents who adapt to modern computer technology conditions.

mechanical engineering; teaching reform; computer simulation practice

G642

A

1008-1151(2023)09-0134-03

2022-07-18

广西高等教育本科教学改革工程立项项目“面向机械工程一流学科建设的计算机仿真实践教学课程体系的构建”（桂教高教〔2021〕3号）。

周凯红（1968－），男，湖南岳阳人，桂林理工大学机械与控制工程学院教授，博士，研究方向为复杂齿的数字化设计和制造、复杂曲面的多轴联动数控制造技术。