機械專業數值仿真類課程教學體系建設與實踐

耿麒 葉敏 朱佳慶 張澤宇 張志峰 馬登成

摘? 要：為解決我國高等教育現階段面臨的傳統陳舊的教學資源與國家高速發展對重點領域、專門人才需求之間的不匹配、不平衡間的矛盾，以培養滿足時代需求的創新型人才為目標，提出關于“機械專業數值仿真類課程”的教學體系新模式。首先，結合時代發展趨勢和人才培養需求，研究機械數值仿真類課程教學的現狀并分析不足之處。其次，從課程認知、理解掌握和應用實踐三個層面進行課程教學體系建設，并結合典型工程案例編纂課程教材。再次，從課程教學團隊和課程實踐基地兩方面進行團隊建設。最后，利用現代化信息技術，采用多軟件線上線下混合教學、多元化課程考核為我國機械類人才培養提供一個新方案。同時，教學成果可供其他高校參考和借鑒，提高我國相關領域人才的培養質量。

關鍵詞：機械；數值仿真；課程改革；人才培養；團隊建設

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：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養的重要組成部分，是建設學習型社會、大力提高國民素質的重要支撐。然而當下，高等繼續教育的教學效果不甚理想，無效供給普遍存在，造成這種困境的一個重要原因是傳統陳舊的教學資源與國家高速發展對重點領域、專門人才需求之間的不匹配、不平衡的矛盾。

在極具代表性的國家重大裝備制造領域，《工程機械行業“十四五”發展規劃》[1]指出，我國工程機械企業創新研發基礎相對薄弱，在一些高端產品領域未能掌握核心關鍵技術，制約了行業能力水平和產品性能的提高。此外，在與三一、徐工、法士特和中鐵裝備等國家重點機械制造企業的多年合作過程中，發現其研發人員大多具備良好的產品設計能力，但對于具體工程問題進行深入分析的手段和能力較為欠缺，嚴重制約了關鍵技術的突破和重大裝備的研制。因此為有效改善上述問題，增強國家基礎建設能力，提高我國高等學校人才培養、尤其是機械類專業的人才培養，對機械類專業高等繼續教育的培養目標和課程建設提出了新的要求。

受制于理論水平和試驗手段，我國在重大裝備關鍵系統的研制方面取得顯著性突破難度較高。但隨著我國計算機水平和系統化數值仿真水平的進步，越來越多的企業從傳統的制造工藝逐漸轉向采用系統化數值仿真，通過構建準確可靠的重大裝備關鍵系統數值模型，推演其結構和運行參數對關鍵性能的影響規律，從而加速對關鍵系統、關鍵技術的創新和突破。習近平總書記曾多次提出：“深化教育改革，加快教育現代化”“信息技術與教育教學深度融合”“推進教育信息化”[2]。因此，機械專業計算機數值仿真類課程的設置和教學有利于培養國家所需的應用型人才，是創新信息時代教育治理新模式，推動信息化手段服務教育教學全過程和推進智慧教育創新發展的有力行動。

但在目前“注重能力培養、強化通識學科基礎課、壓縮專業發展課”的先進教育理念趨勢下，學生很難全面學習所有課程，從而不能全面系統地掌握計算機數值仿真技術，更談不上實踐、應用和服務終身。因此，高等學校機械專業數值仿真類課程的設置和教學，不能沿襲現有“教師科研專長和任務驅動”模式、“課程多、課時大、缺乏統籌”的狀態，不應以講授某種仿真需求、某種仿真技術、某款仿真軟件為目的，而要順應“百年未有之大變局”的時代背景，以國家重大裝備制造這一宏觀問題為導向，采用項目驅動（Project-Based Learning，PBL）[3]教學理念，整合已有資源，進行機械專業數值仿真類課程教學體系的創新變革研究。

一? 機械數值仿真類教學課程研究現狀與不足

從認識論的角度出發，計算機數值仿真是一種系統實驗方法。人類對客觀世界的認識越具體、越全面、越深刻，對客觀世界的模仿就越準確、越真實。因此，鑒于當下高等繼續教育的教學效果不理想、無效供給普遍存在，傳統陳舊的教學資源不能匹配國家對重點領域專門人才的需求，結合計算機數值技術的發展，分析數值仿真技術分析與課程建設需求，對我國高等教育機械專業數值仿真類課程教學體系建設與實踐的研究現狀進行分析。

（一）? 數值仿真技術分析與課程建設需求現狀

仿真方法經歷了直觀模仿、模擬實驗和功能模擬三個發展階段[4]。目前我國高等學校數值仿真類課程和教學資源，也基本是按照上述三個階段進行設置的，具體包括以下方面：第一，用于直觀模仿事物外形和運動的虛擬仿真類課程[5]；第二，基于物理和數學原理進行系統能力模仿的基礎仿真類課程，如液壓和機電系統仿真；第三，用于預測產品結構性能、作業性能和基本原理的數值模擬類課程?，F階段我國對數值仿真類課程的建設總體仍處于第一階段：自2017年起教育部規劃建設了1 000項左右國家級虛擬仿真實驗教學項目[2]，在工程造價[6]、電工電子實驗[7]、地質標本展示[8]等多個學術領域得以應用，取得了良好的演示和認知的教學效果，提高了教學過程的效率。但目前，我國在重大裝備制造領域核心技術的突破和高端產品的研制方面已經對第二、第三階段的數值仿真技術和相關人才提出了迫切需求，而現有的數值仿真類課程建設過于陳舊、層次偏低，課程設置沒能及時跟上時代發展的步伐，致使相關領域發展受挫。

（二）? 數值仿真類課程體系建設與教材建設現狀

目前我國機械專業數值仿真類課程建設大多依附于、服務于專業基礎課程。例如：陳修龍等[9]為服務于機械原理的課程教學，對機械原理課程設計中機器人機構的動力學建模和仿真進行研究；宋曉娟等[10]基于機械電子工程課程教學，開展了MATLAB軟件的仿真教學改革；宋瀟等[11]對電機學等課程開展了控制系統仿真課程實驗教學探索與改革研究；馬登成等通過開展瀝青混合料拌和虛擬仿真實驗教學項目的建設，實現對工程機械構造課程教學。這類數值仿真類教學往往不夠系統、各自為政、臃腫松散，且無明確目標導向，不適用于繼續教育，不足以支撐企業學員以繼續教育、培訓的方式來快速系統掌握高端復雜數值仿真技術。其次，整個課程缺乏教材，課程當中大多使用講義，甚至直接使用仿真軟件教學書籍進行課程講解。這易導致學生對計算機數值仿真技術的學習和理解割裂化、片面化，難以支撐國家重大裝備研制對機械類專業人才宏觀、全面、系統的數值仿真能力的需求。

（三）? 數值仿真類課程教學團隊和方法建設現狀

計算機技術的發展和各類仿真軟件的不斷進步，虛擬樣機和有限元仿真等諸多技術的聯合運用提高了機械產品的研發進程。因此，傳統的課堂教學方法已逐漸不再適用于數值仿真類課程教學，陳舊的教學資源不能匹配國家對重點領域專門人才的需求。為有效改善機械工程仿真軟件應用課程的教學方法，培養具備工程仿真分析和創新設計能力的創新型人才，姚凌云等[12]提出“矩陣式”教學法并應用到機械工程仿真軟件應用課程的教學實踐中，取得了良好的教學效果；為了提高MATLAB仿真軟件的教學效果，烏蘭[13]提出將軟件使用融入到控制工程基礎課程的教學中，擺脫教學系統硬件局限性，加強師生互動，提高教學質量；為打造全新教學體系與實踐訓練體系，培育應用型、創新型機械工程專業人才，朱家賢[14]提出變革教學模式、突出應用創新、打造實驗教學中心、建設實踐教學基地等理念，以促進仿真技術在機械工程教學中的應用；為提升礦山類機械課程的教學效果，燕碧娟等[15]基于建構主義學習理論和沉浸式學習方法，通過仿真技術構建礦山設備的實際造型，對鉆、采、運等過程實現逼真模擬。上述研究表明，目前數值仿真類課程的教學手段大多采用線下課堂教學與考試考核方式，不適應數值仿真類課程以計算機實操演示為主體的教學形式和“個性化、多元化、合作化、終身化”的典型特質，此外，鑒于數值仿真手段已成為高校教師開展科學研究以及企業開展重大裝備研制和輔助施工的重要手段，若在教學團隊建設方面仍沿用專業課教學團隊，難以發揮本類課程“科教融合”的特點，易造成“紙上談兵”的現象。

二? 面向國家重大裝備制造的數值仿真類課程體系建設

國家重大裝備普遍具有功能集成性高、結構性能好、作業能力強的特點，也明確要求研發人員需掌握多門數值仿真技術。因此，目前相關企業亟需高校建立并完善數值仿真類課程體系。但在對數值仿真類課程體系建設前，應首先采用文獻法、調查法等方法，深刻探究國家制造強國戰略、國家重大裝備制造、教育信息化等綱領性政策的內在關聯，深入重點工程機械企業，了解當前急需突破的關鍵瓶頸技術，以及迫切需求的數值仿真技術和人才情況，深入剖析現有的虛擬仿真技術、數值模擬技術和系統仿真技術在國家重大裝備制造，以及相應課程在機械類專業人才培養目標方面的支撐情況。其次，綜合分析機械專業基礎課程的知識構架，研究常用的各類數值仿真軟件的功能、軟件以及優劣勢，為機械專業數值仿真類課程體系建設夯實應用背景和奠定理論基礎，完成對國家重大裝備關鍵系統制造的特定需求的數值仿真類課程系統體系建設。

建設數值仿真類課程體系可以從以下三個層面進行。

認知層面。針對重大裝備關鍵系統的結構和工作原理，進行工程機械虛擬仿真實驗等建設，提高教師及學生對數值仿真類課程的認知。

理解、掌握層面。針對重大裝備的關鍵結構、液壓系統、電控系統等機械關鍵系統進行機械結構動力學與性能仿真、液壓系統仿真、電控系統仿真和工程機械作業原理仿真等課程的建設。同時，教師團隊需修改機械類專業人才培養目標和培養方案，撰寫針對各門課程的全新教學大綱和適應各門課程考核的達成度評級模型，形成完整的數值仿真類課程體系。

應用實踐層面。融合學院、團隊教師的科研項目，依托機械類專業畢業設計，基于PBL理念，開展基于數值仿真技術的畢業設計工作，使學生能夠實踐已掌握的數值仿真技術。

三? 面向國家重大裝備制造的數值仿真類課程教材建設

在開展PBL模式的機械專業數值仿真分析課程建設與教材建設研究前需將“為什么要用數值仿真技術去解決問題？為什么要選擇這種數值仿真方法？為什么要選取這款數值仿真軟件？為什么要用這款軟件的某個模塊？分析數值仿真結果時用到什么基礎理論知識？”等宏觀問題講清楚，重點關注數值仿真理念的培養而非技術的講授，爭取用某一個或幾個系統化的案例（例如大型隧道掘進裝備開掘系統設計），涵蓋可能涉及的各類數值仿真手段和技術，培養學生合理選用數值仿真技術分析解決問題的能力。相較于傳統的機械專業基礎課程，數值仿真類課程對專業知識儲備和通識要求更高，具有層次性、應用性以及實踐性強的特點。因此，為有效開展數值仿真類課程則需建立一個全面系統、通俗易懂的教學資料儲備和教材建設系統。

在對數值仿真類課程教學資料庫建設方面，基于現有的多門數值仿真類課程資源，深度分析凝練各門課程中具有代表性的數值仿真案例，從仿真方法選取、仿真軟件選取、仿真軟件入門、案例實操、結果分析和實驗對比驗證等科學思路進行講義、教案、電子課件、教學視頻和仿真模型等教學資料制作。

在對數值仿真類課程教材建設方面，基于已構建的數值仿真類課程教學資料庫，選擇性參考借鑒國內外類似課程的教材形式、內容，組織教學團隊進行課程教材的編制工作。最終完善數值仿真類課程教材體系和教學資料庫，為課程教學實踐提供有力保障，還可幫助企業、行業研發人員實現終身教育。

四? 面向國家重大裝備制造的數值仿真類課程教學團隊建設

機械專業數值仿真類課程具有典型“科教融合”的特點，又具有極強的實踐性和應用性，鑒于數值仿真手段已成為高校教師開展科學項目研究以及重點企業開展重大裝備研制的重要手段，因此必須以“科教融合”理念構建課程教學團隊、以“校企聯合”模式構建課程實踐基地。

第一，在課程教學團隊建設方面，打破現有數值模擬類課程基于系、部獨立設置和教學的固有模式，充分發揮學院教師在數值仿真方面的科學研究專長，建立致力于重大工程裝備數值仿真類卓越人才培養的科教團隊，進行虛擬仿真、作業仿真、電液仿真和結構仿真的多區塊靈活協同教學，實現“以教促研、以研哺教、教研相長”的教學目標。

第二，在課程實踐基地建設方面，緊緊圍繞行業的重大需求、重大裝備進行校企聯合課程實踐基地建設。首先，邀請重點企業專家入校講學，讓學生了解重大裝備的研制動態及數值仿真技術在相關領域的運用情況。其次，鼓勵學生使用數值仿真技術開展畢業設計、參加大學生創新創業競賽等學科競賽。再次，通過部署學生參與各類縱向和企業橫向科研項目研究，實際運用數值仿真技術，鍛煉研究能力。最后，校方與重點企業建立人才培養與輸送合作機制，設立企業獎學金，將所培養的熟練掌握數值仿真技術的人才定點輸送至最有需求的企業。

五? 面向國家重大裝備制造的數值仿真類課程教學方法研究

數值仿真類課程融合了虛擬仿真、系統仿真、數值模擬等多種理念，涉及虛擬現實、MATLAB、有限元和離散元等多款軟件，采用“線上+線下”的混合教學方式和“個性化、多元化”的培養模式更有助于學生對仿真軟件的掌握。因此，在進行數值仿真類課程時，可采用遠程“數值-虛擬”仿真培訓和現場指導相結合的方法，基于PBL理念，以國家重大工程裝備制造和施工中的關鍵基本問題為目標導向，面向社會層面企業員工的繼續教育，進行數值仿真和系統仿真的遠程線上培訓教學，以及遠程虛擬仿真演示教學和現場指導教學。

在課程教學方法研究方面，首先，以某個典型項目為例，將工程問題分析、數值軟件選取、數值仿真開展的詳細過程進行“線下”課堂教學；同時依托慕課、學習通等在線學習平臺，將數值仿真軟件詳細教學環節以及多個典型數值仿真項目的教學過程進行“線上”自學教學，學生根據興趣自行選擇仿真案例進行學習，達到“個性化、多元化”的培養目的；最后，基于服務繼續教育和終身教育的理念，探討針對機械專業數值模擬類課程的大規模在線教學。

在課程考核模式研究方面，為了突出個性化培養特點、提升團隊合作能力，將以團隊合作的形式進行考察考核；設置多個來源于國家重大裝備設計制造的數值仿真項目，每個項目下根據教學內容分解為若干個子項，強調子項之間的因果關聯，強調國內外文獻的調查研究，以團隊合作形式完成數值仿真項目，并合作撰寫項目研究報告。在成績評定劃分方面可綜合考量教學考勤、仿真案例完成質量、文獻調研狀況和項目研究報告質量四個方面進行最終給分。

六? 結束語

在建設學習型社會的時代背景、工程裝備制造和施工行業背景下，以國家《工程機械行業“十四五”發展規劃》為指引，立足于繼續教育，以PBL驅動的機械專業數值仿真類課程教學體系建設為總體目標，面向機械類專業高校學生和重大裝備制造與施工領域的從業人員，開展機械專業數值仿真類課程的教學體系建設與實踐。并對現有的數值仿真類課程作出分析，對仿真分析課程教學的課程體系、課程教材、教學方法以及教學團隊建設作出研究，更有利于提高機械類人才的培養質量。同時，其教學成果還可對其他高校起到一定的示范輻射作用，以提高相關領域的創新型、領軍型專門人才的培養質量。

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基金項目：陜西省高等教育改革研究項目“服務終身教育的機械類專業數值仿真類課程教學體系建設與實踐”（21JZ003）；長安大學2021年度高等教育教學改革研究項目“機械類專業繼續教育課程體系建設中的數值仿真教學探究”（JZ202159）；長安大學國際教育教學改革項目“后疫情時代來華留學生專業實驗課程遠程授課模式研究與實踐——以《工程機械性能實驗》為例”（300108221）

第一作者簡介：耿麒（1989-），男，漢族，山東淄博人，博士，副教授。研究方向為工程機械數值仿真領域的教學。