新工科背景下機械數字化設計能力培養體系的構建與實踐

曾德惠,楊春雷,范 奎,呂 俊,田 芳

(湖北民族大學 智能科學與工程學院,湖北 恩施 445000)

2015年5月,為實現制造強國,我國提出了“中國制造2025”發展戰略,機械行業逐漸推行數字化、智能化制造[1]。2017年2月和4月,教育部召開了新工科研討會,為適應新產業新技術發展的人才需求,在工程教育領域提出了“新工科”理念[2]?！靶鹿た啤弊⒅貙W校與企業、學校與社會的緊密結合,注重知識體系隨技術進步而更新,注重教學方法隨學生志趣而改進,注重培養學生學科融合交叉的意識與思維。

數字化設計是實現制造強國的核心技術之一,是企業發展的必要途徑。目前我國機械行業數字化設計應用的現狀是:數字化設計人才缺乏,不同行業人才缺口差距較大;三維軟件應用多在功能和實體造型層面,高端技術如“虛擬仿真”“并行工程”等應用嚴重匱乏[3-5]。為了擺脫這些現狀,急需培養符合企業要求的機械數字化設計人才。而如何培養合格的機械數字化設計人才,則對高校的機械類專業建設提出了新的挑戰和新的課題。

近年來,各高校機械類專業在新工科理念下,對機械數字化設計能力的培養體系進行了研究和改革:范斌等[6]、李貴等[7]、申會鵬等[8]、王熙杰等[9]、潘少瑛[10]將三維軟件和現代設計方法引入機械類基礎課程教學,生成了多種機械數字化模型。賀春山等[11]、常云朋等[12]、王偉等[13]對三維數字化課程進行改革,優化了課程結構和內容,加強了學生自主學習能力,提高了機械數字化設計能力。喬紅嬌等[14]、苗情等[15]、劉洋等[16]結合學校所處地區機械行業特點,融合創新實踐理念,結合工程問題重構教學內容,提高了學生機械數字化設計專業素養。劉吉兆等[17]、曹陽等[18]、袁野[19]、范暉等[20]提出了加強校企合作、學科競賽的培養模式,借助機械數字化設計實踐平臺,提升了學生實踐能力和創新能力。各高校大多采用了案例教學和項目驅動的模式,加強了三維軟件的應用。但每個學校所處地區和專業特點各不相同,需要結合自身特點,在機械設計基礎理論與數字化技術、三維軟件應用的銜接方面進行深入研究。

湖北民族大學地處湖北省恩施市,制造業落后,現有機械電子工程和智能制造工程2個機械類專業,都要求掌握機械工程基本理論和數字化設計技術,熟練使用三維機械設計軟件。以往的教學只注重機械傳統設計理論,理論課與實踐課內容分離,缺乏嚴格的工程訓練和機械數字化設計能力,例如:在傳統裝置減速器設計時,學生大多根據傳統機械設計方法,按部就班地完成設計,而對結構尺寸、工藝等認識不深,對建模后仿真分析不夠,大量工作花費在公式理解及計算方面,難以滿足新工科和數字化對機械類人才的需求。鑒于此,以新工科建設為背景、市場需求為導向、數字化設計為手段,突破學校區域弱勢,遵循機械數字化設計的發展方向,改革現有教學內容和教學方法,構建機械數字化設計能力的培養體系,提高學生機械數字化設計的實踐能力和應用創新能力。

1 機械數字化設計內涵

數字化設計是機械人才創新設計能力培養的重要內容,是先進制造的關鍵組成部分。它以三維軟件為工具,將數字化技術用于各項設計活動中。目前,廣泛應用的三維軟件均為中高端產品。高端軟件如NX、CATIA和Creo,特點是建模精度高、功能完善。中端軟件如SolidWorks、SolidEdge和Inventor,特點是建模質量較高、操作簡便。數字化技術包含了三維建模、虛擬裝配、模擬仿真、優化設計等關鍵技術。機械數字化設計能力主要包括:基于三維模型的數字化和參數化、通過模型進行創新設計及后續仿真和虛擬制造等[21-22]。

機械數字化設計以傳統的機械設計理論為基礎,三維軟件為核心,應用計算機技術,建立數字化產品模型,集成了數字化和信息化2種模式,有以下幾方面的特點:1) 形成了統一的三維數字化產品模型。數據的流動和交互通過數字化模型完成,便于生產各環節之間的模型轉化,貫穿設計、分析、制造與管理全過程,有利于實現產品的全生命周期管理,節約生產及管理成本。2) 虛擬建模及仿真分析。改變傳統產品開發的實物模型試制模式,利用數字化模型仿真分析對產品進行驗證及優化。3) 實現并行設計和可裝配設計。依據客戶需求集成開發產品,綜合設計、分析和加工等因素,分塊進行設計,面向裝配集中管理,提高產品生產質量。4) 有利于開展設計創新。通過產品虛擬模型優化設計方案和設計流程,實現產品設計創新。

傳統機械設計流程包括:產品規劃、總體設計、詳細設計、零部件校核和工程圖繪制等環節。機械產品傳統設計與數字化技術的融合過程如圖1所示。由圖1可知,傳統機械設計是在市場調研的基礎上確定產品功能和設計要求。運用機構學原理完成產品的總體方案設計和運動學分析,得出機構和機器的運動簡圖。運用機械設計的理論公式和經驗公式進行主要參數計算,校核零件的強度和剛度,繪制零件圖與裝配圖,進行模型試驗,測試設計結果并改進設計,得出最終的工程圖用于指導生產。機械數字化設計是通過建模、仿真分析等技術實現與傳統設計的融合,根據運動簡圖建立機構的三維模型,按照給定的設計條件,進行運動仿真及分析。按照結構設計完成機械產品的零件建模和虛擬裝配,進行有限元分析,校核零部件的強度剛度等,得出產品的數字化模型。在此基礎上,還可以確定優化目標,進行優化設計。傳統設計與三維軟件平臺的交互結合,使設計結果動態可視化呈現,減輕設計強度、提高設計質量并提升設計能力。

圖1 機械產品傳統設計與數字化技術的融合Fig.1 The combination of traditional design and digital technology for mechanical products

2 機械數字化設計能力培養體系的構建

機械類數字化設計人才培養以產出為導向、學生為中心,形成應用型創新人才的培養框架,體系的構建從以下4個方面進行。

2.1 整合優化基礎課程群教學內容

機械數字化設計以三維軟件為工具,以圖學、力學、機構學及設計學等專業知識為核心。提高數字化設計人才的專業素養,關鍵在于掌握扎實的專業理論知識。只有加強機械基礎專業能力特別是機械設計開發能力的培養,才能真正提高機械數字化設計的能力。

課程群的建設必須從整體的角度來審視課程的作用及依存關系,改革現有課程的教學內容及方法,形成新的教學體系,增強學生的專業應用能力、工程實踐能力和創新能力。機械數字化設計專業素質培養的課程體系如圖2所示。由圖2可知,建立了由工程圖學、機械設計等7門機械類基礎課程組成的課程群,為機械數字化設計提供圖學、力學、設計、創新及機械加工方面的基礎理論知識,提高數字化設計的建模、仿真與分析能力。為保證理論知識與實際相結合,通過查閱文獻及調研等手段,設計多種工程案例,利用現代設計方法、三維建模與仿真技術,將機械數字化設計貫穿融合于理論課程教學中,為學生后續的實踐課程及綜合訓練打下堅實的專業理論基礎。

圖2 機械數字化設計專業素質培養的課程體系Fig.2 The curriculum system of professional literacy training for mechanism digital design

具體措施為:1) 優化教學內容及教學方法,避免純粹的理論教學和單一的數字化軟件功能學習,將數字化設計理念真正融入工程技術基礎課教學中,構建優化合理的知識結構,培養學生工程思維。2) 聚焦主要設計類課程(如機械原理、機械設計等),設計統一的工程實踐課題和案例,打破傳統的按部就班授課模式,以需求驅動教學和問題驅動教學的方式整合課程,保證教學過程中專業知識的連貫性,使學生高效地掌握機械數字化設計所需的專業知識,培養學生分析問題和解決問題的能力。3)強化機械數字化設計、分析和模擬仿真能力的培養,夯實計算機輔助設計、計算機輔助工程分析和計算機輔助制造的軟件應用基礎,提高數字化設計的應用能力。

2.2 建立一體化多層次的課內實驗實踐體系

以創建新工科應用型大學為出發點,根據機械數字化設計對理論知識的需求,結合數字化技術的特點,重組實驗實踐的教學內容,設計層次分明的教學定位和學習重點,設計基礎性、綜合性、創新性等多種實驗,構建多層次、遞進式、既相互獨立又有機結合的一體化課內實驗實踐體系。該體系貫穿于大學前3年的學習階段,能有力支撐并激發學生創造力的發揮,能深入挖掘學生科技創新潛力,提升學生的機械數字化設計應用與創新能力。

機械數字化設計能力培養的課內實驗實踐體系如圖3所示。由圖3可知,該體系具體內容為:1) 機械基礎課程實驗平臺。由6門機械類課程的課內實驗組成,夯實機械產品設計理論基礎,是理論課程的補充和延續。按照大綱要求,每門課程設定了較少學時的課程實驗,均為必選的認知、驗證、設計類實驗。該平臺提供了產品數字模型的圖示與構形、力學分析、機械運動方案與結構設計的基礎實驗,培養學生理論與實際相結合的能力。2) 數字化設計及仿真實驗平臺。由5門數字化技術的課內實驗組成,包括機械應用編程、三維模型創建、機械零部件設計與仿真分析等內容,以任務驅動的方式提供機械工程案例,培養學生機械數字化設計基本技能。3) 綜合訓練實踐平臺。由7門綜合訓練課程組成,按“綜合性→設計性→創新性”的設計過程篩選工程實踐課題,包括傳統機械典型案例、教師科研和產學研合作項目小課題等。訓練學生解決工程實際問題的方法和流程,培養學生機械數字化設計的工程實踐能力。

圖3 機械數字化設計能力培養的課內實驗實踐體系Fig.3 The curricular experiment and practice system for mechanism digital design ability training

2.3 建立多渠道的課外實踐培養體系

圍繞培養新型制造業人才的需要,以“激發創新興趣,培養創新思維,引導自主實踐”為理念,以“學科賽事、項目驅動、校企合作”為依托,開展研究性與創新性實踐活動,構建與實施學生機械數字化設計創新能力課外實踐培養體系,提升學生機械研發創新能力。機械數字化設計能力培養的課外實踐體系如圖4所示。

圖4 機械數字化設計能力培養的課外實踐體系Fig.4 The extracurricular practice system for mechanism digital design ability training

由圖4可知,體系的4大平臺建設為:

1) 學科競賽平臺建設:依托創新中心、機械實驗室和虛擬仿真實驗室,建立競賽的領導機構、專家小組、教練組和學生協會組織;制定賽事相應的規則和規劃,建立賽事評價體系并協調實施。

2) 創新項目平臺建設:指導并負責國家級、省級、校級大學生創新項目的申報、檢查、結題工作,指導學生專利的撰寫、申請及轉化,指導學生論文撰寫及發表。舉辦學術講座和科技活動,拓寬學生創新思路,強化學生創新意識,建立以學生為主體、導師協作指導的技術創新體系。

3) 校企合作平臺建設:教師與企業工程師聯合開發階段性、可持續的設計項目。針對企業及社會先進制造的發展需求,更新教學理念,補充新的教學內容,完善機械數字化設計課程體系。依托企業和相關行業優勢,充分利用高校多學科的教學資源,擺脫單一專業領域限制,以“雙贏”為目的探索校企長期可持續的合作模式。

4) 機械數字化設計興趣小組建設:成立學生課外興趣小組,建立小組QQ群。教師負責指導,學生組長直接管理。主要進行機械設計實踐、AutoCAD軟件培訓、SolidWorks三維軟件培訓等活動,旨在提高學生機械設計及三維建模的能力。老師指導并布置任務,每周集中1次,培訓工作主要由高年級學生負責。根據培訓結果,選拔優秀學生參與學科競賽和教師項目。

2.4 加強師資隊伍建設

師資隊伍是新工科建設的根本保障。教師要及時理解和掌握機械數字化設計的新理論、新技術、新方法以及未來的發展方向,通過教學和指導的方式拓展學生的知識深度和廣度。因此需要加強師資隊伍建設,全面提升教師的專業素質和教學水平,才能培養出新工科建設要求的創新復合型人才。

主要體現在以下方面:1) 倡導教師走入社會、走進企業學習與調研,尋求合作,根據企業需求改變教學內容與教學手段。2) 以普及機械數字化設計技術為核心,建設創新型教師隊伍。強化教師培訓,鼓勵教師參加新工科建設、機械數字化設計、“互聯網+”和先進制造技術等的線上線下培訓研討會,參加新技術應用的專業培訓等,熟練掌握與計算機輔助設計、分析與制造相關軟件的操作技能。3) 鼓勵教師參與機械數字化設計類競賽的指導,學習數字化設計的新技術、新方法,指導學生創新項目、“互聯網+”比賽項目的申報與研究。4) 引進企業工程師和科研導師,分析數字化設計的工程案例,分享專業技術經驗,共同討論企業出現的技術問題,對學生進行職業規劃指導,促進學生了解新技術和機械行業的發展,激發學生學習積極性,開拓思路,解決問題。5)引進高學歷、高水平的教師擴充教師隊伍。

3 機械數字化設計能力培養體系實施效果

機械數字化設計能力培養體系貫徹執行下來,學生運用數字化技術進行機械設計及創新的能力逐步提升,獲得了多項成果及獎勵,教師的機械數字化設計教學水平也得到了提升。

3.1 學生機械數字化設計水平分層次提升

培養體系實施前,學生更注重的是機械設計理論知識的理解和三維實體模型的創建。培養體系實施過程中,將機械數字化設計技術融入課程及實驗實踐教學,強化設計理論與工程案例相結合,循序漸進地加強理論基礎以及先進設計方法和工具的工程應用,培養學生對社會、企業和工作崗位的適應能力,促進畢業生盡早就業。

以前學生進行機械產品設計,都是按照傳統設計套公式,利用計算器計算得出結果,手工出圖。實施培養體系后,機械數字化設計水平逐漸提升,從最基礎的三維建模發展到仿真分析及優化設計,按照從低到高分為4個層次,如圖5所示。由圖5可知,4個層次概括如下:1) 學生學習了機械基礎課程及三維軟件之后,在課程設計中借助手冊進行傳統設計,手工計算零部件的主要參數,按經驗公式進行結構設計,最后借助三維軟件如SolidWorks等完成建模并生成工程圖。2) 采用Excel、Matlab、C語言等軟件進行編程計算,并創建數字化模型。3) 對數字化模型添加運動仿真和應力仿真,模擬產品的真實運動,分析零件強度剛度等。4) 對數字化模型添加優化設計,改進產品創新設計。不同企業對機械數字化設計有不同的需求,第1層次為企業的基本要求,有產品研發需求時對數字化設計有更高要求,這就涉及了第2～4層次。

培養體系的效果體現在課程設計和畢業設計中,達到第1、2、3、4層次能力的人數占學生總數的百分比分別為100%、80%、50%、30%。

3.2 學生機械產品研發能力分等級提高

機械數字化設計是機械類學生必備的基本技能,也是企業招聘的重要考核指標之一。通過培養體系的實施,學生應用機械數字化設計技術,循序漸進地參與工程實踐,按照“實驗教學→課程設計→畢業設計→真實產品研發”的方式分階段培養,使得學生具有了機械零部件數字化設計的完整知識和能力。學生對機械產品的研發能力從低端到高端發展,分為4個等級:1) 單個機械零件的設計與建模能力。如帶鏈傳動、齒輪、軸類等典型機械零件的設計與三維實體建模和視圖表達,表現為靜態的數字化模型。2) 動態設計與分析能力。按照設計要求建立零件的力學模型,對三維模型添加驅動、約束及載荷,進行機械產品的運動及應力仿真,變靜態分析為動態分析,實時可視化地顯示分析結果,及時準確地驗證設計與修改設計。如將運動及動力參數計算變為動態的曲線或動畫顯示,將應力應變分析用動態的顏色、形狀或數據可視化顯示。3) 機械產品的綜合設計能力。針對工程實際中具有典型特征的機械產品(如減速器設計),根據設計要求及生產條件進行傳統設計,利用數字化模型表達零件和裝配體,結合力學模型動態仿真分析,驗證設計結果。4) 機械產品的開發設計能力。以社會或企業需求為導向,經過調研、方案設計、答辯、詳細設計及撰寫設計說明書等環節,培養學生機械數字化設計創新能力和團隊合作能力,如大學生創新項目的研究、機械類國家級競賽的參與等。

學院現有16個學生實習基地、8家聯盟合作企業,均運用了機械數字化設計技術,學生可以頂崗實習,能力強的學生能更多、更深入地參與真實的機械產品設計和研發項目,每年有大約30%的學生利用課余時間參與校企合作項目和教師的科研項目,這些項目包括:電鉆鉆頭的優化設計、茶葉加工自動化設備設計、包裝設備研發等。通過這些平臺,全面提升了學生的機械產品研發能力和綜合實踐能力。

3.3 學生應用機械數字化設計技術的成果

通過課內外培養體系的實施,學生將機械數字化設計技術用于完成畢業設計、參加學科競賽、申報大學生創新項目等,取得了較好的成績。

1) 機械數字化相關畢業設計。內容涉及計算機輔助設計、分析、制造及虛擬現實仿真,每年省、校級優秀學士學位論文獲獎占專業總獲獎人數的50%以上。

2) 參加機械數字化設計相關國家級學科競賽。如:全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽(成圖大賽)、全國三維數字化創新設計大賽(3D大賽)、全國大學生機械創新設計大賽(機創大賽)(2022年參加)、中國大學生工程實踐與創新能力大賽(工程訓練大賽)和“互聯網+”創新設計大賽(“互聯網+”)等。各學科競賽均采用機械數字化設計方式,以產品設計為載體,綜合運用了機械設計理論、數字化設計工具及現代設計方法,加強了專業知識的實踐,提高了學生的工程實踐能力、創新能力和綜合素質。近3年學生參加學科競賽獲獎情況如圖6所示。由圖6可知,學生獲國家級、省級獎項70項。其中,成圖大賽、3D大賽、機創大賽、工程訓練大賽、“互聯網+”競賽獲獎比例分別達到40.0%、44.3%、7.1%、1.5%、7.1%。

圖6 學生參加學科競賽獲獎情況Fig.6 The awards in students′ discipline competitions

3) 申報機械數字化設計相關的大學生創新項目。近年獲批大學生創新項目20多項,獲“互聯網+”校級重點培育項目3項。近3年學生發表及錄用有關機械數字化設計方面的論文共3篇。學生部分項目及論文示例如圖7所示。由圖7可知,有的課題來自工程實踐,有的出自教師校企合作項目,均為機械、材料、控制等學科交叉融合的復合型課題,采用機械數字化技術進行了設計和分析研究。

圖7 學生部分項目及論文示例Fig.7 Some examples of students′ projects and papers

4) 學生部分獲獎作品展示如圖8所示。圖8(a)～(d)為畢業設計作品,圖8(e)為全國3D大賽一等獎作品。圖8(a)(b)來源于生活實踐課題,圖8(c)來源于實習企業課題,圖8(d)源于虛擬現實仿真實驗建設項目。由圖8可知,圖8(a)(c)運用機械傳統設計方法進行零件的參數計算,完成結構設計,利用SolidWorks軟件進行三維建模和虛擬裝配,并進行了運動仿真和應力仿真,檢驗了設計結果;圖8(d)利用SolidWorks軟件完成了三維建模,利用Unity3D虛擬引擎完成了培訓系統搭建;圖8(e)在仿真玩具飛機模型的基礎上進行測繪,結合機械設計相關理論和仿生學知識完成了創新設計。

圖8 學生機械數字化創新設計作品展示Fig.8 Students′ mechanism digital innovative design works show

3.4 教師機械數字化設計教學水平提升

為推進培養體系教學的順利進行,教師除了提高自身業務素質之外,還積極開展機械數字化設計技術方面的教研及科研。采用線上線下混合式教學,在學習通等平臺上新建線上課程10多門。近3年已結題產學合作協同育人項目10項,省校級教研項目結題5項、在研5項,教師獲批項目部分示例如圖9所示。由圖9可知,項目均與機械數字化設計相關,結合了企業需求及本專業特點?，F有企業工作經歷的雙師型專任機械類教師6人、企業導師4人。教師榮獲“三區”人才選派工作示例如圖10所示。由圖10可知,近3年有5人當選湖北省“三區”人才支持計劃科技人員專項計劃選派人員,開展機械數字化設計相關工作,教師分別與湖北省恩施市、宣恩縣、咸豐縣、巴東縣等的茶葉、鋼絲生產經營企業和紡織品包裝企業簽訂了校地企合作項目,為企業提供相關技術支持、成果轉化和企業培訓,每年下企業至少4次/人。

圖9 教師部分項目示例

4 結論

新工科背景下機械人才必須提高機械數字化設計能力?；谛鹿た评砟?結合學校實際,以社會需求為導向、學生為中心,實施“人才為本”的基本方針,通過課程群的優化整合、分層次課內實驗實踐教學、多渠道課外實踐教學、強化師資隊伍建設,構建了適合學校發展的機械數字化設計能力培養的新模式,為機械類教師和學生提供了數字化設計的實踐平臺。實踐證明,該培養體系能有效夯實學生專業知識,創建適應企業工作流程的教學環境,既能提高學生學習興趣,又能開拓學生創新思維,為培養學生機械類數字化設計能力提供了切實可行的手段,滿足了現代企業對人才的需求,提高了學生就業率與就業質量。