机械专业数值仿真类课程教学体系建设与实践

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

高等教育是国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术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。