李明昊，田楊，羅冰，馬小英，易廣建

（沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159）

1 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程群教學(xué)改革背景

“創(chuàng)新是一個(gè)民族進(jìn)步的靈魂，是一個(gè)國(guó)家興旺發(fā)達(dá)的不竭動(dòng)力，也是中華民族最深沉的民族稟賦”。創(chuàng)新設(shè)計(jì)是大學(xué)生素質(zhì)教育和能力培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，要成為優(yōu)秀的機(jī)械設(shè)計(jì)工程師，需要有扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)和工程經(jīng)驗(yàn)，更需要?jiǎng)?chuàng)新設(shè)計(jì)能力的支撐[1]。機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程群在大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)中扮演著重要的角色，是高等學(xué)校教學(xué)研究改革的熱點(diǎn)課題之一。

機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程群貫穿大二、大三和大四學(xué)期。機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程群具有明顯理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)和科學(xué)研究融合特點(diǎn)的課程群，它不僅是極為重要的專業(yè)知識(shí)，也是重要的學(xué)科方法論，在人才培養(yǎng)中發(fā)揮著越來越大的作用[2]。機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程群以機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用了數(shù)學(xué)、力學(xué)和計(jì)算機(jī)理論的相關(guān)知識(shí)，是一個(gè)跨學(xué)科的綜合性工程科學(xué)。實(shí)踐教學(xué)、科學(xué)研究反哺教學(xué)是理論聯(lián)系實(shí)踐的紐帶，在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的教育教學(xué)中占有非常重要的地位。

三元并重的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程群教學(xué)模式的改革與實(shí)踐以機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的未來發(fā)展需求為導(dǎo)向，以創(chuàng)新設(shè)計(jì)人才培養(yǎng)為目標(biāo)，堅(jiān)持理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)和科學(xué)研究"三元并重"的教學(xué)模式。三元并重的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程群教學(xué)模式已經(jīng)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的人才培養(yǎng)方案中審核通過并開始有序?qū)嵤3]。基于虛擬樣機(jī)技術(shù)（Virtual Prototyping，VP），提出三元并重的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程群教學(xué)模式的研究與實(shí)踐項(xiàng)目，該項(xiàng)目可以很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)周期長(zhǎng)、投入資金多、開放性受限制、實(shí)驗(yàn)室安全性條件要求高，而且實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的擴(kuò)展性、重用性和開展個(gè)性化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)困難等不足的問題。課程群教師挖掘了多個(gè)兵工思政融入點(diǎn)，能為課程群的教學(xué)改革提供基本素材，同時(shí)激發(fā)學(xué)生的興趣，使學(xué)生深刻意識(shí)到逐步積累我國(guó)獨(dú)立的技術(shù)，打破西方的技術(shù)壁壘的重要性[4]。

課程群教學(xué)改革可以有效解決目前教學(xué)經(jīng)費(fèi)緊張、課程學(xué)時(shí)少和講授內(nèi)容要求多的矛盾，還可建立融合學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力為一體的課程群教學(xué)改革模式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，使學(xué)生具備在工程實(shí)踐中靈活應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的能力。機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程群支撐人才培養(yǎng)方案中的指標(biāo)點(diǎn)：根據(jù)選擇的方案，能夠綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)和創(chuàng)新的思維，設(shè)計(jì)/開發(fā)出滿足特定需求的機(jī)械零部件、系統(tǒng)裝備或工藝流程，提高學(xué)生創(chuàng)造性地應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決工程實(shí)際問題的能力。

2 課程群教學(xué)模式

課程組建立了具有擴(kuò)展性和特色的課程群教學(xué)模式，可以實(shí)現(xiàn)資源共享和虛擬教學(xué)的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)，課程群教學(xué)模式包括以下方面。

1）完善課程群教學(xué)體系，有機(jī)整合和優(yōu)化課程群。課程組完善課程群教學(xué)體系，優(yōu)化課程群教學(xué)內(nèi)容，建立適合創(chuàng)新能力培養(yǎng)的課程群，在夯實(shí)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，提高學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)。課程組重新梳理了創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程群：包括機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)、有限元法、機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)、機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)和機(jī)械創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練等課程，使學(xué)生掌握扎實(shí)的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論與技術(shù)。

2）強(qiáng)調(diào)課程內(nèi)容之間的銜接和呼應(yīng)?；谟邢拊āC(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)、機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)和機(jī)械振動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)等課程，課程組在課程中突出實(shí)踐環(huán)節(jié)的重要性，強(qiáng)調(diào)課程內(nèi)容之間的銜接和呼應(yīng)。

在2021版的機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的人才培養(yǎng)方案中，重新調(diào)整了課程群的課程大綱，強(qiáng)調(diào)課程內(nèi)容之間的銜接和呼應(yīng)。例如：在有限元法的第9和第10學(xué)時(shí)中講授有限元軟件ANSYS的應(yīng)用，與其相對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，在機(jī)械振動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)課程的第11學(xué)時(shí)，講授連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)理論計(jì)算，并布置利用ANSYS對(duì)梁的彎曲振動(dòng)進(jìn)行仿真分析；在有限元法和機(jī)械振動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)的課程中以兵工裝備行業(yè)的應(yīng)用案例為分析對(duì)象，在第10周開設(shè)的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)和機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)課程中，繼續(xù)應(yīng)用上述兵工裝備行業(yè)的應(yīng)用案例分析，強(qiáng)調(diào)內(nèi)容的銜接和呼應(yīng)。在大四上學(xué)期為期2周的機(jī)械創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練（2周課程設(shè)計(jì)）中對(duì)上述課程理論、實(shí)踐環(huán)節(jié)和科學(xué)研究?jī)?nèi)容進(jìn)行總結(jié)。

筆者作為機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的負(fù)責(zé)人，在大綱的制定和審核過程中，設(shè)計(jì)了機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程群內(nèi)容之間的眾多銜接點(diǎn)和呼應(yīng)點(diǎn)，貫穿學(xué)生的大二、大三和大四學(xué)期，在此不一一列舉。

3）構(gòu)建機(jī)械裝備虛擬樣機(jī)。以科研項(xiàng)目案例為導(dǎo)向，面向兵工裝備行業(yè)，制定虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式，課程組構(gòu)建機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程群所需的機(jī)械裝備虛擬樣機(jī)。

4）課程思政。課程組基于本課程的校級(jí)“課程思政”多項(xiàng)立項(xiàng)，需要更深入地挖掘和整合課程群的兵工思政融入點(diǎn)，使學(xué)生意識(shí)自主創(chuàng)新的重要性。

3 課程群教學(xué)改革目標(biāo)

3.1 建立一種實(shí)現(xiàn)資源共享的全新教育教學(xué)理論

面向兵工裝備行業(yè)的機(jī)械裝備虛擬樣機(jī)，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)周期長(zhǎng)、投入資金多、開放性受限、實(shí)驗(yàn)室安全性條件要求高，而且虛擬樣機(jī)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)的擴(kuò)展性和開展個(gè)性化創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)困難等不足[5]。

3.2 建立融理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)和科學(xué)研究為一體的"三元并重"的教學(xué)模式

“三元并重"的教學(xué)模式可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，使學(xué)生具備在工程實(shí)踐中靈活應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的能力。

3.3 提出一個(gè)適于創(chuàng)新思維的學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

面向兵工裝備行業(yè)的機(jī)械裝備虛擬樣機(jī)支撐人才培養(yǎng)方案中的指標(biāo)點(diǎn)為：擁有較高的職業(yè)素養(yǎng)及創(chuàng)新精神，能夠綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)和創(chuàng)新的思維，設(shè)計(jì)/開發(fā)出滿足特定需求的機(jī)械零部件、系統(tǒng)裝備或工藝流程。

4 課程群教學(xué)實(shí)施方案與研究方法

4.1 實(shí)施方案

教學(xué)改革需要細(xì)致梳理課程群的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系，課程組加強(qiáng)知識(shí)的嚴(yán)密性和科學(xué)的承接性，按認(rèn)知規(guī)律組織教學(xué)方面進(jìn)行認(rèn)真的研究與實(shí)踐[6]。機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程群如圖1所示。

圖1 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程群

虛擬樣機(jī)技術(shù)是課程群教學(xué)模式改革的核心，進(jìn)一步完善虛擬樣機(jī)建模，面向兵工裝備行業(yè)，構(gòu)建兵工裝備典型機(jī)械設(shè)備的虛擬樣機(jī)，充分利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)資源，可以節(jié)省大量的教育經(jīng)費(fèi)[7]。用于虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式的綜合類實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖2所示。

圖2 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程群虛擬樣機(jī)

4.2 研究方法

機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程群教學(xué)模式的改革與實(shí)踐的研究方法包括：梳理并調(diào)整機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程群結(jié)構(gòu)，開發(fā)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程群所需的兵工行業(yè)機(jī)械裝備虛擬樣機(jī)和實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)3個(gè)主要內(nèi)容開展研究，并有機(jī)融入課程思政，具體的研究方法如下。

1）梳理并調(diào)整機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程群結(jié)構(gòu)，重構(gòu)融入兵工課程思政點(diǎn)的課程體系。課程組梳理并調(diào)整機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程群結(jié)構(gòu)，努力優(yōu)化新工科背景下的高素質(zhì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)方案。在夯實(shí)理論知識(shí)的前提下，課程組應(yīng)使學(xué)生熟練應(yīng)用創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法對(duì)典型機(jī)械裝備進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。課程組開展案例式教學(xué)，注重理論聯(lián)系實(shí)踐，強(qiáng)調(diào)科研反哺教學(xué)[8]。在潛移默化的培養(yǎng)中，需要巧妙地融入兵工課程思政點(diǎn)，使學(xué)生深刻理解習(xí)近平總書記對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)。

2）基于虛擬樣機(jī)技術(shù)，課程組面向兵工裝備行業(yè)，開發(fā)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程群所需的機(jī)械裝備虛擬樣機(jī)。ADAMS具有優(yōu)越的可視化設(shè)計(jì)能力，學(xué)生能夠真實(shí)地學(xué)習(xí)到典型機(jī)械設(shè)備的工作狀態(tài)。結(jié)合ANSYS進(jìn)行聯(lián)合仿真，課程組開發(fā)用于虛實(shí)結(jié)合的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程群所需的兵工裝備虛擬樣機(jī)。

3）基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程群實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)。課程組建立不同的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程群實(shí)踐案例，該實(shí)踐環(huán)節(jié)有助于學(xué)生加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，還能培養(yǎng)學(xué)生理論分析、實(shí)踐能力和科學(xué)研究的能力，從而提高教育教學(xué)效果[9]。

機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程群虛擬樣機(jī)實(shí)踐案例實(shí)施過程如下。

1）實(shí)踐案例1：家政機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)。我國(guó)家政機(jī)械的需要越來越大，作為高素質(zhì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的畢業(yè)生，應(yīng)該掌握該行業(yè)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維和方法。教師結(jié)合多媒體，探索國(guó)內(nèi)外家政機(jī)械的原理，激發(fā)創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維。

2）實(shí)踐案例2：康復(fù)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)。康復(fù)機(jī)械正處于飛速發(fā)展期，結(jié)合目前腿部、手部康復(fù)機(jī)械設(shè)計(jì)中存在的熱點(diǎn)問題。引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)康復(fù)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，提出康復(fù)機(jī)械設(shè)計(jì)的新思維。

3）實(shí)踐案例3：基于TRIZ理論的帶式輸送機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。帶式輸送機(jī)在兵工行業(yè)去人工化和全自動(dòng)化的進(jìn)程中占有重要的地位。使學(xué)生了解基于TRIZ理論的帶式輸送機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路和方法。

4）實(shí)踐案例4：重型坦克機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)。作為面向兵工行業(yè)培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的沈陽(yáng)理工大學(xué)，對(duì)典型兵器裝備進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)是人才培養(yǎng)目標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。該題目涉及機(jī)械機(jī)構(gòu)眾多，所以分組進(jìn)行。利用機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，對(duì)重型坦克典型進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

5）實(shí)踐案例5：水下仿生機(jī)器魚創(chuàng)新設(shè)計(jì)。水下機(jī)器魚類型眾多，極為適合作為機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的案例。水下機(jī)器魚可分為撲翼類、淺灘行走類和水陸兩棲類。在本教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生容易發(fā)散思維過度，教師應(yīng)該統(tǒng)籌安排，使學(xué)生發(fā)散思維和收斂思維相結(jié)合，利用多種創(chuàng)新思維進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

6）實(shí)踐案例6：兵工裝備智能制造自動(dòng)化生產(chǎn)線創(chuàng)新設(shè)計(jì)。兵工裝備智能制造自動(dòng)化生產(chǎn)線是創(chuàng)新設(shè)計(jì)重要環(huán)節(jié)。在本教學(xué)過程，教師需要引導(dǎo)學(xué)生利用創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法發(fā)掘兵工裝備智能制造自動(dòng)化生產(chǎn)線的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)新思路。

本教學(xué)改革項(xiàng)目將課程組成員主持或參與的科研項(xiàng)目相關(guān)內(nèi)容融入教學(xué)環(huán)節(jié)，增設(shè)硬件無法模擬的綜合性虛擬實(shí)驗(yàn)。本教學(xué)模式的改革與實(shí)踐是在項(xiàng)目組成員近年來開展的科學(xué)研究工作及2020年遼寧省新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目、校企合作、遼寧省教學(xué)成果獎(jiǎng)、沈陽(yáng)理工大學(xué)校級(jí)教學(xué)成果獎(jiǎng)、近年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、2020年課程思政專項(xiàng)課題立項(xiàng)、2021年一流課程立項(xiàng)和2022年度本科教材編寫計(jì)劃立項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目取得初步成果的基礎(chǔ)上提出的，完全有能力勝任本項(xiàng)目的研究工作。本教學(xué)模式的改革與實(shí)踐對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量必將起到事半功倍的作用。

5 課程群預(yù)期成果、特色與創(chuàng)新

5.1 預(yù)期的成果

課程組開發(fā)用于虛實(shí)結(jié)合的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程群所需的兵工裝備虛擬樣機(jī)；課程組提出一個(gè)適于創(chuàng)新思維的學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；課程組建立"三元并重"的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)教學(xué)模式。加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)者的創(chuàng)造性，使學(xué)生具備在工程實(shí)踐中靈活應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的能力；課程組建立一種實(shí)現(xiàn)資源共享的全新教育教學(xué)理念，實(shí)現(xiàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)的擴(kuò)展性和開展個(gè)性化創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)困難等不足。

5.2 特色與創(chuàng)新

第一，在機(jī)械創(chuàng)新實(shí)踐中引入虛擬樣機(jī)技術(shù)。課程組將成員主持或參與的科研項(xiàng)目相關(guān)內(nèi)容融入教學(xué)環(huán)節(jié)，可以使學(xué)生親身感受到機(jī)械設(shè)備實(shí)際工作的情境，對(duì)提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力可起到事半功倍的效果。第二，課程組開發(fā)具有開放性接口的虛擬樣機(jī)，使虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐環(huán)節(jié)適應(yīng)性更強(qiáng)，應(yīng)用面更廣。最后，課程組開發(fā)的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程群所需的機(jī)械裝備虛擬樣機(jī)，不僅可以方便地滿足機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)類課程理論教學(xué)的各種要求，有效地解決目前教學(xué)經(jīng)費(fèi)緊張、實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊、課程學(xué)時(shí)少和講授內(nèi)容要求多的矛盾[10]。

6 結(jié)論

機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程群的建設(shè)是對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程的整合與優(yōu)化課程群之間的課程相互支撐、相互依賴、相互呼應(yīng)，融合課程思政，形成了整體性強(qiáng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程群，對(duì)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程群的改革與實(shí)踐進(jìn)行了探索，取得了一定的教學(xué)效果。

課程組通過以項(xiàng)目為導(dǎo)向，提出理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)和科學(xué)研究"三元并重"的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)教學(xué)模式；成員最新（近3年）的科研項(xiàng)目融入教學(xué)環(huán)節(jié)，可以提高學(xué)生對(duì)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力；更新教學(xué)模式，通過翻轉(zhuǎn)課堂和案例式引導(dǎo)教學(xué)，融合課程思政，使課程群教學(xué)重心向?qū)W生轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)教學(xué)角色轉(zhuǎn)變，通過案例教學(xué)使學(xué)生主動(dòng)地在機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程群的講授和實(shí)踐環(huán)節(jié)中汲取知識(shí)，達(dá)到培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的教學(xué)目的。