李明昊，田楊，羅冰，馬小英，易廣建

（沈陽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159）

1 機械創(chuàng)新設(shè)計課程群教學(xué)改革背景

“創(chuàng)新是一個民族進步的靈魂，是一個國家興旺發(fā)達的不竭動力，也是中華民族最深沉的民族稟賦”。創(chuàng)新設(shè)計是大學(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)秀的機械設(shè)計工程師，需要有扎實的專業(yè)知識和工程經(jīng)驗，更需要創(chuàng)新設(shè)計能力的支撐[1]。機械創(chuàng)新設(shè)計課程群在大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計能力培養(yǎng)中扮演著重要的角色，是高等學(xué)校教學(xué)研究改革的熱點課題之一。

機械創(chuàng)新設(shè)計課程群貫穿大二、大三和大四學(xué)期。機械創(chuàng)新設(shè)計課程群具有明顯理論教學(xué)、實踐教學(xué)和科學(xué)研究融合特點的課程群，它不僅是極為重要的專業(yè)知識，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]。機械創(chuàng)新設(shè)計課程群以機械原理和機械設(shè)計為基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用了數(shù)學(xué)、力學(xué)和計算機理論的相關(guān)知識，是一個跨學(xué)科的綜合性工程科學(xué)。實踐教學(xué)、科學(xué)研究反哺教學(xué)是理論聯(lián)系實踐的紐帶，在機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的教育教學(xué)中占有非常重要的地位。

三元并重的機械創(chuàng)新設(shè)計課程群教學(xué)模式的改革與實踐以機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的未來發(fā)展需求為導(dǎo)向，以創(chuàng)新設(shè)計人才培養(yǎng)為目標(biāo)，堅持理論教學(xué)、實踐教學(xué)和科學(xué)研究"三元并重"的教學(xué)模式。三元并重的機械創(chuàng)新設(shè)計課程群教學(xué)模式已經(jīng)在機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的人才培養(yǎng)方案中審核通過并開始有序?qū)嵤3]?；谔摂M樣機技術(shù)（Virtual Prototyping，VP），提出三元并重的機械創(chuàng)新設(shè)計課程群教學(xué)模式的研究與實踐項目，該項目可以很好地彌補傳統(tǒng)實驗室建設(shè)周期長、投入資金多、開放性受限制、實驗室安全性條件要求高，而且實現(xiàn)實驗的擴展性、重用性和開展個性化創(chuàng)新實驗困難等不足的問題。課程群教師挖掘了多個兵工思政融入點，能為課程群的教學(xué)改革提供基本素材，同時激發(fā)學(xué)生的興趣，使學(xué)生深刻意識到逐步積累我國獨立的技術(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)費緊張、課程學(xué)時少和講授內(nèi)容要求多的矛盾，還可建立融合學(xué)習(xí)能力、實踐能力和創(chuàng)新設(shè)計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)生具備在工程實踐中靈活應(yīng)用所學(xué)知識的能力。機械創(chuàng)新設(shè)計課程群支撐人才培養(yǎng)方案中的指標(biāo)點：根據(jù)選擇的方案，能夠綜合運用多學(xué)科知識和創(chuàng)新的思維，設(shè)計/開發(fā)出滿足特定需求的機械零部件、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)知識解決工程實際問題的能力。

2 課程群教學(xué)模式

課程組建立了具有擴展性和特色的課程群教學(xué)模式，可以實現(xiàn)資源共享和虛擬教學(xué)的機械創(chuàng)新設(shè)計實踐環(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，在夯實理論知識的基礎(chǔ)上，提高學(xué)生創(chuàng)新意識。課程組重新梳理了創(chuàng)新設(shè)計課程群：包括機械原理、機械設(shè)計、機械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計、有限元法、機械優(yōu)化設(shè)計、機械可靠性設(shè)計和機械創(chuàng)新實踐訓(xùn)練等課程，使學(xué)生掌握扎實的機械創(chuàng)新設(shè)計理論與技術(shù)。

2）強調(diào)課程內(nèi)容之間的銜接和呼應(yīng)?；谟邢拊?、機械優(yōu)化設(shè)計、機械可靠性設(shè)計和機械振動學(xué)基礎(chǔ)等課程，課程組在課程中突出實踐環(huán)節(jié)的重要性，強調(diào)課程內(nèi)容之間的銜接和呼應(yīng)。

在2021版的機械設(shè)計制造及其自動化專業(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)時中講授有限元軟件ANSYS的應(yīng)用，與其相對應(yīng)的內(nèi)容，在機械振動學(xué)基礎(chǔ)課程的第11學(xué)時，講授連續(xù)系統(tǒng)的振動理論計算，并布置利用ANSYS對梁的彎曲振動進行仿真分析；在有限元法和機械振動學(xué)基礎(chǔ)的課程中以兵工裝備行業(yè)的應(yīng)用案例為分析對象，在第10周開設(shè)的機械優(yōu)化設(shè)計和機械可靠性設(shè)計課程中，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周的機械創(chuàng)新實踐訓(xùn)練（2周課程設(shè)計）中對上述課程理論、實踐環(huán)節(jié)和科學(xué)研究內(nèi)容進行總結(jié)。

筆者作為機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的負責(zé)人，在大綱的制定和審核過程中，設(shè)計了機械創(chuàng)新設(shè)計課程群內(nèi)容之間的眾多銜接點和呼應(yīng)點，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)建機械裝備虛擬樣機。以科研項目案例為導(dǎo)向，面向兵工裝備行業(yè)，制定虛實結(jié)合的教學(xué)模式，課程組構(gòu)建機械創(chuàng)新設(shè)計課程群所需的機械裝備虛擬樣機。

4）課程思政。課程組基于本課程的校級“課程思政”多項立項，需要更深入地挖掘和整合課程群的兵工思政融入點，使學(xué)生意識自主創(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)的機械裝備虛擬樣機，可以彌補傳統(tǒng)教學(xué)實驗室建設(shè)周期長、投入資金多、開放性受限、實驗室安全性條件要求高，而且虛擬樣機可以實現(xiàn)實踐環(huán)節(jié)的擴展性和開展個性化創(chuàng)新設(shè)計實踐環(huán)節(jié)困難等不足[5]。

3.2 建立融理論教學(xué)、實踐教學(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)生具備在工程實踐中靈活應(yīng)用所學(xué)知識的能力。

3.3 提出一個適于創(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)的機械裝備虛擬樣機支撐人才培養(yǎng)方案中的指標(biāo)點為：擁有較高的職業(yè)素養(yǎng)及創(chuàng)新精神，能夠綜合運用多學(xué)科知識和創(chuàng)新的思維，設(shè)計/開發(fā)出滿足特定需求的機械零部件、系統(tǒng)裝備或工藝流程。

4 課程群教學(xué)實施方案與研究方法

4.1 實施方案

教學(xué)改革需要細致梳理課程群的知識結(jié)構(gòu)體系，課程組加強知識的嚴(yán)密性和科學(xué)的承接性，按認知規(guī)律組織教學(xué)方面進行認真的研究與實踐[6]。機械創(chuàng)新設(shè)計課程群如圖1所示。

圖1 機械創(chuàng)新設(shè)計課程群

虛擬樣機技術(shù)是課程群教學(xué)模式改革的核心，進一步完善虛擬樣機建模，面向兵工裝備行業(yè)，構(gòu)建兵工裝備典型機械設(shè)備的虛擬樣機，充分利用現(xiàn)有的實驗資源，可以節(jié)省大量的教育經(jīng)費[7]。用于虛實結(jié)合教學(xué)模式的綜合類實驗樣機如圖2所示。

圖2 機械創(chuàng)新設(shè)計課程群虛擬樣機

4.2 研究方法

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

1）梳理并調(diào)整機械創(chuàng)新設(shè)計課程群結(jié)構(gòu)，重構(gòu)融入兵工課程思政點的課程體系。課程組梳理并調(diào)整機械創(chuàng)新設(shè)計課程群結(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。在夯實理論知識的前提下，課程組應(yīng)使學(xué)生熟練應(yīng)用創(chuàng)新設(shè)計方法對典型機械裝備進行創(chuàng)新設(shè)計。課程組開展案例式教學(xué)，注重理論聯(lián)系實踐，強調(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，使學(xué)生深刻理解習(xí)近平總書記對創(chuàng)新設(shè)計的認識。

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

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

機械創(chuàng)新設(shè)計課程群虛擬樣機實踐案例實施過程如下。

1）實踐案例1：家政機械創(chuàng)新設(shè)計。我國家政機械的需要越來越大，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)計思維和方法。教師結(jié)合多媒體，探索國內(nèi)外家政機械的原理，激發(fā)創(chuàng)新設(shè)計思維。

2）實踐案例2：康復(fù)機械創(chuàng)新設(shè)計?？祻?fù)機械正處于飛速發(fā)展期，結(jié)合目前腿部、手部康復(fù)機械設(shè)計中存在的熱點問題。引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)康復(fù)機械創(chuàng)新設(shè)計的熱點和難點，提出康復(fù)機械設(shè)計的新思維。

3）實踐案例3：基于TRIZ理論的帶式輸送機創(chuàng)新設(shè)計。帶式輸送機在兵工行業(yè)去人工化和全自動化的進程中占有重要的地位。使學(xué)生了解基于TRIZ理論的帶式輸送機創(chuàng)新設(shè)計思路和方法。

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

5）實踐案例5：水下仿生機器魚創(chuàng)新設(shè)計。水下機器魚類型眾多，極為適合作為機械創(chuàng)新設(shè)計的案例。水下機器魚可分為撲翼類、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)新思維進行創(chuàng)新設(shè)計。

6）實踐案例6：兵工裝備智能制造自動化生產(chǎn)線創(chuàng)新設(shè)計。兵工裝備智能制造自動化生產(chǎn)線是創(chuàng)新設(shè)計重要環(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)計方法發(fā)掘兵工裝備智能制造自動化生產(chǎn)線的機械創(chuàng)新設(shè)計新思路。

本教學(xué)改革項目將課程組成員主持或參與的科研項目相關(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驗。本教學(xué)模式的改革與實踐是在項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踐項目、校企合作、遼寧省教學(xué)成果獎、沈陽理工大學(xué)校級教學(xué)成果獎、近年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、2020年課程思政專項課題立項、2021年一流課程立項和2022年度本科教材編寫計劃立項重點項目取得初步成果的基礎(chǔ)上提出的，完全有能力勝任本項目的研究工作。本教學(xué)模式的改革與實踐對提高教學(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)用于虛實結(jié)合的機械創(chuàng)新設(shè)計課程群所需的兵工裝備虛擬樣機；課程組提出一個適于創(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"的機械創(chuàng)新設(shè)計教學(xué)模式。加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解，培養(yǎng)實驗者的創(chuàng)造性，使學(xué)生具備在工程實踐中靈活應(yīng)用所學(xué)知識的能力；課程組建立一種實現(xiàn)資源共享的全新教育教學(xué)理念，實現(xiàn)實踐環(huán)節(jié)的擴展性和開展個性化創(chuàng)新設(shè)計實踐環(huán)節(jié)困難等不足。

5.2 特色與創(chuàng)新

第一，在機械創(chuàng)新實踐中引入虛擬樣機技術(shù)。課程組將成員主持或參與的科研項目相關(guān)內(nèi)容融入教學(xué)環(huán)節(jié)，可以使學(xué)生親身感受到機械設(shè)備實際工作的情境，對提高學(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，使虛實結(jié)合的實踐環(huán)節(jié)適應(yīng)性更強，應(yīng)用面更廣。最后，課程組開發(fā)的機械創(chuàng)新設(shè)計課程群所需的機械裝備虛擬樣機，不僅可以方便地滿足機械創(chuàng)新設(shè)計類課程理論教學(xué)的各種要求，有效地解決目前教學(xué)經(jīng)費緊張、實驗設(shè)備陳舊、課程學(xué)時少和講授內(nèi)容要求多的矛盾[10]。

6 結(jié)論

機械創(chuàng)新設(shè)計課程群的建設(shè)是對創(chuàng)新設(shè)計課程的整合與優(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，形成了整體性強的創(chuàng)新設(shè)計課程群，對機械創(chuàng)新設(shè)計課程群的改革與實踐進行了探索，取得了一定的教學(xué)效果。

課程組通過以項目為導(dǎo)向，提出理論教學(xué)、實踐教學(xué)和科學(xué)研究"三元并重"的機械創(chuàng)新設(shè)計教學(xué)模式；成員最新（近3年）的科研項目融入教學(xué)環(huán)節(jié)，可以提高學(xué)生對機械創(chuàng)新設(shè)計的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力；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，實現(xiàn)教學(xué)角色轉(zhuǎn)變，通過案例教學(xué)使學(xué)生主動地在機械創(chuàng)新設(shè)計課程群的講授和實踐環(huán)節(jié)中汲取知識，達到培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的教學(xué)目的。