数字化转型背景下机械设计实践课程教学改革与研究

［摘           要］  为适应教育数字化转型的发展趋势，北京科技大学对机械设计专业实践课程进行了数字化教学改革和研究，提出了数字化机械设计实践课程的设计方案、教学理念和教学方法，探索了数字化机械设计实践教学的课程内容，研究了实践教学平台建设的可行性、先进性及扩展性，探讨了培养目标、教学内容及教学方法之间的对应支撑关系。以学生为中心，以成果为导向，利用项目驱动的方式，实施了基于国际主流OBE-CDIO教学模式的实践课程，通过对教师和学生的双向评价，表明数字化机械设计实践应用效果良好，课程改革的新方法、新模式以及先进的数字化教学内容得到了学生认可，对教学质量形成了持续改进，促进了数字化转型背景下新工科复合型人才培养模式的创新和发展。

［关    键   词］  教育数字化转型；机械设计；课程改革；教学模式

［中图分类号］  G642                    ［文献标志码］  A                  ［文章编号］  2096-0603（2023）02-0001-04

一、研究背景及意义

为率先完成新一轮的产业革命，全球先进制造业国家纷纷将数字化战略上升为国家战略。美国在2010年及之后的国防制造业计划中，将数字化制造技术列为优先发展的重点技术之一。德国2013年提出“工业4.0”战略规划，目标是实现制造业向数字化和智能化的转型。我国政府于2015年5月公布了《中国制造2025》战略规划，推行数字化、智能化制造，将数字化变革提升到国家层面。2020年11月，政府把“推进数字产业化和产业数字化，推动数字经济和实体经济深度融合”的政策要求写入了《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标》[1]，使数字化成为我国社会与生产制造行业在“十四五”时期经济体系优化升级的重要战略方向。

二、国内外研究现状

教育作为实现可持续发展的重点领域，其数字化转型已成为未来教育改革和发展的重要趋势。2020年9月，联合国教科文组织、国际电信联盟和联合国儿童基金会联合发布了《教育数字化转型：学校联通，学生赋能》；欧盟发布了《数字教育行动计划（2021—2027年）》。我国在推进技术与教育深度融合中也发布了系列教育数字化战略和计划，以实现教学过程创新、培养模式变革、治理决策优化等，强调推动数字技术在教学、管理、资源建设等方面的全流程应用。2021年8月，教育部批复同意上海成为教育数字化转型试点区[2]，同年12月，全国教育信息化工作会议召开，提出要对传统的学校进行数字化转型；2022年2月，全国教育工作会议更提出了要实施教育数字化战略行动，同年4月，财政部、国家发展和改革委员会联合召开新一轮“双一流”建设推进会，会上教育部党组书记、部长怀进鹏提出，坚持教育信息化促进教育现代化，深入实施教学数字化战略行动，促进我国高等教育的理念变革、思想变革、方法变革、实践变革，形成教育与科研的中国新模式[3]。

教育数字化转型作为建设数字中国的重要支撑，对于我国全面深化教育改革、创新人才发展模式、把握数字时代发展先机具有重要的战略意义。在新时代背景下，高校课程建设需强化数字化技术与高等教育深度融合[4]。随着数字化转型及对人才培养建设提出的新要求，机械工程学科体系和知识结构也将随之发生变化。MorrakotRaweewan等人[5]认为数字化精益生产课程，应使学生能够用可视化方法检测出错误并将其消除，同时进行工艺设计的灵敏度分析，增强团队协作能力。李厚佳等人[6]基于制造业数字化转型发展对人才培养的新要求，构建了全闭环制造类人才培养数字化转型方案，提高了教学水平和教学质量，取得了一定成效。邱林宾等人[7]设计并搭建了可视化溢流阀失稳实验平台，在教学过程中形象地展示了溢流阀内部工作过程。张文等人[8]开发了激光熔覆虚拟仿真实验平台，解决了成本高、教学安全隐患等问题，实践了实验教学的新模式。

三、当前存在的问题

北京科技大学发扬严谨治学、甘为人梯的精神，为服务国家重大战略需要，先后与鞍钢集团签订了“高端钢铁材料数字化研发联合实验室”协议，与中冶宝钢签约了“数字化转型”战略合作关系。2016年，北京科技大学获批教育部“钢铁生产全流程虚拟仿真实验教学中心”[9]，采用创新性教学方法与手段，实现了现代钢铁生产可视化全流程学习，为工程实践教学和学生创新创业提供了强有力支撑。2021年，李擎等人[10]在疫情防控背景下综合运用“在线直播+SPOC平台+虚拟仿真+远程真实实验”等多样化的数字化、信息化教学手段，构建了疫情防控背景下电路实验课程远程在线教学新模式，达到了与线下实验实质等效的教学效果。

尽管取得一定成绩，但北京科技大学教育数字化转型的改革和研究仍处于探索起步阶段，各学科的数字化建设仍存在发展不充分、不平衡等问题，尚不能满足新工科建设对创新复合型人才的培养要求，目前机械设计专业实践教学存在的主要问题有以下四点。

一是授课对象简单。传统机械设计实践授课对象主要针对简单的轴类或箱体类零件，课程内容通过套用经验公式计算出零件设计尺寸，内容单调乏味，且随着科学技术的发展，培养学生解决复杂工程问题能力的需求日益凸显。

二是缺乏先进的实践课程内容。传统机械设计的实践内容主要通过手绘或者CAD技术画出简单零件的工程图或者三维图，教学内容陈旧，与现代机械设计的发展趋势和对创新复合型人才培养的要求差距较大，欠缺先进的数字化设计技术实践教学内容，离教育数字化转型目标相距甚远。

三是教学模式单一。在传统机械设计专业实践过程中，教师讲授实验原理和实验方法，学生按照教师布置的教学内容开展机械式的实践课程内容。这种以教师为主、学生为辅的“填鸭式”教学模式造成了学生积极性不强，重视程度不足，导致其对理论基础理解不透彻，实践性较强的机械设计专业授课效果和质量大打折扣。

四是考核方式固化。传统考核方式主要为依据实验报告、出勤率和课程成绩等，对学生做出最终评价，考核方式单一，成绩区分度不高，导致学生重视度不足，出现应付差事、抄袭报告、缺勤等现象，不能有效发挥实践教学在培养学生实践能力和科学创新能力的作用。

基于上述问题和教育数字化转型的迫切需求，探索和研究面向复杂工程问题的数字化机械设计实践课程建设对机械工程学科的发展和我国高素质人才质量的培养体系建设具有积极的促进意义。

四、课程改革与建设

数字化机械设计实践课程的改革和建设主要包括以下四个方面：顶层设计、课程内容改革、实验平台建设以及双向考核评价机制。

（一）顶层设计

实践教学顶层设计的研究主要包括三方面内容：教学大纲、教学理念、教学模式。

依据工程教育认证培养标准和北京科技大学机械工程学科的专业特色，同时借鉴一线制造企业丰富的实践经验，制定了可实施的《数字化机械设计实践》教学大纲和课程目标，如图1所示。《数字化机械设计实践》教学大纲主要包括大纲说明、毕业要求、教学内容、可行性分析以及考核方式与评分标准五部分，充分评估了课程目标、教学方法以及教学内容的可实施性和先进性。

通过研究数字化机械设计实践课程的教学理念、教学模式与成果产出的关系，探讨了教师和学生在实践教学过程中的角色和作用。依据先进的OBE教育理念，制定了数字化机械设计实践教学设计路线，研究课程体系各要素的自身特点及相互关系，以学生为中心，以成果为导向，反向设计了数字化机械设计实践教学的课程内容。同时，基于国际主流的CDIO教学模式，正向实施了数字化机械设计实践教学的构思、设计、实施和运行4个环节，如图2所示。首先，在构思阶段，教师布置项目任务和需求，学生通过文献检索、小组讨论等形式，制定项目需求计划，教师审核项目任务书，达到合格标准或者教师单独指派项目任务方可进入下一阶段。其次，在设计阶段，学生通过查阅技术资料、慕课等资源的学习，设计项目的总体方案，教师评审且达到要求后，学生方可进入互联网云课程进行知识检验，再次检验合格后才能进入下一阶段。再次，在实施阶段，学生可通过电话或者线上平台预约合理的时间到实验室进行相关实验的现场实施，教师一边指导一边对课程实施过程中遇到的问题和产生的结果进行分析和评价。最后，在运行阶段教师可根据项目中可能出现的问题，对学生项目实施过程增加干扰和不确定因素，以检验项目实施的可靠性和鲁棒性。完成上述工作后，进行项目总结，撰写项目研究结题报告，并完成实验报告和实验作业。

（二）课程内容改革

机械设计是产品零部件成型的起始阶段，是保证产品质量最终的重要环节，关注和改善设计过程可大幅降低产品成本并提升产品的可制造性和后期维修的便利性。因此，高质量、高效率的机械设计阶段是提高产品质量、降低成本、缩短产品开发周期的重要保证。对于轴套类、棒类及箱体类等简单零件可采用传统的机械设计方法进行正向设计，即首先从确定产品需求计划开始，计算出结构性能参数和几何尺寸，再利用绘图软件进行绘图、建模等流程，最终完成整个设计周期。

为了增强课程的深度，改善教学质量，实施数字化教学内容，可采用复杂工程问题中的关键核心零件，比如利用设计难度大的复杂零件（复杂曲面叶轮、曲轴等）作为授课内容，同时将思政元素纳入课程内容，树立学生科技强国、科技报国的理想和信念。

复杂零件的设计仅依靠传统机械设计方法很难在有限的时间内完成，且在新产品开发中，全新结构设计只占20%，其余80%重用以前的设计。因此，可引入先进的数字化逆向工程技术进行复杂零件的反求设计，大幅减低设计成本和研发周期，即根据已有的实物模型实现再设计：复杂零件实物—逆向工程技术—数字化CAD模型—数字化再设计—新产品。在数字化机械设计实践实验课程改革中，教学团队引入了先进的数字化反求设计技术，以学生中心，以成果为导向，通过项目驱动的方式开展了复杂零件的数字化机械设计实践课程内容，使学生理解和掌握解决现代机械设计的新理论、新方法、新技术和新工艺，为实现关键核心零部件的国产化奠定了学习和实践基础。数字化机械设计实践课程的培养目标制定如表1所示。

（三）实践平台建设

数字化机械设计实践教学平台是开设实验课程内容的基础，在建设过程中应充分考虑仪器设备购置的先进性、必要性、有效性及扩展性，前期应进行调研、专家咨询、确定人才培养方案、制作、交货、师资培训等过程，确保课程和学校现有的专业课程有机结合，对师资进行培训确保知识技能传授的完整性，充分发挥学校和企业在平台建设中的作用，利用校企合作、产教结合等方式共建先进的数字化机械设计实验室和课程教学内容，形成校企合作的长效协同育人机制。同时，数字化设计的仪器设备加入了学校共享开放服务平台，可为学生的科技创新竞赛、本科生/研究生的毕业课题等提供教学和科研服务，提高了使用率，而且创造的社会经济效益可有效反哺和改善实验条件，形成良性循环。

基于数字化机械设计实践课程改革的需求，北京科技大学建立了复杂零件数字化逆向工程实验室，通过对复杂物体表面进行扫描，获得了三维点云数据，利用先进的逆向设计软件，能够将扫描点云数据经过优化处理后生成精确的三维数字CAD模型[11，12]。利用三维数字化逆向技术将实物的立体信息转换为数字信号，为数字化建模提供了高效便捷的技术手段，后续可继续扩展和建设增材制造实验室，打造先进的数字化设计与制造一体化实训教学中心，有效改善高等院校机械工程学科的数字化办学条件。