1. 引言
在新工科建设与产业数字化转型的双重驱动下，《机械设计基础》作为工科专业核心课程，承担着培养学生工程设计思维、实践创新能力的关键使命。其教学质量直接影响材料工程、机械制造等领域应用型人才的专业素养，是连接理论知识与工程实践的重要桥梁。《机械设计基础》课程具有显著的综合性，它融合了力学、材料学、制图学等多学科知识，构建起坚实的理论体系；同时紧密联系工程实际，强调将所学理论应用于机械产品的设计、制造与维护；而丰富的基础理论知识是理解和掌握设计方法的根基，在此之上，还对学生的创新思维提出了较高要求，需要学生根据实际需求创新设计机械装置。因此，课程多学科交叉融合的特性与抽象理论知识的固有属性，使其在教学过程中面临诸多现实挑战。
当前，教学可视化不足、虚实实践脱节、产教协同数字化程度浅三大问题严重制约课程教学效能。传统二维图纸与静态模型难以诠释齿轮传动、轴系结构等复杂系统的动态力学关系与空间装配逻辑，导致学生知识碎片化[1]，难以构建系统性工程认知[2]；实践教学中“重验证、轻设计”的模式，与智能制造产业对极端工况模拟、全流程设计仿真的需求严重脱节，学生工程实践能力难以满足产业升级要求[3] [4]；校企合作多停留于线下实习、讲座等传统形式，企业数字化设计流程、标准规范未能有效融入教学，使得学生设计成果与企业生产需求存在代际差距[5] [6]。这些矛盾不仅削弱了课程教学效果，更阻碍了高校人才培养与产业发展的深度对接。
为突破上述困境，针对《机械设计基础》课程以“问题导向–技术赋能–产教协同–成果推广”为主线，融合数字化技术重构教学模式。通过构建虚实联动三阶递进式教学体系、实现数据驱动的教学决策闭环、打造产教协同数字化资源共享平台三大创新路径，探索“理论教学–虚拟实践–企业应用”的闭环教学范式，旨在为地方应用型高校工科课程数字化转型提供可复制、可推广的解决方案，推动教学内容与产业需求的精准适配，实现人才培养质量与产业创新能力的协同提升。
2. 教学方法创新思路
以“问题导向–技术赋能–产教协同–成果推广”为主线，围绕《机械设计基础》课程教学痛点，融合数字化技术重构教学内容与模式。通过开发虚拟仿真资源、对接企业真实项目、建立数据驱动评价体系，实现“理论教学–虚拟实践–企业应用”的闭环创新。同步构建教师数字化能力培养机制，最终形成可复制的地方应用型高校教学范式，推动工科课程数字化转型，具体的研究思路如图1所示。
Figure 1. Research framework for innovative practice of “Virtual-Real Linkage ∙ Data-Driven” teaching paradigm empowered by digital intelligence
图1. 数智赋能下“虚实联动·数据驱动”教学范式创新实践研究思路
在技术赋能层面，从教学资源与教学决策两方面发力。教学资源上，开发三维动态仿真资源，利用Pro/E、ANSYS等工具，针对齿轮传动、轴系结构等知识模块，打造齿轮啮合动力学模拟、轴系装配干涉检测等资源，替代传统二维图纸；整合虚实教学场景，将虚拟仿真实验与企业真实项目结合，构建“基础建模–虚拟验证–企业实践”三阶教学链条；建立数字化衔接机制，制定统一标准，打通理论与实践的数据接口，实现教学环节参数与流程无缝传递。教学决策方面，搭建行为数据采集平台，实时记录学生在软件操作中的行为数据；构建数字化评价指标，基于采集数据制定量化维度，实现学习成效可视化评估；实施动态教学策略调整，根据数据分析结果推送差异化任务与个性化资源，推动教学决策从经验驱动转向数据驱动。
在产教协同维度，通过三项举措深化融合。共建企业项目案例库，联合秦川机床、法士特等企业，将减速器优化、PDM系统流程等真实项目转化为标准化教学案例；搭建云端协作平台，开发数字化协作系统，支持企业工程师在线评审学生设计方案；打通校企数据接口，在协作平台嵌入企业标准数据模块，确保学生设计与企业生产系统直接对接。
3. 教学方法创新具体实施路径及案例
3.1. 构建虚实联动三阶递进式教学体系
在机械设计基础课程教学中，传统的教学模式以静态教材和理论讲解为主，学生难以直观理解复杂的机械结构与工作原理，系统思维培养也存在不足。为解决这些问题，通过优化课程结构，重塑课程内容，构建虚实联动的教学内容体系，将课程内容划分为机构、机械传动、轴系部件和连接四大核心模块。在机构模块教学中，以曲柄滑块机构为例，传统教材仅展示静态结构示意图，学生难以想象其运动过程。引入SolidWorks等三维建模软件后，教师可带领学生建立曲柄、连杆、滑块等零件的三维模型，并按照实际装配关系进行组装。通过软件的动画制作功能，模拟曲柄滑块机构的运动过程，将静态图转化为可视化的三维动态仿真图，学生能清晰看到曲柄的旋转如何带动滑块的往复直线运动，深刻理解机构的运动特性与工作原理。
在机械传动模块，以带传动为例，利用三维建模软件精确构建带轮、传动带等零件模型，模拟带传动过程中带的张紧、与带轮的接触以及传动时的弹性滑动等现象。学生不仅能直观观察传动过程，还可通过调整带的张紧力、带轮直径等参数，观察不同参数对传动效果的影响，培养其工程分析与优化设计的能力。
轴系部件和连接模块的教学同样借助三维建模软件。例如在轴系部件教学中，对轴、轴承、齿轮等零件进行建模与装配，展示轴系的整体结构与各部件间的配合关系。在连接部分，以螺栓连接为例，通过三维模型展示螺栓、螺母与被连接件的装配过程，以及拧紧螺母时各部件的受力变形情况，帮助学生掌握不同连接方式的特点与应用场景。
为培养学生的系统思维，课程设置建立减速器装配图并进行运动仿真的实践环节。学生在完成各零件三维建模后，将齿轮、轴、箱体等零件按照设计要求进行精确装配，形成完整的减速器三维装配模型。利用软件的运动仿真功能，设置输入轴的转速、扭矩等参数，模拟减速器的实际工作状态，观察齿轮的啮合传动、轴的旋转以及各部件间的运动关系。通过这一过程，学生能够从整体上把握机械系统的组成与工作原理，将各模块知识融会贯通，提升系统思维能力。
此外，运用ANSYS软件对减速器轴进行力学分析。在实际工况下，减速器轴会受到多种载荷作用，通过ANSYS软件建立轴的有限元模型，施加相应的转矩、弯矩、径向力等载荷，并设置合适的约束条件。软件能够计算出轴受载后的应力、应变以及变形分布情况，生成直观的云图。学生通过分析云图，可找出轴的危险截面与应力集中部位，进而根据分析结果对轴的结构进行优化设计，如调整轴径尺寸、改变过渡圆角大小等。这一过程不仅加深了学生对机械零件强度、刚度理论的理解，还使其掌握了工程分析软件的应用，提升了工程实践能力。
通过将课程内容模块化教学、结合三维建模与运动仿真以及运用ANSYS软件进行力学分析的教学改革措施，重塑课程结构的优化与课程内容，构建起虚实联动的教学内容体系，来提高机械设计基础课程的教学质量，促进学生知识掌握与能力培养的协同发展。
3.2. 实现数据驱动“采集–评估–优化”教学决策闭环
在机械设计基础课程教学改革的实施过程中，为确保教学效果与学生学习质量，引入学习通、雨课堂等智慧教学平台，构建数据驱动的“采集–评估–优化”教学决策闭环，实现对学生学习过程的动态跟踪与精准指导。
在数据采集环节，充分发挥学习通、雨课堂等平台的功能优势。以学习通为例，教师在平台上发布设计任务，学生完成零件三维建模、运动仿真或力学分析后，将设计方案、设计计算书以及仿真结果(如SolidWorks的装配体文件、ANSYS的应力云图截图等)以附件形式上传至平台指定作业区域。同时，平台自动记录学生的任务开始时间、提交时间，以及在三维建模过程中的操作步骤(如建模时长、修改次数等)，这些数据全面反映了学生的设计进度与投入精力。
教师根据采集的数据进行多维度分析。对于学生提交的设计方案，从设计合理性、创新性、规范性等方面进行评分，结合设计计算结果检查学生对理论知识的应用能力，通过仿真结果分析学生对软件操作的熟练程度与问题解决能力。同时，借助平台的数据分析功能，对学生的学习进度、答题情况等数据进行汇总，生成班级整体学习情况报告以及学生个体的学习画像。例如，发现部分学生在减速器轴的力学分析中，对载荷施加与约束设置存在普遍错误，或是某几名学生设计进度明显滞后，这些问题都将在评估报告中清晰呈现。基于评估结果，教师开展针对性的优化教学活动。对于共性问题，如减速器轴力学分析的错误，教师可在课堂上进行集中讲解，结合典型错误案例进行演示，帮助学生理解正确的操作方法与理论依据；对于进度滞后的学生，通过平台私信或线下约谈的方式，了解其学习困难，制定个性化的学习计划，如提供额外的学习资料、安排小组帮扶等。此外，教师还可根据评估结果调整后续教学内容与节奏，若发现学生对机构运动分析掌握较好，但在机械传动设计计算方面存在不足，可适当增加传动设计的练习与案例分析，优化教学资源配置。
3.3. 打造产教协同数字化资源共享平台
通过共建企业项目案例库、搭建云端协作平台、打通校企数据接口的系统化设计，形成逻辑紧密的实践教学体系，实现教学与产业需求的深度融合。共建企业项目案例库是串联各实践环节的核心纽带。以洛阳一拖为依托开发认知实习案例，将履带式拖拉机底盘铸造工艺中模具设计、浇注系统等机械设计元素融入其中，帮助学生建立机械结构与材料加工的初步认知；在机械设计基础课程设计阶段，引入浙江久立集团不锈钢管材矫直机等真实设备设计需求，学生依据企业提供的技术参数完成传动系统、轴系部件设计，将理论知识应用于解决实际工程问题；浙江久立集团生产实习中的特种合金管材生产线技术难题，则转化为学科竞赛题目，驱动学生在实践中创新。各阶段案例库内容相互衔接，从基础认知到综合应用，构建起完整的实践知识链。
搭建云端协作平台为实践教学全程提供协同支撑。在认知实习阶段，学生通过平台实时上传洛阳一拖参观记录，企业工程师与校内教师在线答疑，深化学生对机械结构与工艺的理解；课程设计时，学生在平台创建项目空间，分阶段提交设计成果，校企导师联合批注指导，形成“设计–反馈–优化”迭代机制；生产实习与学科竞赛期间，借助平台视频会议、文件共享功能，实现学生、企业技术团队、校内导师的远程协作，如针对管材裂纹检测装置设计开展跨时空头脑风暴，保障实践项目高效推进。
打通校企数据接口则实现教学与产业的双向优化。企业将洛阳一拖拖拉机零部件铸造参数、浙江久立集团管材轧制设备运行数据接入平台，教师据此优化教学内容，如在机械设计课程中引用实际载荷谱进行强度计算教学；学生在各实践环节产生的实习报告、设计方案、竞赛成果等数据反馈至企业，企业筛选应用于生产，并将学生能力短板信息反哺学校。
面向国家高端装备制造与新材料产业发展需求，依托商洛学院金属材料工程专业特色及久立集团股份有限公司的行业龙头资源，秉持“产教深度融合、校企协同育人”理念，采用“校企协同、订单定向”培养模式，久立特材制造技术专业作为我校首批微专业之一应运而生。联动久立特材研究院和久立特材现代化生产线，将核电管材成型制造、智能无损检测等真实企业案例转化为教学实训项目。组建校企联合导师团队，对学生进行全程指导，并将工艺优化、质量管理等行业实践要素深度融入教学环节。通过分阶段实训，助力学生在材料分析、金属热处理、无损检测等核心专业能力上实现精准提升。同时，建立教学案例动态迭代机制，每两年更新一次源自企业生产一线的前沿技术案例，确保教学内容与行业发展保持同步。通过三大举措的协同发力，切实提升材料工程专业人才培养质量与产业需求的契合度。
3.4. 成果成效
《机械设计基础》课程开设于大学二年级第二学期，针对“虚实联动·数据驱动”的创新教学模式首先在金属材料工程专业2023级进行试点。23级有两个平行班级，2301班作为对照组，2302班作为实验组，对两个班级的成绩的关键数据进行对比分析如表1所示。如图2所示为2023级《机械设计基础》课程期末考试对照组和实验组各分数段分布图，从图中可以进一步体现采用创新模式后学生的学习效果。
Table 1. Comparative analysis of key data of the final exam scores for the 2023 Grade’s “Fundamentals of Mechanical Design” course
表1. 2023级《机械设计基础》课程期末考试成绩关键数据对比分析
指标 |
平均分 |
合格率 |
优秀率 |
良好率 |
高分段人数 |
对照组 |
57.3 |
51.7% |
0.0% |
6.9% |
2人 |
实验组 |
61.6 |
57.1% |
3.6% |
14.3% |
5人 |
提升情况 |
+4.3分 |
+5.4% |
+3.6% |
7.4% |
150% |
从关键数据对比来看，实行数智赋能下“虚实联动·数据驱动”教学模式后，学生成绩在多个维度呈现显著优化。整体学习效果显著提升，实验组平均分较对照组提高4.3分，相对提升幅度约7.5%，表明教学模式改革对学生的整体知识掌握程度有积极促进作用。这一提升可能源于“虚实联动”使得学生对抽象知识具象化，帮助学生更高效地理解和吸收课程内容。合格率从51.7%提升至57.1%，提高了5.4%，说明改革后更多学生达到课程基本要求。结合分数段数据中“及格段60~69分比例下降”“中高分段比例上升”的趋势，可推测改革不仅帮助基础薄弱学生突破及格线，更推动学生向更高水平进阶，而非单纯“低空掠过”，体现了教学对不同层次学生的普遍增益。优秀率从0提升至3.6%，良好率从6.9%提升至14.3%，相对增幅超100%，高分段(良好 + 优秀)人数从2人翻倍至5人，表明改革对学生高阶思维和综合应用能力的培养有明显效果，各项指标的正向变化反映了数智赋能教学模式具有一定的有效性。综上，数据表明，该教学模式改革在提升学生学业表现、促进分层发展、强化高阶能力等方面均能够取得一定的成效，为《机械设计基础》等实践性较强的课程提供了可借鉴的教学优化路径。
Figure 2. Distribution of scores in different score ranges for the control group and experimental group in the final exam of the “Fundamentals of Mechanical Design” course for the 2023 grade
图2. 2023级《机械设计基础》课程期末考试对照组和实验组各分数段分布图
4. 结语
综上所述，本文基于新工科建设与产业数字化转型背景，针对《机械设计基础》课程教学痛点，以数字化技术为核心驱动力，提出了“虚实联动·数据驱动”的创新教学创新思路。通过构建虚实联动三阶递进式教学体系，来实现复杂机械原理的可视化教学与系统思维培养；借助数据驱动的“采集–评估–优化”教学决策闭环，推动教学从经验导向转向精准化、个性化；依托产教协同数字化资源共享平台，有效弥合教学内容与企业生产需求间的代际差距。希望通过该模式的实施提升学生的工程设计能力、创新思维与企业适配度，为地方应用型高校工科课程改革提供可量化、可复制的解决方案。然而，教学改革是持续迭代的动态过程。未来，应深化人工智能在教学决策中的应用，强化校企数据协同创新，完善跨区域数字化资源共享，以此推动高校人才培养与产业数字化同频发展，助力制造强国建设。
基金项目
商洛学院教育教学改革重点项目(24jyjxl05)；2023年课程思政示范研究中心(23JXYJ01)；陕西省第三批一流社会实践课程《创新创业教育与训练》；商洛学院教育教学改革研究项目(24jyjx121)。
NOTES
*通讯作者。