1. 引言
新工科建设作为提升人才培养水平的重要内容，也是《中国制造2025》的主攻方向。随着计算机技术的广泛运用，传统的产品设计、分析、制造技术正发生着根本性的改变，这也对传统理论课程授课的内容和方式提出了更高的要求。计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助分析(CAE)、计算机辅助制造(CAM)技术得到了快速的发展及越来越广泛的运用。相关技术的应用为理论课程专业知识的验证提供了很好的手段，利于增强学生对知识点的认可度和探索度，多软件在课程中的应用也便于提升学生利用知识解决工程实际问题的能力[1]-[3]，同时培养学生思考问题、解决问题的逻辑性，以及追求卓越的大国工匠精神。
《机械设计基础》是机械类专业课程体系中的基础课程之一，是一门综合机械类多学科内容的理论课程，它涉及运动分析、结构分析等在解决实际工程问题方面的实用内容，课程整体理论性较强，主要是机械的运动学和动力学方面分析与设计基本理论问题、通用机械零(部)件设计和选用方面的基本知识、基本理论和基本方法[4] [5]。本课程要求学生掌握机械中的常用机构和通用零部件的工作原理、结构特点、基本的设计理论和设计计算方法等，并要求学生通过本课程的学习，能够综合运用所学的基础理论和技术知识，联系生产实际和机器的具体工作条件设计合用的零(部)件及简单的装置机械，以便为顺利过渡到专业课程的学习及进行专业产品与设备的设计打下基础。
从教育理论视角来看，建构主义强调学习是学习者在与环境互动中主动建构知识意义的过程，而情境认知理论则主张知识只有在特定的情境中才能被真正理解和应用。本研究提出的“知识闭环验证”教学模式，正是通过构建虚实融合的工程情境，引导学生将抽象理论转化为可操作、可观测的虚拟样机与数据，从而在“理论–建模–仿真–验证”的完整过程中主动建构知识，实现深层次理解。这与上述教育理论的核心思想高度契合。当前，已有不少学者对《机械设计基础》课程的教学改革进行了探索。刘培培通过引入智能设计工具，辅助《机械设计基础》课程的教学，并且构建虚实融合教学场景对工程人才培养的范式进行了探讨[6]。王婷等通过现代设计方法引领教学理念，用实际工程问题牵引教学过程。基于混合式教学和虚拟现实技术，构建“工程牵引、问题驱动、能力导向”的课程教学模式[7]。吴玲等从优化教学内容、创新教学方法、构建实践教学体系、提升双师素质及建立反馈机制五个方面提出改革实践举措[8]。孙帮来等提出了情境化教学模式的构建策略，包括教学内容整合、模块化课程结构设计、实际工程案例引入、项目驱动教学实施等[9]。上述研究在教学方法、技术手段与教学模式上均提供了有益借鉴，但多数侧重于宏观模式构建或单一技术应用，对于如何系统性地将软件工具与理论知识点深度融合，形成可量化、可验证的“知识闭环”教学路径，尚缺乏深入的探讨与实践支撑。本研究正是在此基础上，聚焦于“知识闭环验证能力”这一核心目标，通过系统化的课程内容重构与案例设计，旨在实现理论与实践的深度融合，并为教学效果提供实证依据。
2. 《机械设计基础》课程内容分析
结合目前从事的《机械设计基础》的课程教学经历，目前课程内容主要存在的问题如图1所示：1) 课程授课理论知识和三维建模与仿真技术等实践课程同步进行，但课程内容间并未形成很好的关联性，导致课程与课程之间、理论与实践之间相互孤立，未形成有效的闭环验证。2) 典型的理论授课内容中未展现解决问题的思路和手段，缺少工程应用与理论相结合的典型案例，不利于学生形成工程问题–理论知识–工程手段相结合的设计链。3) 理论授课环节缺乏应用的针对性和目的性，未结合学生实际学习经历提升其对理论知识应用的认可度，应通过学生实际的学习经历来建立对解决工程问题的系统性认知。结合对以上问题的反思，其根源在于忽视了学生的课程知识闭环验证能力。融合工程应用手段的课程内容设计能够将学生所学其他相关实践进行综合，并加以应用到实际问题中，提升学生综合运用所学知识进行实际工程问题的设计和分析应用能力。
Figure 1. Problems in the “Fundamentals of Mechanical Design” course
图1. 《机械设计基础》课程存在的问题
3. 课程学情分析
结合《机械设计基础》课程的具体学情，本课程的授课对象主要为机械类专业大学二年级学生。经过大一及大二上学年的学习，他们已经完成了《机械制图》《计算机辅助设计(如CAD/CAE软件应用)》等先导课程，初步具备了识图、绘图、三维建模以及进行简单运动仿真的能力。他们对机构的组成原理、运动简图的表达以及通过软件进行模型构建和动态演示拥有一定的认知基础。
然而，正是处于这一特定的学习阶段，学生在《机械设计基础》的理论学习过程中暴露出一些典型的学情特征与挑战。首先，学生虽具备初步的软件操作技能，但往往将其视为独立的工具性课程，与《机械设计基础》中的抽象理论(如机构自由度计算、齿轮啮合原理、凸轮设计、转子平衡、强度刚度理论等)是割裂的。这导致他们在学习理论时，容易陷入纯粹的“公式化思维”困境，即能够记忆公式并进行代数运算，但对于公式的物理意义、适用前提及各参数变化对实际机械系统性能的具体影响缺乏深入、直观的理解。其次，他们缺少将抽象理论转化为“具象化数据”的有效途径。例如，他们知道增加构件可以提高机构功能性，但无法立刻通过量化手段看到此举对系统自由度、运动确定性带来的具体变化；他们理解齿轮变位可以避免根切，但难以直观地比较标准齿轮与变位齿轮在齿形、重合度、齿根应力等方面的精确数值差异。这种“理论”与“数据”的脱节，使得学习过程变得枯燥，理解停留在表面。
更深层次的问题在于，学生普遍“缺少理论验证的必要手段和方法”，从而导致“知识点的闭环验证能力不足”。传统的教学模式多以“教师讲授–学生做题”为主，验证理论正确性的方式通常依赖于习题答案的正确与否。这种模式下，学生很难自主设计一个完整的“假设–建模–仿真/分析–验证–优化”的工程逻辑闭环。他们不知道如何运用已掌握的软件工具去搭建一个虚拟样机，施加真实的载荷与约束，通过仿真计算来验证一个四杆机构是否确实满足曲柄存在条件，或者一个轴系结构在既定载荷下的应力分布是否与强度理论计算结果相符。这种验证能力的缺失，使得他们难以将分散的知识点串联起来，形成一个“教、学、用”一体化的完整知识体系，无法体会到理论知识在解决实际工程问题中的巨大价值。
另一方面，机械类专业课程本身存在“理论难度较大、内容繁多且较为抽象”的特点，这进一步加剧了学生的学习困难，容易使其产生畏难情绪，从而“对知识的学习兴趣缺乏”，影响教学效果和人才培养质量。
4. 课程知识闭环验证教学探索
在新工科建设背景下，针对性地制定与改革课程教学内容已成为课程建设的核心议题。其目标在于打破传统理论教学与工程实践之间的壁垒，培养具备扎实理论根基、卓越工程能力和创新素养的复合型人才。本项目深刻把握这一方向，在系统讲授《机械设计基础》理论知识的同时，直面学生在理论学习中“验证闭环”缺失的核心痛点，以课程中的重点与难点知识点为精准切入点，深度融合现代工程软件的应用。通过将抽象的公式、定理和设计准则转化为可交互、可观测的数据化结果、可视化图形、特征化曲线和具象化模型，彻底改变知识的呈现与消化方式。这一过程不仅旨在提升学生的理论闭环验证能力，更着力于锻造其运用现代工具进行机械分析与设计的创新工程能力，从根本上加强学生创新素养的系统性培养。通过精心设计的典型案例，我们将帮助学生建立起“分析问题(明确需求)–提取核心(抽象模型)–联系理论(公式计算)–工程手段(软件验证)–解决问题(优化设计)”的完整工程思维链条，从而实现知识传授、能力培养与价值塑造的有机统一。本项目主要从课程授课内容重构、教学手段创新、教学数据生成与应用等维度着手进行系统性改善，以期实质性提升学生的创新素养和综合工程实践能力。
4.1. 基于三维建模与仿真技术的课程内容框架搭建
为实现上述目标，首要任务是对课程内容进行重构与分类，并为其匹配合适的工程软件工具，搭建一个理论与实践并行、相互支撑的教学框架。我们将课程内容划分为“原理类”和“设计类”两大模块。
原理类教学内容主要聚焦于机构的运动学与动力学规律和特性分析，如自由度、速度、加速度、急回特性、死点、传动比等。这类知识抽象性强，传统教学依赖二维图纸和想象，学生难以形成直观认知。针对此，本课程选择以Adams (机械系统动力学自动分析软件)作为核心教学软件，设计一系列渐进式的教学案例。重点围绕四杆机构的运动轨迹与急回特性、凸轮机构从动件的运动规律、齿轮机构的啮合过程与重合度、轮系的传动比计算与动力传递路径等核心内容展开。通过Adams，学生可以将书本上的机构简图快速转化为动态的虚拟样机，施加真实的驱动和载荷，并直接输出位移、速度、加速度、力等参数的精确数据曲线和动画，从而将“理论推演”与“动态验证”紧密结合起来，化抽象为具体。
设计类教学内容则侧重于机械零部件的设计、选型与性能验证，如轴、轴承、齿轮、键、销等标准件及轴系结构的设计，核心是强度、刚度、寿命等性能指标的计算与校核。这类内容综合性强，涉及材料力学、标准规范等多方面知识。本课程选择以SolidWorks (集三维建模、仿真、分析于一体的软件)作为主要载体设计教学案例。重点围绕轴系结构的正确设计与装配(如轴上零件的定位与固定、轴承的配置与润滑)、关键零件的强度刚度分析(如应用Simulation有限元分析插件)等进行。最终，将《机械设计基础》课程设计的经典课题——二级齿轮减速器——作为综合训练项目。学生需将理论设计计算的全部成果，包括齿轮参数、轴的结构尺寸、箱体布局等，在SolidWorks中转化为完整的三维数字化样机，并进行干涉检查、运动模拟和关键部件的有限元分析，从而实现设计结果的对象化、可视化和可验证化，完成从“图纸设计”到“虚拟制造”的全流程体验。
4.2. 面向原理类课程的教学案例闭环实践教学设计
针对原理类知识，我们设计了“理论先行、仿真验证、数据对比、深度理解”的闭环实践教学路径。
对于四杆机构，学生首先学习曲柄存在条件、急回特性(极位夹角与行程速比系数)、压力角与传动角、死点等理论概念。随后，在Adams中，他们被要求自主搭建不同类型的四杆机构模型。通过运行仿真，可以直接测量出摇杆的摆角、刨刀的行程，并通过生成的速度曲线直观地观察到工作行程与回程的速度差异，从而验证急回特性的存在，如图2所示；可以绘制出传动角随时间变化的曲线，分析其最小值是否满足要求；可以模拟机构在死点位置的状态，并通过施加惯性力或改变机构配置来演示度过死点的方法。
对于凸轮机构，学生需根据从动件的运动规律(如等速、等加速、余弦加速度等)理论，在Adams中定义凸轮的轮廓曲线或从动件的运动函数。仿真运行后，软件能精确输出从动件的位移、速度、加速度曲线，学生可将其与理论曲线进行叠加对比，分析是否存在刚性或柔性冲击，从而深刻理解不同运动规律的特性及其应用场合。
对于齿轮机构和轮系，学生可构建一对齿轮的啮合模型，通过仿真动画清晰观察齿廓啮合的过程，并利用Adams的后处理功能计算并输出瞬时传动比曲线，验证其恒定性；对于周转轮系，则可通过仿真直接测量不同基本件下的转速，并与理论公式计算结果进行比对。
一个典型的综合性案例是牛头刨床机构的虚拟仿真。学生需建立该机构的完整模型，设置刨头的切削阻力，然后运行动力学仿真。之后，他们可以测量并记录刨头在运动过程中关键点的位移、速度、加速度以及导杆的受力情况，并将这些数据与通过运动分析理论公式计算得到的结果进行详细对比。这一完整的“理论–建模–仿真–测量–对比”过程，构成了一个强有力的实践验证闭环，极大地深化了学生对机构运动学和动力学原理的理解。
Figure 2. Teaching case of the four-bar mechanism
图2. 四杆机构教学案例
4.3. 面向设计类课程的教学案例闭环实践教学设计
针对设计类知识，我们强调“设计计算、三维实现、分析校核、优化迭代”的现代设计闭环。
教学从轴系结构设计开始。传统的“轴系结构改错”实验通常在实验箱上进行，空间和零件有限。现在，我们将其迁移到SolidWorks的虚拟环境中。学生可以在软件中接收到一个存在多种错误(如零件定位错误、缺少固定件、装配工艺不合理等)的轴系三维模型库，他们的任务是运用理论知识，发现、分析并修正这些错误，重新进行虚拟装配。这个过程可无限重复，成本低、效率高，且能极大锻炼学生的空间想象力和结构设计能力。
接下来，引入有限元分析(FEA)进行零部件强度刚度校核。学生对自己设计的轴、齿轮等零件，在SolidWorks Simulation中施加理论计算所得的载荷与约束，进行应力应变分析。软件会以云图的形式可视化地展示零件的应力分布和变形情况，并给出最大应力值和最大变形量。学生需要将最大应力与材料的许用应力进行对比，验证其设计是否满足强度要求。如果发现应力集中或变形过大，则需返回修改结构(如增加过渡圆角、改变尺寸)，再次进行分析，直至满足要求。这一过程让学生亲手实践了“设计–分析–优化”的现代工程设计迭代流程。
最终，所有知识点和技能在二级齿轮减速器综合设计项目中融会贯通，如图3所示。学生从输入参数开始，完成所有传动零件、轴、轴承、键的选择与设计计算，然后将每一个零件在SolidWorks中绘制出来，最终装配成总成。他们需要对整个装配体进行干涉检查，对高速轴、齿轮等关键部件进行FEA强度校核，甚至可以进行运动仿真以观察油润滑的飞溅情况。这个完整的数字化设计过程，将课程中分散的知识点(传动设计、轴系设计、连接、润滑密封等)全部串联起来，形成了一个深刻、直观、可验证的完整知识体系，极大地提升了学生的工程成就感和解决复杂工程问题的综合能力。
Figure 3. Content of the two-stage gear reducer teaching project
图3. 二级减速器教学项目内容
5. 实施挑战与对策
本教学改革方案在实际推广过程中可能面临诸多挑战：1) 在有限的学时内既要完成理论讲授，又要安排充分的软件实践与案例研讨，时间压力较大。针对该挑战，可以采用“线上线下混合式”教学，将软件基础操作、案例背景资料等内容结合微课视频供学生课前预习，课堂时间则集中用于重点理论讲解、典型案例研讨和互动答疑。2) 学生前期对SolidWorks、Adams等软件的掌握程度不一，可能影响教学进度。针对该挑战，课程开始前可以进行软件基础摸底，提供差异化的学习资源包(如基础操作教程、快捷键手册)。在分组时注意“强弱搭配”，并鼓励学生开展同伴互助学习。3) 实施该模式要求教师不仅精通理论，还需具备扎实的工程背景和软件应用能力。针对该挑战，可以组织教师参加专项软件培训和工程实践研修。鼓励教学团队吸纳具有企业经验的工程师参与案例开发与教学辅导。4) 传统笔试难以全面评价学生的工程实践与创新能力。针对该挑战，可以构建多元化的考核评价体系，提高课程设计、仿真报告、项目答辩等过程性考核的权重，重点考察学生的建模、分析、优化和验证能力。
6. 讨论
本研究通过教学实践，对“知识闭环验证”教学模式在《机械设计基础》课程中的有效性进行了初步的探索。分析其成效原因，主要在于：第一，该模式契合了建构主义与情境认知理论，通过创设真实的工程问题情境，促进了学生的主动知识建构。第二，软件工具将抽象理论“可视化”与“数据化”，有效降低了学生的认知负荷，提升了理解深度。第三，“理论–建模–仿真–验证”的闭环流程，模拟了真实的工程研发过程，系统性培养了学生的工程思维和创新能力。
然而，本研究仍存在一定的局限性。首先，教学实践周期仅为一学期，其长期效果有待进一步跟踪。未来研究可在更长时间跨度、更多样化的院校背景中进行推广验证，并深入探究不同学生群体(如不同性别、不同学习风格)在该模式下的学习成效差异。
7. 结论
本文针对《机械设计基础》课程教学中理论与实践脱节的核心问题，提出了以提升学生“知识闭环验证能力”为目标的教学改革方案。通过将三维建模与仿真软件(SolidWorks、Adams)深度融入理论教学，构建了“原理类”与“设计类”两大教学模块及相应的闭环实践教学路径。教学实践表明，该模式能有效提升学生的理论知识掌握水平、工程实践能力与学习兴趣。同时，研究也客观分析了方案实施中可能面临的挑战并提出了相应对策。本研究为工科基础课程的教学改革提供了一条可借鉴的、注重能力培养与验证的实践路径。未来工作将聚焦于教学案例库的持续丰富、长效评价机制的建立以及跨校应用的推广。
基金项目
浙江理工大学校级一般教学改革项目(面向机械设计基础课程知识闭环验证能力提升的教学改革研究，基于可视化数据分析的教学案例库构建及教学实践)。