摘要: 三维建模与仿真技术课程作为机械类本科生的课程，其教学内容主要围绕软件应用解决实际工程问题展开。本文在软件操作授课的同时，针对理论课程知识实践验证闭环的需求，以培养具有优秀创新素养的专业技术人才为目标，以服务机械类专业课程教学和机械类学生为实施对象，将机械原理类、设计类课程与实践课程的重点知识点融入课程教学中，通过软件学习实现理论实践验证，提升学生软件应用能力的同时，也让学生学习如何运用软件去解决实际工程问题，建立机械分析的创新工程能力，加强学生创新素养培养。
Abstract: As a mechanical undergraduate course, the teaching content of 3D modeling and simulation technology mainly focuses on software application to solve practical engineering problems. At the same time of teaching software operation, this paper aims at cultivating professional and technical talents with excellent innovation literacy for the closed-loop verification of knowledge practice of theoretical courses, and aims to serve the teaching of mechanical courses and students of mechanical majors. The key knowledge points of mechanical principles, design courses and practical courses are integrated into the course teaching. Through software learning, we can realize theoretical and practical verification, improve students’ software application ability, and at the same time, let students learn how to use software to solve practical engineering problems, establish innovative engineering ability of mechanical analysis, and strengthen students’ innovation literacy training.
1. 引言
新工科建设的作为提升人才培养水平的重要内容[1]，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、制造技术正在发生着根本性的改变。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。《三维建模与仿真技术》是CAD/CAE/CAM技术中不可或缺的重要组成部分，是一门具有较强实践性的技术课程。本课程的教学目的是使学生掌握三维建模与机构分析方法，使学生初步学会三维建模进行工程实际设计问题，将力学、机械原理、机械设计等课程相关基础知识与专业软件的结合[2]，辅助分析与设计机构、机械系统的技术基础课。
《三维建模与仿真技术》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的技术，它涉及计算机辅助设计、分析等在解决实际工程问题方面的实用内容[3]。本课程讲述机械设备三维建模及仿真的相关软件操作，以机械设计、机械原理、机械设计基础等课程内容为基础，通过软件将所学理论知识进行项目应用实践，以可视化模型和仿真的形式对理论结果进行验证[4]。工程创新能力的培养作为人才培养的重要组成部分，需要从课程授课内容、教育方式等方面着手进行改善，以提升大学生的创新素养[5]。结合机械类专业的发展趋势，有针对性的制定课程教学内容是课程建设的核心问题，也是新工科建设的重点内容。
本文通过将课程内容系统的进行整理，与机械类专业课程进行多维的关联，将软件教学与理论课程、实践课程进行关联，在进行软件学习的同时，去进行理论知识的闭环验证以增强知识的掌握，提升增强学生理论学习的认可度和自信力。
2. 三维建模与仿真技术课程内容分析
结合目前从事的《三维建模与仿真技术》的课程教学经历，目前课程内容主要存在问题如图1所示。主要有以下问题：1) 课程授课与机械设计基础、机械设计同步进行，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。2) 软件实操环节并未结合实际需求进行设计案例，使学生不能形成较好的应用思维，造成理论分析、设计、建模、仿真分析、设计改进的完整设计链断裂。3) 在软件实践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软件应用的认可度。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，其根源在于忽视了课程之前的关联性。多维关联的课程内容设计能够将学生所学其他相关课程进行综合，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。多维关联的课程内容设计既要求不同课程知识点之间的有机关联，同时也要求课程内容与实际工程问题之间的有机关联，充分重视学生当前的已学内容与整体学习目标的关联。
Figure 1. The problems in the course of “3D Modeling and Simulation Technology”
图1. 《三维建模与仿真技术》课程存在问题
3. 课程学情分析
结合《三维建模与仿真技术》课程的具体学情，课程授课对象为机械类专业大二学生，这一阶段已完成部分机械原理、机械设计、机械设计基础、机械制图等相关课程的学习，对机构的原理解析、模型表达和仿真有一定的了解，但对其中的理论原理的实践认知相对较少，缺少理论验证的必要手段和方法，尚未形成教、学、用的完整知识体系，这也正是本课程要解决的问题。同时机械类专业课的内容作为机械专业学生培养的重点内容，存在理论难度较大，内容多等特点，也较为抽象不利于学习的效果，容易造成学生对知识的学习兴趣缺乏。针对这些特点，本项目通过将理论知识应用到实际的案例中，在软件学习中对理论学习的结果进行验证，提升学生对知识和软件应用的认可度和兴趣度，结合课程培养目标及教学要求，设计学生切实可行的项目分析案例，使其能够成为在完成教学内容学习的同时，提升自身的实践能力，课程改革内容如图2所示。
Figure 2. The reform content of curriculum
图2. 课程改革内容
4. 课程模块化教学设计探索思路
三维建模与仿真技术课程围绕Solidworks三维建模和Adams动力学仿真软件的应用展开。三维建模通过将零件和装配体以可视化的形式进行展现，在设计类内容的关联上具有独特的优势，以三维模型去展现结构设计中经常容易忽略的问题，以最直观的方式增强学生对课堂内容的记忆。Adams动力学仿真是通过将构建虚拟仿真模型，为结构添加物理参数、约束、驱动等函数来实现机构的运动模拟和性能评估，对于其中的数据均可以以测量曲线的形式直观展示。结合课程的具体内容，将机械类专业课按照原理类和设计类进行划分，原理类教学内容主要针对机构的运动规律和特性进行，在本课程中以Adams软件设计课程教学案例，重点围绕四杆机构、凸轮机构、齿轮机构、轮系运动特性分析进行，并将机械原理课程设计的牛头刨床机构的理论分析作为仿真验证的综合案例。设计类教学内容主要针对机构的零件、轴承等标准件、轴系等进行设计，在本课程中以Solidworks软件设计课程教学案例，重点围绕轴系结构、零件强度分析进行，并将机械设计/机械设计基础的课程设计二级齿轮减速器作为三维建模的综合案例。
针对原理类课程中的运动规律和特性内容，结合仿真案例对重要部分内容进行仿真分析。对于以四杆机构，通过搭建虚拟仿真模型，运行仿真分析其运动规律、急回特性、极位夹角、死点等特性；对于凸轮机构，分析其运动规律、导程、凸轮转角等基本特性；对于齿轮机构，分析其运动规律、齿间啮合、重合度等基本特性；对于轮系，分析其传动比等。通过仿真的形式加深学生对以上特性的理解。通过建立牛头刨床机构虚拟仿真模型，测量关键点速度、导程、位移参数，与理论结果进行对比，形成实践验证闭环。针对设计类课程的教学内容，结合三维建模对重要部分的内容进行可视化模型展示和学习，借助于软件的有限元插件实现对重要零部件的应力分析。主要围绕轴系结构的设计，通过轴系机构改错和设计案例加强学生对该部分内容的理解。以二级齿轮减速器机构为综合训练模型，建立其完整三维模型，将理论设计的结果对象化、可视化，形成实践验证闭环。以四杆机构为例的知识点多维关联如图3所示。
Figure 3. The relevant knowledge points taking the four-bar mechanism as an example
图3. 以四杆机构为例的知识点多维关联
以四杆机构优化为例，对课程教学进行设计。以曲柄摇杆机构为例，介绍进行优化设计的一般方法，主要包括数值模型方法和软件优化方法。对比两种方法的优缺点，建立学生对优化设计的基本理解。带领学生回忆参数化模型的方法，从而引出优化设计的概念。通过平面连杆机构为例，引导学生去思考优化设计中存在的问题及流程的初步思考，以利于本节课理论知识的更深一步的讲解。在曲柄摇杆机构引出的设计参数和优化目标的基础上，继续深入，引出设计变量和目标函数的定义及用途。
以软件中参数化优化章节内容为例展开教学过程设计，其教学设计如图4所示。参数化分析的目0的是为了解各变量对目标函数的影响，根据参数化建模时建立的设计变量，采用不同的参数值，进行一系列的仿真，根据返回的分析结果进行参数化分析，得出一个或者多个参数变化对目标函数的影响，最后结合优化分析得到最优参数的模型。试验设计的五个步骤：1) 确定试验目的，例如，确定哪个变量对系统影响最大。2) 为系统选择你想考察的因素集合，并设计某种方法测量系统的响应。3) 确定每个因素的值，在试验中将因素改变来考察对试验的影响。4) 进行试验并将每次的系统性能记录下来。5) 分析在总的性能改变是，哪些因素对系统目标函数的影响最大。约束函数是在优化分析过程中，可以设定设计变量的变化范围，施加一定的限制以保证最优化设计处于合理的取值范围(对应曲柄摇杆机构中则是满足杆长条件)。约束的作用是排除不满足条件的设计方案。指导学生进行曲柄摇杆机构的参数优化分析及优化设计流程。针对其中学生存在的问题进行及时答疑。另外，针对多变量的优化时，提醒学生可以通过参数化分析确定影响较大的因素，去除影响较小因素，以减少设计变量的数量，提高运算速度和可靠性。
Figure 4. Instructional design taking parameter optimization of four-bar mechanism as an example
图4. 以四杆机构参数优化为例的教学设计
在课程展开时，以曲柄摇杆机构为例，介绍进行优化设计的一般方法，主要包括数值模型方法和软件优化方法。其中，数值方法作为学生接触较多和易理解的方式，引入后与软件优化进行对比，充分对比两种方法的优缺点，建立学生对优化设计的基本理解。带领学生回忆参数化模型的方法，从而引出优化设计的概念。通过平面连杆机构为例，引导学生去思考优化设计中存在的问题及流程的初步思考，以利于本节课理论知识的更深一步的讲解。在曲柄摇杆机构引出的设计参数和优化目标的基础上，继续深入，引出设计变量和目标函数的定义及用途。指导学生进行曲柄摇杆机构的参数优化分析及优化设计流程。针对其中学生存在的问题进行及时答疑。另外，针对多变量的优化时，提醒学生可以通过参数化分析确定影响较大的因素，去除影响较小因素，以减少设计变量的数量，提高运算速度和可靠性。在课程中融入理论课程知识点，以极位夹角知识点为例，结合四杆机构运动的可视动画及曲柄和摇杆的转角曲线，对极位夹角进行数据分析，在摇杆转角曲线的最大值和最小值位置分别对应曲柄的两个极限位置，另外摇杆运行至最大值的时间和运行到最小值的时间对比来反映机构的急回特性。
数据作为软件分析的重要依据参数，其作用不言而喻。在授课过程中既教导学生如何去分析测量的相关数据，同时对其理论课程的知识进行加强理解，以数据去验证相关理论结果，以理论去反推测量数据结果，形成实践和理论知识的闭环验证。结合课程学习的关键知识点，针对四杆机构等相关理论知识，设计典型可视化数据教学实践项目，形成教、学、用相辅相成的良好增益。教学效果统计结果如图5所示，从图中可以看出大部分的学生对知识点的理解要更加稳固。
Figure 5. Statistics of teaching effect taking the four-bar mechanism as an example
图5. 以四杆机构为例的教学效果统计
5. 结束语
在《三维建模与仿真技术》课程授课中充分融入机械类多课程相关知识点，在进行软件学习的同时为学生形成清晰的理论知识脉络和实践验证闭环。围绕课程的多个重要知识点建立训练项目，并以分组的形式辅助进行模型实践案例分析。初步确定四杆机构运动特性、凸轮机构运动特性、齿轮机构运动特性、轮系分析、轴系机构分析五部分作为典型的案例，将各个部分关联的知识点融入到课堂的授课过程中，形成以实际应用为目的，以软件操作为辅助的授课方式。在未来改革过程中，多课程的相互配合可能会存在困难，例如课程设计中加入软件应用要求，在后续的改革中将促进这一内容调整，进一步增强课程改革优势。