以“智能制造”为核心的机械设计教学改革研究

王晓辉　李万敏　季伟

摘 要：针对人工智能背景下推进的新型工科专业建设要求，本文围绕中国制造业发展需求，以“智能制造”为核心，凝练课程特色，从教学模式、评价机制、课程思政、实践教学等主要方面对机械设计课程教学提出相应的改革策略，旨在培养学生具备人工智能视角下的机械设计思维，通过智能化的实践设计平台，推进设计理论与实践相结合、人工智能知识与机械设计广度相融合，提高学生的智能机械设计理念与能力，以适应现代智能制造业的需求。

关键词：机械设计；智能制造；教学方式；课程改革

中图分类号：G642  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2023）11-0076-04

工业4.0是工业发展的一个新阶段，这个新阶段可以看成是以“智能制造”为主导的第四次工业革命。为顺应工业发展需要，中国在2015年发布了《中国制造2025》行动纲领，该纲领以“智能制造”为主攻方向，全力打造具有国际竞争力的制造业，实现由制造大国向制造强国的跨越。在此背景下，教育部、人社部和工信部联合发布了《制造业人才发展规划指南》，这份指南为高校工科教育发展提供了新的参考和更高要求，引发了高校为适应数字化、信息化、智能化发展趋势而进行的相关专业课程改革。

1 机械设计课程改革的必要性

机械设计是在机械原理、材料力学、公差与配合、金属工艺和热处理等众多课程之后学习的一门综合性、设计性和应用性较强，涉及范围广的课程。机械设计课程的理论和设计方法能够培养学生产品开发、造型设计的能力，提高学生的创造力，促进学生动手操作的实践能力。机械设计对于机械专业的学生来说是一门比较重要的专业课，更是一门核心的课程。

机械设计课程目标是培养具有产品设计和创新设计的工程技术应用人才。机械设计课程受传统课程观念的影响，学科化程度较重，在智能制造的背景下课程设置已不能适应学科发展需求，因此需要改革机械设计课程。使之与自动化、计算机、人工智能、互联网、智能制造等学科融为一体[1]。

智能化的设计理念在人工智能高速发展的今天处处体现出来，从产品定义到结构实现都充斥着智能化的身影。智能化设计的发展，根本上还是要靠理解机械设计的精髓。应用机械设计理论及方法，深入研究设计的精髓、过程设计的思维特征及其方法，是走向智能化设计的必经之路。机械设计的数字化与智能化实现已经成为当前高校机械设计课程体系改革的方向，因此，机械设计课程改革势在必行。

2 机械设计课程的现状

2.1 课程定位落后

目前部分高校机械设计课程的教学目标仍定位于培养传统设计制造人才，其教学内容着重基本知识、基本理论和方法的讲解，创新设计等方面的内容相对较少。课程建设思路陈旧，缺乏创新。在智能化和信息化的时代背景下，已无法与我国迅速发展的工业化进程需要相对接。因此，机械设计课程定位也要与时俱进，把课程定位体现在“三个着眼”和“三个立足”上，即着眼于国家发展需要，立足于智能化发展；着眼于工作岗位需求，立足于学生能力发展；着眼于学生潜能开发，立足于学生长远发展。

2.2 课程内容多、课时少

为了促进高等教育的国际交流与合作，我国高校的专业在总学分设置上趋向于与国外一致，这就造成了专业课程的学分大幅度减少，也就意味着课程课时的减少。机械设计课程内容涵盖较多，而对应的课时却相对较少，这就使得学生学习起来更费力，同时也促使教师要更新教学观念，研究和实践新的教学方法，以便在较短的时间内完成教学目标和任务。

2.3 教学方式缺少创新

在教学过程中仍以教师为主体，采用单一的讲授法结合多媒体、动画仿真的方式让学生被动地接受知识，在课程中很少应用数字化、智能化设计手段，导致学生对学科前沿和先进技术手段缺乏了解，满足不了学生个性化发展的需求，也适应不了“智能制造”背景下制造业发展的需求。

2.4 缺少实践融合

机械设计课程容易在系统、深入的框架下，流于对各种理论方法的学习，学生往往只学了一大堆原理和方法，却不知道如何与具体的工程问题联系起来，不理解各种方法在工程实践中的定位。同时，课程教学内容往往也过于单调和守旧，很少融入工程实践知识、创新知识和创新思想[2]，使得理论与实践不能融合，课程也无法从理论层次提升到应用层次。

3 课程改革策略

机械设计课程以《中国制造2025》行动纲领为指导，以“智能制造”的发展需求为核心，以工程应用为着眼点，采用现代设计方法和设计手段，培养学生创新设计思维，树立学生正确的设计思想，以“智能制造”为核心，构建实践设计平台。从教学方式方法、课程评价机制、课程思政等多个方面进行教学探索，通过多种方式、多种形式开展教学实践活动，培养能解决实际工程问题的复合型专业技术人才[3]。

3.1 夯实课程基础，拓宽课程广度

习近平总书记鼓励广大高校学生，一定要把专业学宽，把基础打厚。习近平总书记的这番话说得朴实无华，却蕴含着深刻的道理。开展一切创造性工作的前提，必须要打牢课程基础，夯实专业基本功。

夯实机械设计课程基础的着眼点要立足于智能制造发展方向，在具体到每一位学生时，在不断探索的基础上，逐步积累起两项基本原则，即“因材施教，注重联系”。这里的“因材施教”，是指在课程教材、教学大纲和课程设计等方面融入智能技术。选用与时俱进的教材，保证教材的理论深度与知识广度，同时融入新的技术与应用实例。采用系统和全面的教学大纲与教案，科学安排知识点与学习进程，夯实知识结构的基础。强化培养学生的工程素养，采用设计案例分析、课程设计与实验等方式夯实理论基础，让学生们从智能化、数字化的角度重新理解机械设计课程。所谓“注重联系”，就是在理论学习的基础上大量开展实践运用与训练，保证教学过程中理论与应用实例相结合，新技术与工程实例贯穿始终，理论联系实際。并定期对专业核心课程进行知识更新，确保专业课程体系与产业技术发展同步。

拓宽课程广度，就是保留机械设计课程的基础理论与知识模块部分，同时增加智能设计理论与方法的相关内容，让智能设计思想渗入到机械设计课程教学中，培养学生具备人工智能视角下的机械设计思维，如通过大数据分析挖掘用户需求，利用云计算和人工智能技术实现机械结构设计的智能优化与快速迭代等，使学生能在人工智能与机械设计交叉的问题空间里产生创新思路和方法策略。

3.2 改革教学方式，融入数智化教学模式

智能制造时代的到来必然会推动传统教学模式向数字化、智能化教学模式的转变。传统的教学模式多为教师讲授为主，学生按部就班地参与学习，这就导致学生在学习的过程中缺乏主动性和积极性，缺少师生之间的互动。而通过运用数字化、智能化手段打破传统教学方式，将课程内容、学习资料等以线上线下相结合的方式呈现，实现标准化、个性化的授课方式，让学生达到更高层次的学习目标。

在高校过去几年的现行教学中，线上线下混合式教学模式逐渐成为主流模式。线下教学往往由于课程在学时上的欠缺，从而导致教学活动单一，最终学生完成的仅仅是学习的基本目标。而线上线下相结合的混合式教学，则可充分利用网络平台，引入数字化教学模式，让学生在线上提前自主学习课程的主要内容和基础知识，并能够根据教师布置的任务和学习步骤，实现教师在进行线下课程教学时，能针对学生的自主学习情况，完成重难点内容的精讲，充分利用线下时间设计更多的教学活动，提升学生的学习兴趣，并通过生动的教学活动使学生更深刻理解课程知识内涵、塑造自己的创新能力，达到更高层次的学习目标。运用数智化教学方式可以优化教学环节，改善教学质量，给教师提供更多资源和扶持，同时还能突破时间、空间的限制，使学生的学习方式变得更加个性化、智能化，贴合时代发展需求。

3.3 强化实践环节，搭建实践教学平台

习总书记提出“实践出真知，实践长真才”的道理，指出学习不践行，学与不学就没有什么区别了。学以致用，具备解决实际问题的本领，才是学习的最终目标。机械设计课程有着很强的实践性，这就要求学生们做到学用结合，知行合一。为此，在机械设计课程实践教学环节中，以“智能制造”为背景，以“解决工程问题”为导向，以“可视化技术”为切入点，搭建实践教学平台，推进“理实融合”的教学模式。

结合不断发展的现代设计方法和智能制造的工程实际，将形创ACADEMIA教育三维设计软件引入到课程学习中，并搭建起三维设计实践平台，完成零部件从开始到概念阶段、建模设计到开发阶段的全过程可视化设计[4]。同时，教师也可以利用与课程配套的教学工具包，进行课程的设计创新及教学项目的开发。三维设计实践平台的应用，使设计实践由二维向三维转变，由计算机辅助绘图向计算机辅助设计转变，由数字化设计向虚拟化、可视化、智能化的设计方向发展。以包含质量、材料、结构等物理、工程特性的三维功能建模为基础，用三维模型表达零部件设计理念，不仅更加直观、高效，而且实现了比二维设计更真实的虚拟设计和优化设计。

除此之外，人工智能技术是智能制造的核心技术之一，机械设计也需要与人工智能技术相结合，以实现自动化设计、智能化制造等目标。教师可以在实践教学中介绍人工智能技术在机械设计中的应用，如基于机器学习的设计优化、基于深度学习的图像识别等。

虚拟仿真技术也是智能制造中的重要技术之一，在机械设计中也有着广泛的应用。通过虚拟仿真技术，可以在设计前对机械性能进行预测和分析，提高设计效率和准确性。因此，也可以将运动与动力分析软件、有限元分析仿真软件等嵌入到实践教学平台中，更好地提高学生的综合设计、计算与分析能力，同时也为后续的数控制造技术等课程奠定基础。

3.4 多元化考核及评价机制

课程考核和评价机制是专业课程设置中不可或缺的重要一环，教学内容、教学方式改革的真正价值，最终要通过合理的课程考核和评价机制体现出来。考核与评价的革新与多元化也是新工科考核要求的方向。

目前，现有的一些院校仍采取的是以期末考试为主导，由平时成绩和试卷成绩两部分构成的终结性考核评价办法，缺少实践教学环节的考核。这种考核形式单一，忽视了学习过程的考核，不能准确体现学生对这门课程的实际掌握情况，也就无法真实反映出课程的教学效果。

为此，要建立多元化、实行多角度的考核与评价机制，在理论考试、实践项目、听课与课堂表现等多个角度对学生进行评价，使评价更加全面客观。一是在课程学习中设置智能机械设计相关项目，考核学生运用人工智能技术进行机械设计创新的能力。并分配相应的分值计入课程成绩中，同时弱化期末考试所占比重[5]。二是引入过程性评价。在教学过程中增加小组讨论、小组作业等交流环节，考察学生的思维活跃性、表達能力与团队合作精神。三是增加学生参与度评价。通过调查问卷等方式收集学生对教学内容、教学方式的反馈意见，分析并作为教学改进的依据。四是采用工程实例评价。在评价中采用来自企业的工程设计实例，考核学生针对实际问题进行智能机械设计的综合运用与分析能力。五是邀请企业专家对学生的设计作品或项目进行评审，使评价更加贴近产业需求与技术发展。六是关注社会效益评价。在评价中引入设计方案对环境、社会的影响评价，培养学生的社会责任与工程伦理意识。

综上，人工智能时代与智能制造发展的需要，机械设计课程的考核与评价机制更加注重学生综合运用知识与技能进行智能机械设计创新的能力。过程性评价、工程实例与学生参与度评价将更加重要。人与技术融合，社会效益导向，这也是新工科人才培养的理念。

3.5 引入课程思政

“培养什么样的人”是教育的首要问题。大学的本科教育，不只是传道授业解惑，培养人的重任也应该兼顾到高校的本科教育中去。习近平总书记强调“所有课堂都有育人功能，不能把思想政治工作只当作政治理论课的事，其他各门课都要守好一段渠、种好责任田”，提出“各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应”的要求。因此很有必要把思政教学引入到课程中来。

在课程学习中，引导学生关注人工智能应用于机械设计对环境和社会的影响，引导学生考虑机械设计决策中的工程伦理与社会责任。在实践设计环节，以严谨认真、精益求精的设计，培养学生的工匠精神。把思想政治教育理论内化为大学生的思想品质、价值观念和道德标准，外化为大学生的自觉行动。把传授知识与社会主义核心价值观相结合起来，树立学生正确的理想信念和政治信仰，使学生成为德才兼备、全面发展的人才[6]。

3.6 促进教师专业发展

教师是教育中最重要的一环，而最能代表教师能力的莫过于其专业水平，所以在高校专业课程教学改革研究中，促进教师的专业发展也是非常重要的一个环节。教师应该以专业课程发展方向为目标，以专业课程改革为载体，从职业道德、专业能力和专业知识上进一步提升教师的能力和水平，促进教师专业成长。

职业道德是规范教师言行举止、规范教师职责的准则，是立身之本。其身正，不令而行；其身不正，虽令不从。如果教师在学习工作和思想上不能端正自己的态度和言行，又怎能去教书育人，为人师表。大学阶段是人生重要的发展阶段，是大学生走向社会、认知世界的开始。而高校教师对大学生世界观、人生观、价值观的形成影响更为深遠，因此，高校教师要把握新时期高校教师职业道德的新内涵，不断加强思想政治学习和道德理论修养，全面提高自身素质和修养，做到爱岗敬业、教书育人，在新时期高校教师队伍中起到典范作用[7]，也为学生们做出很好的表率作用。

在智能化时代的大背景下，对高校人才培养提出了新的培养目标和要求，同时也对高校专业教师的专业水平和育人能力提出了更高的要求[8]。高校专业教师不能仅停留在当前的学术水平和专业能力上，要不间断的学习促进自身的专业发展，掌握最新的学术动态，时时更新自己的知识储备，长期的积累专业知识，始终不渝地在专业上开拓创新，与时俱进，与时代前沿科技交融。

作为教师想要提高自身的专业发展，不仅需要自身的努力，更重要的是要结合学校本专业的发展实际，将个人专业发展目标与学校专业发展规划结合起来，形成结合学校专业发展需要的教师专业发展及行动方案，使专业教师能围绕以“智能制造”为核心的课程改革，按照个人专业发展规划不断提升专业素质，突破专业能力，成为专业过硬的能力者，优良职业道德的传承者，教书育人的领导者，为国家和社会培育更优秀的人才。

3.7 完善课程教师团队

搞好专业课程改革，仅靠一个人的力量是不够的，更多的要依靠团队的力量来完成专业课程改革的重任。将教授同一课程的教师和同一学科方向、内容体系紧密相关的系列课程的授课教师组成一个课程团队[3]，从课程培养方案、授课计划、教学方式方法、教材建设及选用、项目科研等方面进行综合的交融与协作，取长补短，以此提升教师团队的整体实力。同时，也可以选聘专业课教师与企业中的工程技术人员相结合的方式，在保障教学理论水平的同时也具有较高的工程实践能力与素养。

建立以“博士带硕士”、以“教授、副教授带讲师”、以“老教师带新教师”的教师梯队，从不同层次搭建教师团队[9]，通过经验交流，来达到培养青年教师的目的，最终实现专业课程教学质量的飞跃。

4 结束语

以制造业创新发展为主题，以推进智能制造为主攻方向，走中国特色新型工业化道路。在此背景下，本文首先阐述了机械设计课程改革的必要性，并对机械设计课程现状加以分析，针对课程存在问题提出了课程改革策略。机械设计课程改革能帮助教师总结教学经验，改进教学方式方法，给学生提供更多的学习平台和学习资源，激发学生对机械设计课程，乃至整个机械工程专业的学习兴趣，最终成长为中国制造强国的接班人。

参考文献：

〔1〕王慧，于泳，胡晓青.智能制造背景下机械设计专业课程体系现状研究[J].卷宗，2020，10（12）：269-274.

〔2〕刘晓阳，靳江艳，张君彩，等.《机械设计》课程教学存在的问题及其课程改革探索[J].教育现代化，2020，7（03）：35-37.

〔3〕邓斌，吴景春，胡美玲.基于“智能制造”时代背景下应用型本科院校“机械设计”教学研究[J].江苏科技信息，2017，34（33）：73-75.

〔4〕黄珊秋，葛培琪，路长厚，等.“机械设计”实践教学环节的改革与探索[J].高等理科教育，2007，15（03）：131-133.

〔5〕李成兵，马海峰，叶哲伟，等.《机械设计》课程考核国内外对比分析[J].教育现代化，2020，7（45）：82-85.

〔6〕刘晓阳，靳江艳，张君彩，等.《机械设计》课程教学存在的问题及其课程改革探索[J].教育现代化，2020，7（03）：35-37.

〔7〕王怀诗，罗云中.大变局下高校“大先生”的角色定位探析[J].甘肃教育研究，2022，2（08）：4-7.

〔8〕陈洁，张道明.新时代高校专业教师开展育人工作的多维审视[J].北华航天工业学院学报，2021， 31（02）：51-53.

〔9〕邓立奎.坚持课改构建创新型教师队伍[J].群文天地，2012，22（07）：174-175.