尹碩輝,鄒云釗,陳睿,姜勝強,周友行

(湘潭大學(xué) 機械工程與力學(xué)學(xué)院,湖南 湘潭 411105)

CAE(Computer Aided Engineering)即計算機輔助工程,指的是利用計算機技術(shù)來進行工程設(shè)計、分析和優(yōu)化的過程。它是一種將計算機技術(shù)應(yīng)用于工程領(lǐng)域的重要手段,旨在提高工程設(shè)計與分析的效率和精度,減少試驗成本和時間,從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和競爭力。機械類專業(yè)是工程類專業(yè)中的一個重要分支,涵蓋了多個學(xué)科(機械、力學(xué)、材料等)及應(yīng)用領(lǐng)域,如航空航天、汽車、機械制造、能源等。隨著社會和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,CAE技術(shù)在機械行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛[1-2],現(xiàn)已逐漸成為機械類行業(yè)高級復(fù)合技術(shù)型人才所必備的技能之一,其課程也已經(jīng)成為國內(nèi)外高校機械類專業(yè)的重點專業(yè)課程。

傳統(tǒng)CAE教學(xué)方法主要通過教師講解理論和演示軟件操作,學(xué)生聽課并依照操作完成學(xué)習(xí),最后采用理論考試進行考核[3]。這種傳統(tǒng)CAE課程教學(xué)方式普遍存在的問題[4-5]主要有:(1)教學(xué)過程中很難調(diào)動學(xué)生的積極性和培養(yǎng)其創(chuàng)新能力,難以提高學(xué)生的綜合素質(zhì);(2)教學(xué)過程過于專注理論教學(xué),學(xué)生的實踐操作過于標準化、單一化;(3)CAE課程教學(xué)內(nèi)容滯后且與實際應(yīng)用脫節(jié),未能提供更具有針對性的教學(xué)和訓(xùn)練。因此,本文針對CAE課程在實際教學(xué)過程中所存在的問題,通過優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容,采用項目驅(qū)動式的方式對機械類專業(yè)CAE課程進行改革與實踐研究。從接近實際工程問題出發(fā),引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題,帶著實際問題去學(xué)去做,通過解決實際問題掌握CAE理論及軟件操作,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情、創(chuàng)新能力、探索精神,培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

項目驅(qū)動式教學(xué)方法(Project-Based Learning,簡稱PBL)最早起源于20世紀50年代醫(yī)學(xué)教育[6],該方法旨在以問題為導(dǎo)向通過實踐和探究來推動學(xué)習(xí),其核心思想是將學(xué)生置于真實的情境中,通過完成一個或多個項目來實現(xiàn)知識的掌握和技能的提升。學(xué)生在項目中不僅需要運用已有的知識和技能,還需要進行探究、合作和創(chuàng)新等活動,從而提高自主學(xué)習(xí)和解決問題的能力。在新工科教育背景下,項目驅(qū)動式教學(xué)方法對于實現(xiàn)機械類專業(yè)CAE課程教學(xué)目標、培養(yǎng)實際經(jīng)驗扮演著重要的角色。通過該方法,老師可以引導(dǎo)學(xué)生更好地掌握和應(yīng)用專業(yè)技能,提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力,促進學(xué)生的全面發(fā)展。近年來,已有眾多高校機械專業(yè)的教育工作者探討了基于項目驅(qū)動式的教學(xué)方法及在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用[7-10],但是,基于項目驅(qū)動式機械類專業(yè)CAE課程的教學(xué)研究還比較少,有待進一步完善。CAE課程主要通過計算機技術(shù)來模擬工程問題,采用項目驅(qū)動方式能更好地發(fā)揮CAE課程的優(yōu)勢,通過構(gòu)造機械工程及交叉學(xué)科相關(guān)項目,采用CAE知識及軟件模擬機械工程實際問題,能更好地培養(yǎng)學(xué)生工程實踐、分析及解決問題的能力。

1 機械類專業(yè)CAE課程項目驅(qū)動式教學(xué)模型的構(gòu)建

1.1 CAE課程項目驅(qū)動式教學(xué)模型構(gòu)建的思路

機械類專業(yè)CAE課程是一門實踐性強、多學(xué)科交叉的專業(yè)技術(shù)課程,如果沒有實踐支撐,僅僅通過理論知識的講解來進行教學(xué),很可能導(dǎo)致大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣急劇下降,同時也難以達到較好的學(xué)習(xí)效果和較多知識的獲取。因此,理論知識和實踐應(yīng)該相輔相成,理論基礎(chǔ)及軟件基本操作通過教師講解和演示,然后設(shè)立貼近工程問題的項目,讓學(xué)生通過實踐探究和項目驅(qū)動式教學(xué)方法來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動機,從而提高教師教學(xué)效果。

興趣是最好的老師。以興趣作為切入點,容易調(diào)動學(xué)生的積極性。故在教學(xué)過程中,讓機械類專業(yè)的學(xué)生根據(jù)自己喜歡的方向(機設(shè)、機電、機制及交叉方向)去選擇項目,更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)斗志。而選擇的項目要從實際問題出發(fā),貼近工程問題,使學(xué)生更容易理解學(xué)習(xí)內(nèi)容和了解學(xué)習(xí)的意義。在選好項目后,學(xué)生需要對項目進行了解和分析,確定學(xué)習(xí)內(nèi)容及目的,之后可自行組隊,一起完成項目,解決實際問題。在完成項目后,學(xué)生需要對完成的項目使用PPT進行匯報,向老師和同學(xué)們展示完成項目的過程和并分析得出的結(jié)論。隨后老師根據(jù)學(xué)生的匯報進行點評,給出指導(dǎo)性意見。待老師點評打分后,學(xué)生根據(jù)老師所提意見進行修改和優(yōu)化,提交項目報告書。項目的具體實施過程如圖1所示。

1.2 項目的要求及案例

本文從機械類專業(yè)的CAE課程出發(fā),引入項目驅(qū)動式的教學(xué)方法。對于選取的項目應(yīng)當以教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ),要基本涵蓋課程的知識點,打好理論基礎(chǔ),同時也要兼顧機械工程實踐。選取的項目要切合實際,要有較強的實用性和應(yīng)用性,項目的難度也應(yīng)當具有一定的挑戰(zhàn)性,使之能夠基本滿足學(xué)生的自我挑戰(zhàn),培養(yǎng)學(xué)生不怕困難、勇于克服困難的精神。

在教學(xué)過程中,項目分別從機設(shè)、機電、機制及交叉領(lǐng)域各選取典型的實際項目案例進行CAE模擬計算,具體的項目案例名稱如圖2所示。完成項目后,學(xué)生應(yīng)當:(1)掌握CAE仿真的基本原理和基本知識,具備發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的基本能力;(2)掌握常用大型有限元軟件ANSYS的原理和使用方法,具備復(fù)雜工程問題的建模與仿真分析能力;(3)具備運用有限元軟件對航空航天、汽車、機械制造、能源等行業(yè)中的典型設(shè)備進行受力及結(jié)構(gòu)分析的能力,提升工程設(shè)計和解決實際問題的能力。

圖2 機械類專業(yè)項目驅(qū)動式CAE課程題目

2 機械類專業(yè)CAE課程項目驅(qū)動式教學(xué)過程

2.1 選題與分組

選題前,老師應(yīng)先對學(xué)生進行學(xué)習(xí)動員,讓學(xué)生基本了解CAE課程的教學(xué)目標、教學(xué)內(nèi)容等。同時,教師還應(yīng)當就學(xué)生的基礎(chǔ)、能力和興趣等因素,進行個性化引導(dǎo),讓學(xué)生逐步深入了解課程,并適當調(diào)整課程的難度和進度,以實現(xiàn)教育教學(xué)目標的最優(yōu)化。另外,老師應(yīng)向?qū)W生介紹選題項目的背景、意義及其與實際應(yīng)用的關(guān)系,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情,增強學(xué)生的學(xué)習(xí)動力。隨后老師發(fā)布選題項目,并上傳相關(guān)基本資料。為了進一步培養(yǎng)學(xué)生的合作、參與意識以及協(xié)同完成項目的能力,允許同學(xué)之間相互組建隊伍,但人數(shù)不得超過4人,因為較小的分組規(guī)模更易于管理和組織。當組內(nèi)成員數(shù)量較少時,教師或組織者可以更好地跟蹤每個學(xué)生的學(xué)習(xí)進展,提供個性化的指導(dǎo)和支持。組建隊伍后,各小組進行限時討論并需要確定選題,明確項目完成要求。

2.2 項目執(zhí)行過程

在項目解決過程中,首先,小組的學(xué)生根據(jù)所選項目查找相關(guān)參考文獻和視頻教程,并結(jié)合老師提供的資料及時進行討論與分析,得出大致的項目解決思路與方案,從而進一步確定項目的安排和執(zhí)行。在小組分工時,學(xué)生就個人興趣或擅長方向合理分配任務(wù),以確保教學(xué)效果最大化,同時,小組的每個成員也應(yīng)掌握項目所需基本理論、軟件操作以及整個項目的執(zhí)行過程。學(xué)生在項目執(zhí)行過程中,老師應(yīng)當適時地詢問項目進度,確保學(xué)生按時完成項目。待到進行結(jié)果分析時,學(xué)生要將結(jié)果與參考文獻和資料進行對比,直到符合預(yù)期要求。結(jié)果分析后,各小組整理分析項目求解過程,并以PPT的形式在課程結(jié)束后進行展示和匯報,老師在聽取學(xué)生的匯報后,有針對性地提出相關(guān)項目問題,以考查學(xué)生對基本概念和軟件操作等方面的掌握情況,并給出指導(dǎo)性意見。另外在點評過程中,老師也要適當激勵學(xué)生,肯定其完成的項目,使其產(chǎn)生興趣,更加主動的學(xué)習(xí)。最后學(xué)生根據(jù)老師提出的意見進行修改及總結(jié),提交項目報告書。

2.3 學(xué)習(xí)評價方法

教學(xué)評價是判斷教學(xué)效果價值的重要標準,通過教學(xué)評價可以獲得有效且可靠的反饋信息,并在后續(xù)決策、跟進輔導(dǎo)和評定等級等方面具有重要意義。本課程的成績由平時成績與期末成績組成,其中平時成績占40%,期末成績占60%,其中期末成績主要通過期末考試來評估,主要包括理論知識的選擇題、解答題和編程題,以及與CAE軟件和工具相關(guān)的實際操作題。而平時成績主要來源于所選項目完成的進度與結(jié)果。教學(xué)過程中,為了更好地考查學(xué)生知識和技能的掌握程度,我們設(shè)計了老師評價表,具體設(shè)計如表1所示。此外,為了避免評價主體單一,還設(shè)計了學(xué)生小組互評表、小組成員互評表以及自我評價表(見表2、表3、表4)。4個表的總分為100分即平時成績總分,將老師評價表、小組互評表、小組成員互評表以及自我評價表分數(shù)相加就是個人的平時成績,折合成40分制,再將期末成績折合成60分制,兩者相加便是個人總分。在小組互評及自我評價表中要求學(xué)生務(wù)必客觀、公正地進行評價,通過指導(dǎo)學(xué)生進行評價,力求全面客觀地評價學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果和學(xué)習(xí)過程。同時為了完善教學(xué),需要及時向?qū)W生提供有針對性的意見和指導(dǎo),幫助其了解自己在課程中的表現(xiàn),并提供改進的建議。這可以通過學(xué)生與老師課程交流、個別會談和在線討論等方式實現(xiàn)。為了進行課程改進,教師可以根據(jù)反饋結(jié)果重新設(shè)計課程內(nèi)容、調(diào)整學(xué)習(xí)目標和教學(xué)活動,這樣也可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成果和滿意度。

表1 老師評價

表2 小組互評

表3 小組成員互評

表4 自我評價

3 總結(jié)

將項目驅(qū)動式學(xué)習(xí)理念融入機械類專業(yè)CAE課程教學(xué)中,按照設(shè)計的機械專業(yè)類項目式培養(yǎng)計劃,對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)結(jié)果進行科學(xué)、全面的判斷,為培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力、團隊協(xié)作能力、語言表達能力、自主學(xué)習(xí)能力等提供了一套可操作的方法,有利于促進學(xué)生個性、創(chuàng)造性和學(xué)習(xí)主動性的發(fā)展,提高課程學(xué)習(xí)效果。