覃 玄，郝 琪，章 菊

力學課程群案例式教學應用研究——以車輛工程專業(yè)為例

覃 玄，郝 琪，章 菊

（湖北汽車工業(yè)學院 汽車工程學院，湖北 十堰 442002）

面向車輛工程專業(yè)開設的力學類課程包含理論力學、材料力學、有限元法基礎與應用、計算機輔助工程（CAE）軟件應用基礎、振動理論，各門課程研究內容層層遞進，逐漸深入。文章介紹了突出汽車特色的、貫通整個力學素質培養(yǎng)過程的案例庫的建設過程和實施方案。結果表明，多元化的教學模式結合案例式教學，可以提升學生學習興趣，將學生置身于車輛設計制造的實際問題分析計算中，幫助學生了解車輛工程專業(yè)內涵，培養(yǎng)學生工程素養(yǎng)，提升創(chuàng)新能力。

力學課程；案例式教學；車輛工程

案例教學最早由哈佛法學院于1870年率先使用，接著哈佛醫(yī)學院也開始引進案例教學，經(jīng)過推廣，案例教學法現(xiàn)已在全世界范圍產生了廣泛而深遠的影響。20 世紀80年代，案例教學被引入我國[1]。多年以來，國內外的學者對案例教學進行了大量的研究，并把研究結果應用到實際的教學中，取得了非常好的教學效果。但案例教學多局限于商學、法學以及醫(yī)學等少數(shù)幾個領域。21世紀以來，隨著科技發(fā)展，產教融合逐漸緊密，越來越多的理工科課程開始嘗試把恰當?shù)墓こ虒嶋H案例引入到教學中，并圍繞著它展開教學，力學相關課程高校教師也做了相應的工作。其中，清華大學的高云峰教授從最簡單的力學現(xiàn)象類比與聯(lián)想、直覺與猜測，讓學生了解分析問題的方法，并從這些現(xiàn)象或案例中受到啟發(fā)，獲得超越知識的思維方法和能力[2]；西北工業(yè)大學理論力學課題組結合理論力學各部分內容，設計理論聯(lián)系實際的融合多學科案例庫，提升學生中階力學思維[3]；中國石油大學材料力學在課堂上結合工程案例講解，并鼓勵學生獨立思考、自主建立力學模型，進一步通過分組合作完成案例的分析，并提出解決方案的案例教學[4]；東北農業(yè)大學以有限元工程結構分析課程為研究對象進行案例教學實踐，提出以鍛煉專業(yè)學位研究生的高級機械設計和分析能力、運用計算機設計創(chuàng)新能力的課程教學目標[5]。實踐證明，案例教學可有效增強和提高學生自學能力。

本校車輛工程專業(yè)開設的力學課程包括理論力學、材料力學、有限元法基礎與應用、計算機輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）軟件應用基礎、振動理論，依次開設于大二上下兩學期和大三上下兩學期，各門課程研究內容層層遞進，逐漸深入，包含了汽車相關零部件設計過程需要用到的靜力分析、運動分析、結構設計、振動特性。隨著工程教育專業(yè)認證在全國范圍內開展，本校力學課程面向的車輛工程通過了工程教育專業(yè)認證，力學案例式教學以工程為先導，以問題為基礎，以學生為主體，以教師為主導的教育原則，與成果導向教育（Outcome-Based Edu- cation, OBE）教學改革理念高度一致，規(guī)范案例教學形式，建設以車輛零部件相關工程案例為主的可共享力學案例庫，線下課堂、翻轉課堂、課外課堂開展“三堂融合”多元化教學模式，可以最大限度提升學生學習效果，助力學生了解本專業(yè)內涵，培養(yǎng)學生工程素養(yǎng)，提升創(chuàng)新能力。

力學課題組通過案例本身所富含的豐富設計元素，將相同工程設計案例的不同層次服務于多門課程，提高了案例式教學的效率，有利于提高學生問題的多層次、全面性思維模式的培養(yǎng)，同時也有利于教師對問題的深入挖掘。

1 案例建設方案

1.1 案例庫的建設

案例教學最重要的是案例庫的建設，素材的搜集結合教師科研項目、學生主動參與兩方面開展。

1）基于實際問題的汽車特色案例素材。力學課題組老師近年來通過與企業(yè)合作開展項目研究和對企業(yè)人員進行CAE分析軟件的培訓，與部分企業(yè)建立了緊密聯(lián)系，通過實地工廠走訪，搜集大量的現(xiàn)場圖片和案例。同時，通過畢業(yè)設計和指導研究生，與畢業(yè)校友也保持了聯(lián)系，定期對從事相關行業(yè)的畢業(yè)校友進行動態(tài)跟蹤，獲取相關工程問題及解決方案。案例搜集過程中結合課程的高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度要求，重點關注現(xiàn)代工程問題中的多學科融合問題，體現(xiàn)學科的交叉性和前沿性，培養(yǎng)學生的綜合應用能力，樹立大國工匠精神。

2）基于日常生活的案例庫素材。校園里存在著大量的力學素材，行駛中的汽車，運動中的足球，新建的建筑物，處處都隱含著豐富的力學知識，通過“隨手拍發(fā)現(xiàn)力學問題”的活動，鼓勵學生發(fā)現(xiàn)身邊的力學知識，教師結合教學目標和任務對案例進行整理歸納，重點強調利用所學知識解釋某些現(xiàn)象，體現(xiàn)力學的基礎性，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題以及科學思維的能力。

力學課題組根據(jù)素材類型特點，將案例庫設定為綜合案例庫和基礎案例庫。綜合案例庫主要應用于后續(xù)的有限元應用基礎和CAE軟件應用基礎等課程，在學生具備一定的力學分析能力之后，幫助其建立力學思維體系，為汽車相關結構設計全過程的系統(tǒng)化案例，從問題的提出到分析，以及最終問題的解決均要符合工程要求，深挖其設計－分析－應用中的力學元素。實施方式采用“以學生為中心”的小組協(xié)作教學模式，完成過程中需要學生根據(jù)課程特點使用MATLAB、ANSYS等計算分析軟件?；A案例庫應用范圍主要是理論力學和材料力學兩門力學基礎課程，包含了受力分析、運動分析、構件的基本變形形式分析，以及研究對象的強度和剛度分析，通常以知識點的傳授為設計目標，以例題的形式開展，在學習完某個章節(jié)的特定知識點之后進行分析，是對理論教學內容的補充和解釋，為后續(xù)綜合案例庫的開展打基礎，其素材形式和類型不局限于工程問題，可以是任何學生感興趣的力學問題，也可以是綜合案例庫的某一個環(huán)節(jié)。部分案例庫內容如表1所示，力學類課程群案例庫的基本構架如圖1所示。

表1 部分案例庫內容

注：NVH全稱Noise, Vibration, Harshness，即噪音、振動和聲振粗糙度。

1.2 案例設計思路

力學類課程群的多門課程案例根據(jù)知識點構成的不同各有側重，在設計案例的過程中力學教研室不同課程的授課教師通過開會、研討等方式，整理案例中包含的所有力學知識點，與課程知識點進行點對點對應。以某重型載貨汽車車架設計分析為例，該案例涉及到理論力學課程中的模型的建立和簡化、振動分析材料力學課程中的強度和位移分析，有限元基礎與應用、CAE軟件應用基礎課程中的利用有限元法進行靜態(tài)、動態(tài)性能分析，模態(tài)分析和優(yōu)化設計，最終完成全過程分析研究。具體分析流程如圖2所示。在理論力學課程第二章受力物體的受力分析中，以車架為分析對象，結合所學知識，分析其約束特點、載荷形式，初步建立車架的力學模型，在材料力學第四、五、六章彎曲內力、應力、變形中均以理論力學建立的車架力學模型為分析對象，分析其結構特點，進行強度和剛度的分析，完成選型和選材，在有限元分析課程中則以前面所學基礎完成車架的計算模型建立和結果計算分析，包括強度、剛度等分析，并結合理論知識提出優(yōu)化方案。

圖2 重型載貨汽車車架設計分析

2 案例式教學實施方案

案例教學的最終目的是實現(xiàn)教學效果最大化，提升學生理論聯(lián)系實際的能力，案例教學不可以獨立于知識點之外，在課堂教學實施的過程中需要綜合考慮理論知識的輸出和實際問題的分析，綜合以上因素，各門課程均結合線下課堂、翻轉課堂、課外課堂進行“三堂融合”開展案例驅動互動式教學過程。線下課堂教師的主要任務是幫助學生梳理知識點，案例以基礎案例為主，老師提出現(xiàn)象，引導學生發(fā)現(xiàn)問題，由學生進行問題的陳述，培養(yǎng)學生解決問題的規(guī)范性、思考的邏輯性，最后共同解決問題，案例實施周期一般為1至2個學時；翻轉課堂老師和學生角色互換，由學生主導課程進行，案例教學實施過程如圖3所示，具體實施步驟包括：1）給學生分組，學生在課前以小組為單位學習慕課，根據(jù)班級學生總人數(shù)分配，按照5至7人配置小組成員；2）基于學習通發(fā)布案例材料，學生以案例里的問題出發(fā)點查閱文獻，包括當前的主流方案，存在的問題等，必要時進行建模、仿真和驗證，或進行PPT展示，其余學生和老師一起提問或質疑；3）課堂上老師拋出設計好的問題，讓學生組討論，每組選一位或兩位代表對這些問題進行講解；4）教師總結案例相關知識點，案例實施周期為1到2周。課外課堂主要是傳統(tǒng)課堂和翻轉課堂的補充，學生在任何時候有任何問題，通過線上實時討論發(fā)布，教師和學生共同參與討論，邀請工廠技術人員參與，從實際工程的角度進行講座。

圖3 案例教學實施過程

3 教學成效

課題組綜合考慮車輛工程專業(yè)特色，構建了一站式的力學案例庫，實現(xiàn)了力學課程體系的貫通化，結合以學生為中心的教學實施方案和教學評價模式，取得了一定的教學成效，具體表現(xiàn)在：1）提高了學生的研究熱情，充分調動學生學習的主觀能動性。通過貫穿式的案例教學，幫助學生了解了力學課程的內涵，改變力學課程在學生心目中內容抽象、全是公式的刻板印象。2）培養(yǎng)了學生科學的思維方法、提高了分析和解決工程實際問題的能力。案例式教學提前將學生置身于實際工程問題中，學生從材料力學課程的初步分析，到有限元課程的仿真計算，對于工程問題的分析逐漸深入。同時，對于學生完成高質量的畢業(yè)論文具有一定的幫助。3）幫助教師克服因學時減少給教學帶來的不利影響。力學課程課時近年來逐步減少，采用以工程實際案例為核心進行教學時，因為學生在上課之前，已經(jīng)對案例做了充分的調查研究。因此，教師可以根據(jù)實際情況，對學生掌握較好的內容，點到為止。對于學生掌握不好的內容，教師可以集中精力組織學生進行分析、討論、研究，大大節(jié)省了上課時間。4）實現(xiàn)課程思政有機融合。課題組教師充分挖掘案例中思政元素，形成以典型工程、科學研究為主的課程思政教學資源，將專業(yè)內容與課程思政有機結合，通過工程案例的講解可以自然的延伸到科學技術發(fā)展歷程、工業(yè)生產重大事故、國家科學發(fā)展總體仿真路線等方面進而激發(fā)學生的愛國主義情懷，樹立正確的價值觀，培養(yǎng)工匠精神。

4 結語

案例庫的建設和案例式教學實現(xiàn)了力學課程的串聯(lián)，案例分析結合了工程中新材料、汽車輕量化、機械結構等多學科內容，體現(xiàn)了新工科思想，同時通過案例的首尾呼應，形成呼應式的教學手段：教學線上、線下呼應（小組方案）；工程、力學理論、專業(yè)呼應；視頻、公式、仿真呼應。課題組將不斷完善、及時更新案例素材，將案例式教學效果不斷擴大，形成典型。

[1] 夏文穎,顧兵,黃珮珺,等.案例式教學在我國醫(yī)學教育中的應用進展[J].西北醫(yī)學教育,2011,19(5):923-925.

[2] 高云峰.如何在教學中培養(yǎng)學生的思維和能力(1):觀察與思考[J].力學與實踐,2022,44(3):651-656.

[3] 張娟.基于進階式力學思維培養(yǎng)的理論力學教學研究[J].力學與實踐,2022,44(4):947-954.

[4] 林紅,楊蕾,鈕瑞艷.基于案例驅動式材料力學課程教學的探索與實踐[J].教育教學論壇,2017(19):167-168.

[5] 尚家杰,劉宏新,郭麗峰,等.專業(yè)學位研究生有限元工程結構分析案例教學研究與實踐[J].高等農業(yè)教育,2017(4):105-109.

Study on the Application of Case-based Teaching in Mechanics Course －Take Vehicle Engineering Major as an Example

QIN Xuan, HAO Qi, ZHANG Ju

( School of Automotive Engineering, Hubei University of Automotive Technology, Shiyan 442002, China )

The major learning courses offered for the vehicle engineering major include Theoretical Mechanics, Mechanics of Materials, Fundamentals and Applications of Finite Element Method, Fundamentals of Computer Aided Engineering (CAE) Software Application, Vibration Theory, the research content of each course is progressing layer by layer. This article introduces the construction process and the implementation plans of a case base that highlights the characteristics of automobiles and runs through the entire process of cultivating mechanical qualities. The results show that, diversified teaching mode combined with case-type teachingthe can enhance students' interest in learning, immerse students in the analysis and calculation of practical problems in vehicle design and manufacturing and help students understand the connotation of vehicle engineering, cultivate students' engineering literacy and improve the innovation capacity.

Mechanics course; Case-based teaching; Vehicle engineering

G642

A

1671-7988(2023)21-138-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.021.028

覃玄（1990－），女，碩士，講師，研究方向為力學教學，E-mail:1035987687@qq.com。

湖北汽車工業(yè)學院課程思政教育教學改革研究專項課題（21mdsz09）。