CAE課程教學方法改革與創(chuàng)新探討

摘要：計算機輔助工程（CAE）是機械類專業(yè)學生一門重要的專業(yè)基礎課。文章根據(jù)筆者在CAE教學過程中的實踐和經(jīng)驗，分析了目前CAE教學中存在的一些問題，并提出了CAE教學方法改革與創(chuàng)新的一些建議，為CAE課程的教學改革提供了思路與參考。

關鍵詞：CAE 教學方法 改革 創(chuàng)新

計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）是以數(shù)值算法、計算機圖形學以及數(shù)字化信息技術為基礎的一項新興技術，是現(xiàn)代工程設計領域的先進設計方法之一[1]。目前，大多數(shù)高校都已開設了CAE課程，主要面向機械類專業(yè)學生，通過該課程的學習，要求學生具備一定的理論基礎，掌握相關應用軟件，培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力，為日后從事相關工作打好基礎。作者近年來一直從事CAE教學工作，通過課堂教學、上機實踐教學以及與學生的溝通和交流發(fā)現(xiàn)，該課程的教學往往不能達到預期效果，教學過程中存在一些亟待解決的問題，教學方法有待于改革與創(chuàng)新，為此，作者已在實際教學過程中做了相關的探索與嘗試，且取得了較好的效果。

1 目前CAE教學中存在的問題

CAE是機械類專業(yè)學生非常重要的一門專業(yè)技術課，與其它專業(yè)課程相比，CAE在數(shù)學基礎上對學生的要求明顯較高，涉及微分方程求解、矩陣運算、行列式特征值問題等諸多數(shù)學知識[3]；同時，在計算機操作方面對學生也有較高要求，學習該課程前要求學生對計算機的系統(tǒng)組成、軟件及硬件都要有一定了解，為CAE軟件的上機實踐做好準備。

①課時安排不合理，理論課與實踐課的課時分配存在矛盾。很多授課教師認為CAE課程就是教學生學習幾個應用軟件，理論方面的知識都是次要的，所以一些教師在修訂大綱時就將課時主要集中在上機實踐方面，而理論課則只分配很少的學時。就拿作者所在的機電工程系來說，《有限元基礎》這門課一共只有32個課時，其中理論授課8課時，上機實踐24課時，這種分配方式顯然不合理。理論是基礎，基礎永遠是最重要的，只有打好基礎才可能在實踐上得心應手，要想在短短8課時內(nèi)講清楚有限元方面的主要知識幾乎是不可能的。

②授課教師專業(yè)知識積累不夠，業(yè)務水平有待于進一步提高。CAE課程的相關理論知識比較抽象，不僅是學生，甚至有些教師也覺得枯燥難懂。作者在教學中發(fā)現(xiàn)，教師的業(yè)務水平參差不齊，特別是一些年輕教師，在理論教學和實踐教學方面的專業(yè)知識明顯欠缺，比如“模態(tài)”這個概念，有的教師自身都說不清楚，試問如何能教好學生？有的教師對CAE軟件不夠熟悉，有時候甚至連軟件的破解和安裝都不會，這樣的水平怎么來指導學生上機實踐呢？

③教學模式過于自主化，缺乏與學生的互動、交流。由于CAE課程涉及許多數(shù)學及力學方面的知識，所以公式的推導及相關的理論計算是在所難免的，這就使得一些教師在授課過程中往往只專注于自己頭腦中的思路，而忽略了學生的接受能力，不能和學生進行良好的互動與交流。例如有的教師在講授多自由度系統(tǒng)振動方程這一章節(jié)時，滿滿一黑板寫得全是微分方程和矩陣運算，將大量的精力與時間都用在枯燥的數(shù)學計算上，教學效果可想而知。

④CAE盜版軟件漏洞較多，嚴重影響上機實踐教學。上機實踐是CAE課程學習的一個重要環(huán)節(jié)，目前高校使用的CAE軟件大多都是來源于盜版，這樣的軟件往往會在上機實踐教學中出現(xiàn)這樣或那樣的問題，嚴重影響實踐教學效果。比如美國PTC公司的Pro/E軟件，將其盜版安裝在網(wǎng)絡機房也可以供教學使用，但問題是這個軟件自身的實體很大，在網(wǎng)絡教學過程中如果鼠標操作較快就會直接死機，有的學生在上機過程中甚至會遇到軟件莫名其妙地自行關閉，這些都是作者在上機實踐教學過程中所親身經(jīng)歷的。

2 幾點建議

①理論為輔，實踐為主，提高學生對于CAE基礎理論學習的積極性。CAE課程的理論部分涉及許多數(shù)學知識且比較枯燥，筆者在教學過程中發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學生都對CAE理論不感興趣，有的學生甚至學完有限元這門課后還不知道什么是單元、節(jié)點、自由度等概念。這樣的教學效果顯然是不符合教學大綱要求的，同時對于學生養(yǎng)成良好的學習習慣，培養(yǎng)學生扎實的專業(yè)基礎功底都是不利的。另外，應該將CAE課程總課時增加至64個，其中理論課不少于26個，只有這樣，才能將CAE基礎理論較為系統(tǒng)地講清楚。

筆者在教學過程中嘗試理論為輔，實踐為主的教學模式，即打破以往的理論教學與實踐教學分開進行的慣性授課方式，將每次兩個課時一分為二，第一節(jié)課采用理論教學，第二節(jié)課則根據(jù)第一節(jié)課所講知識有針對性地上機實踐，在實踐中發(fā)現(xiàn)問題，理解相關理論難點。通過上機操作可以很好地鞏固上節(jié)課所學的理論知識，這樣就將理論教學與上機實踐有機地銜接了起來，增強了學生對于CAE基礎理論知識的認識與理解，學懂了自然就有了興趣，而興趣則是最好的老師。實踐證明這種理論為輔，實踐為主的教學方式對于提高學生的學習主動性有很大幫助，教學效果良好。

②采用啟發(fā)式教學，加強師生互動，注重培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力。同其它課程教學一樣，啟發(fā)式教學在CAE課程教學中也能起到很好的效果。筆者在講解Ansys常用單元這部分內(nèi)容時，就以教學樓的框架結構為引導，如講到梁單元Beam3、Beam4時可以將教室頂部的橫梁作為啟發(fā)對象；講到面單元Plane42時可以將教學樓的墻壁作為啟發(fā)對象，這種形象化的啟發(fā)式教學不僅可以激發(fā)學生的學習興趣，而且還能對所學知識加深印象和記憶。

③引入教育版CAE軟件，加強教師專業(yè)技能培訓，提高教師的指導水平。工欲善其事，必先利其器。目前很多CAE軟件都有針對教學使用的教育版，費用也不貴，但是很多高校好像對其都不置可否，所以如何將正版CAE教學軟件引入課堂，樹立正確的版權意識，保證CAE上機實踐教學取得良好的效果，也是目前CAE教學過程中需要思考和解決的重要問題之一。

目前CAE軟件的版本更新速度很快，比如SolidWorks和Pro/E這兩種軟件，基本上每年都會發(fā)布一個新的版本，每次版本更新都會對軟件結構有所調(diào)整同時增加一些新的功能，比如SolidWorks軟件，09版以前的仿真分析模塊統(tǒng)稱為COSMOS，但從09版開始SolidWorks的仿真分析模塊更名為Simulation[2]。所以筆者認為，作為教師必須樹立終生學習的意識，及時更新相關的專業(yè)知識，努力提高自身的業(yè)務水平。在引入正版的教育軟件之后，一定要對授課教師進行系統(tǒng)地培訓，使教師首先能夠較為熟練地掌握CAE軟件，最好是能夠取得相關的技能證書，只有教師的水平提高了，才能更好地指導學生。

④開設CAE課程設計，通過設計實例鞏固所學基礎知識，進一步提升學生對軟件的學習興趣和應用能力。 軟件的學習是CAE課程教學中的重點，如何讓學生熟練地掌握相關應用軟件，將上機過程中所學到的技能應用于實踐，是CAE教學的重中之重。筆者在教學過程中嘗試增設課程設計環(huán)節(jié)，課程設計題目可以從不同角度來出，比如實體造型、有限元分析、機構學仿真、參數(shù)化設計等，通過課程設計可以引導學生將所學理論知識應用于實踐，同時也可以鞏固和提高學生對于軟件的掌握能力。筆者在指導課程設計的過程中發(fā)現(xiàn)，很多學生都對課程設計的內(nèi)容表現(xiàn)出極大的興趣，相互之間都能夠積極交流和討論軟件的操作技巧，在完成課程設計之后，許多學生都反映良好，感覺自己的理論知識和軟件操作水平有了明顯提高。

3 結束語

目前，CAE已成為工程設計領域必不可少的分析手段，國內(nèi)外很多企業(yè)在產(chǎn)品投產(chǎn)前都要有CAE報告。加強CAE課程教學方法的改革與創(chuàng)新，為企業(yè)培養(yǎng)出合格的CAE人才，是目前各大高校教學改革過程中的重要環(huán)節(jié)之一。經(jīng)過近年來對于CAE教學改革的思考與探索，筆者對于本文所述的教學改革方法進行了嘗試，實踐證明效果良好，在一定程度上提高了CAE課程的教學質(zhì)量，同時也為今后進一步的CAE課程教學改革與創(chuàng)新提供了參考和思路。

參考文獻：

[1]高偉強，閻秋生，秦哲.“CAD/CAM/CAE課程綜合訓練”教學的實踐與探討[J].廣東工業(yè)大學學報，2004（4）：182-184.

[2]張先勇，馮進，汪建華.CAD/CAE軟件實踐課程設計的改革與創(chuàng)新探討[J].中國電力教育，2009（141）：158-159.

[3]王婧，劉揚松.機械專業(yè)學生CAD/CAM/CAE現(xiàn)場實戰(zhàn)能力培訓探討[J].科技信息，2009（17）：787.

[4]劉廣君.CAD/CAM/CAE技術概論選修課教學的實踐與思考[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2009（14）：62-64.

作者簡介：

王磊（1984-），男，學士學歷，商洛職業(yè)技術學院機電工程系專職教師，主要研究方向：CAD/CAE/CAM、機械系統(tǒng)動態(tài)設計與仿真。