項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)在機(jī)械類CAE課程中的改革探索

尹碩輝,鄒云釗,陳睿,姜?jiǎng)購?qiáng),周友行

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

CAE(Computer Aided Engineering)即計(jì)算機(jī)輔助工程,指的是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來進(jìn)行工程設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化的過程。它是一種將計(jì)算機(jī)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(jì)與分析的效率和精度,減少試驗(yàn)成本和時(shí)間,從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和競爭力。機(jī)械類專業(yè)是工程類專業(yè)中的一個(gè)重要分支,涵蓋了多個(gè)學(xué)科(機(jī)械、力學(xué)、材料等)及應(yīng)用領(lǐng)域,如航空航天、汽車、機(jī)械制造、能源等。隨著社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,CAE技術(shù)在機(jī)械行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛[1-2],現(xiàn)已逐漸成為機(jī)械類行業(yè)高級(jí)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(jī)械類專業(yè)的重點(diǎn)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(jìn)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(dòng)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(shí)踐操作過于標(biāo)準(zhǔn)化、單一化;(3)CAE課程教學(xué)內(nèi)容滯后且與實(shí)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(shí)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(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式的方式對機(jī)械類專業(yè)CAE課程進(jìn)行改革與實(shí)踐研究。從接近實(shí)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(shí)際問題去學(xué)去做,通過解決實(shí)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(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法(Project-Based Learning,簡稱PBL)最早起源于20世紀(jì)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(shí)踐和探究來推動(dòng)學(xué)習(xí),其核心思想是將學(xué)生置于真實(shí)的情境中,通過完成一個(gè)或多個(gè)項(xiàng)目來實(shí)現(xiàn)知識(shí)的掌握和技能的提升。學(xué)生在項(xiàng)目中不僅需要運(yùn)用已有的知識(shí)和技能,還需要進(jìn)行探究、合作和創(chuàng)新等活動(dòng),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(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法對于實(shí)現(xiàn)機(jī)械類專業(yè)CAE課程教學(xué)目標(biāo)、培養(yǎng)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)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(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。近年來,已有眾多高校機(jī)械專業(yè)的教育工作者探討了基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)方法及在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用[7-10],但是,基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式機(jī)械類專業(yè)CAE課程的教學(xué)研究還比較少,有待進(jìn)一步完善。CAE課程主要通過計(jì)算機(jī)技術(shù)來模擬工程問題,采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)方式能更好地發(fā)揮CAE課程的優(yōu)勢,通過構(gòu)造機(jī)械工程及交叉學(xué)科相關(guān)項(xiàng)目,采用CAE知識(shí)及軟件模擬機(jī)械工程實(shí)際問題,能更好地培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐、分析及解決問題的能力。

1 機(jī)械類專業(yè)CAE課程項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)模型的構(gòu)建

1.1 CAE課程項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)模型構(gòu)建的思路

機(jī)械類專業(yè)CAE課程是一門實(shí)踐性強(qiáng)、多學(xué)科交叉的專業(yè)技術(shù)課程,如果沒有實(shí)踐支撐,僅僅通過理論知識(shí)的講解來進(jìn)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(shí)也難以達(dá)到較好的學(xué)習(xí)效果和較多知識(shí)的獲取。因此,理論知識(shí)和實(shí)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(xiàng)目,讓學(xué)生通過實(shí)踐探究和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)機(jī),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(diǎn),容易調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。故在教學(xué)過程中,讓機(jī)械類專業(yè)的學(xué)生根據(jù)自己喜歡的方向(機(jī)設(shè)、機(jī)電、機(jī)制及交叉方向)去選擇項(xiàng)目,更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)斗志。而選擇的項(xiàng)目要從實(shí)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(xiàng)目后,學(xué)生需要對項(xiàng)目進(jìn)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(duì),一起完成項(xiàng)目,解決實(shí)際問題。在完成項(xiàng)目后,學(xué)生需要對完成的項(xiàng)目使用PPT進(jìn)行匯報(bào),向老師和同學(xué)們展示完成項(xiàng)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(bào)進(jìn)行點(diǎn)評,給出指導(dǎo)性意見。待老師點(diǎn)評打分后,學(xué)生根據(jù)老師所提意見進(jìn)行修改和優(yōu)化,提交項(xiàng)目報(bào)告書。項(xiàng)目的具體實(shí)施過程如圖1所示。

1.2 項(xiàng)目的要求及案例

本文從機(jī)械類專業(yè)的CAE課程出發(fā),引入項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)方法。對于選取的項(xiàng)目應(yīng)當(dāng)以教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ),要基本涵蓋課程的知識(shí)點(diǎn),打好理論基礎(chǔ),同時(shí)也要兼顧機(jī)械工程實(shí)踐。選取的項(xiàng)目要切合實(shí)際,要有較強(qiáng)的實(shí)用性和應(yīng)用性,項(xiàng)目的難度也應(yīng)當(dāng)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(xiàng)目分別從機(jī)設(shè)、機(jī)電、機(jī)制及交叉領(lǐng)域各選取典型的實(shí)際項(xiàng)目案例進(jìn)行CAE模擬計(jì)算,具體的項(xiàng)目案例名稱如圖2所示。完成項(xiàng)目后,學(xué)生應(yīng)當(dāng):(1)掌握CAE仿真的基本原理和基本知識(shí),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(yùn)用有限元軟件對航空航天、汽車、機(jī)械制造、能源等行業(yè)中的典型設(shè)備進(jìn)行受力及結(jié)構(gòu)分析的能力,提升工程設(shè)計(jì)和解決實(shí)際問題的能力。

圖2 機(jī)械類專業(yè)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式CAE課程題目

2 機(jī)械類專業(yè)CAE課程項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)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(jìn)行學(xué)習(xí)動(dòng)員,讓學(xué)生基本了解CAE課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容等。同時(shí),教師還應(yīng)當(dāng)就學(xué)生的基礎(chǔ)、能力和興趣等因素,進(jìn)行個(gè)性化引導(dǎo),讓學(xué)生逐步深入了解課程,并適當(dāng)調(diào)整課程的難度和進(jìn)度,以實(shí)現(xiàn)教育教學(xué)目標(biāo)的最優(yōu)化。另外,老師應(yīng)向?qū)W生介紹選題項(xiàng)目的背景、意義及其與實(shí)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(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。隨后老師發(fā)布選題項(xiàng)目,并上傳相關(guān)基本資料。為了進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的合作、參與意識(shí)以及協(xié)同完成項(xiàng)目的能力,允許同學(xué)之間相互組建隊(duì)伍,但人數(shù)不得超過4人,因?yàn)檩^小的分組規(guī)模更易于管理和組織。當(dāng)組內(nèi)成員數(shù)量較少時(shí),教師或組織者可以更好地跟蹤每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)展,提供個(gè)性化的指導(dǎo)和支持。組建隊(duì)伍后,各小組進(jìn)行限時(shí)討論并需要確定選題,明確項(xiàng)目完成要求。

2.2 項(xiàng)目執(zhí)行過程

在項(xiàng)目解決過程中,首先,小組的學(xué)生根據(jù)所選項(xiàng)目查找相關(guān)參考文獻(xiàn)和視頻教程,并結(jié)合老師提供的資料及時(shí)進(jìn)行討論與分析,得出大致的項(xiàng)目解決思路與方案,從而進(jìn)一步確定項(xiàng)目的安排和執(zhí)行。在小組分工時(shí),學(xué)生就個(gè)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(shí),小組的每個(gè)成員也應(yīng)掌握項(xiàng)目所需基本理論、軟件操作以及整個(gè)項(xiàng)目的執(zhí)行過程。學(xué)生在項(xiàng)目執(zhí)行過程中,老師應(yīng)當(dāng)適時(shí)地詢問項(xiàng)目進(jìn)度,確保學(xué)生按時(shí)完成項(xiàng)目。待到進(jìn)行結(jié)果分析時(shí),學(xué)生要將結(jié)果與參考文獻(xiàn)和資料進(jìn)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(xiàng)目求解過程,并以PPT的形式在課程結(jié)束后進(jìn)行展示和匯報(bào),老師在聽取學(xué)生的匯報(bào)后,有針對性地提出相關(guān)項(xiàng)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(diǎn)評過程中,老師也要適當(dāng)激勵(lì)學(xué)生,肯定其完成的項(xiàng)目,使其產(chǎn)生興趣,更加主動(dòng)的學(xué)習(xí)。最后學(xué)生根據(jù)老師提出的意見進(jìn)行修改及總結(jié),提交項(xiàng)目報(bào)告書。

2.3 學(xué)習(xí)評價(jià)方法

教學(xué)評價(jià)是判斷教學(xué)效果價(jià)值的重要標(biāo)準(zhǔn),通過教學(xué)評價(jià)可以獲得有效且可靠的反饋信息,并在后續(xù)決策、跟進(jìn)輔導(dǎo)和評定等級(jí)等方面具有重要意義。本課程的成績由平時(shí)成績與期末成績組成,其中平時(shí)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(shí)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(shí)際操作題。而平時(shí)成績主要來源于所選項(xiàng)目完成的進(jìn)度與結(jié)果。教學(xué)過程中,為了更好地考查學(xué)生知識(shí)和技能的掌握程度,我們設(shè)計(jì)了老師評價(jià)表,具體設(shè)計(jì)如表1所示。此外,為了避免評價(jià)主體單一,還設(shè)計(jì)了學(xué)生小組互評表、小組成員互評表以及自我評價(jià)表(見表2、表3、表4)。4個(gè)表的總分為100分即平時(shí)成績總分,將老師評價(jià)表、小組互評表、小組成員互評表以及自我評價(jià)表分?jǐn)?shù)相加就是個(gè)人的平時(shí)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(gè)人總分。在小組互評及自我評價(jià)表中要求學(xué)生務(wù)必客觀、公正地進(jìn)行評價(jià),通過指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行評價(jià),力求全面客觀地評價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果和學(xué)習(xí)過程。同時(shí)為了完善教學(xué),需要及時(shí)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(jìn)的建議。這可以通過學(xué)生與老師課程交流、個(gè)別會(huì)談和在線討論等方式實(shí)現(xiàn)。為了進(jìn)行課程改進(jìn),教師可以根據(jù)反饋結(jié)果重新設(shè)計(jì)課程內(nèi)容、調(diào)整學(xué)習(xí)目標(biāo)和教學(xué)活動(dòng),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(jià)

表2 小組互評

表3 小組成員互評

表4 自我評價(jià)

3 總結(jié)

將項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式學(xué)習(xí)理念融入機(jī)械類專業(yè)CAE課程教學(xué)中,按照設(shè)計(jì)的機(jī)械專業(yè)類項(xiàng)目式培養(yǎng)計(jì)劃,對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)結(jié)果進(jìn)行科學(xué)、全面的判斷,為培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、語言表達(dá)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(jìn)學(xué)生個(gè)性、創(chuàng)造性和學(xué)習(xí)主動(dòng)性的發(fā)展,提高課程學(xué)習(xí)效果。