案例式教學(xué)在工程設(shè)計(jì)軟件教學(xué)中的探索與研究

梁良　李小勇　夏熱

[摘 要]工程設(shè)計(jì)軟件教學(xué)具有實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)。針對其教學(xué)中存在的問題，高校應(yīng)改善教學(xué)效果、增強(qiáng)學(xué)生對工程實(shí)踐的感性認(rèn)識；在教學(xué)過程中引入具體案例，并將案例問題進(jìn)行詳細(xì)解析，使學(xué)生對工程設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用有更深刻的認(rèn)識；通過建立分層教學(xué)的資源庫和試題庫，使教師“在線”與學(xué)生互動，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，開拓學(xué)生動手實(shí)踐的時間和空間；提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生探究學(xué)習(xí)的潛能。

[關(guān)鍵詞]軟件教學(xué)；工程案例；分層教學(xué)；自主學(xué)習(xí)；

[中圖分類號] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）04-0047-03

○、引言

根據(jù)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》的精神，高等教育承擔(dān)著培養(yǎng)高級專門人才、發(fā)展科學(xué)技術(shù)文化、促進(jìn)現(xiàn)代化建設(shè)的重大任務(wù)，提高質(zhì)量是高等教育發(fā)展的核心任務(wù)，是建設(shè)高等教育強(qiáng)國的基本要求[1][2]。高等教育的改革需以經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和科技進(jìn)步的要求來推進(jìn)。廣大教師一直積極探索各種教學(xué)方法，以達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)更多人才的目的。他們在摒棄傳統(tǒng)的“灌輸式”、“填鴨式”教學(xué)方式的同時，提出了諸如啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式等教學(xué)模式。其目的是營造一個獨(dú)立思考、自由探索的環(huán)境來激發(fā)學(xué)生的好奇心，吸引學(xué)生的興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。

對于工科學(xué)生而言，合格的畢業(yè)生在熟練掌握專業(yè)知識的同時，必須要具備一定的分析問題、解決問題的能力。在傳統(tǒng)的授課過程中，教師的主要任務(wù)是以最高效率向?qū)W生介紹課程的知識體系。課程中所涉及的例題往往是經(jīng)過抽象化的簡化模型，學(xué)生通過反復(fù)應(yīng)用來加深與鞏固知識點(diǎn)。由于學(xué)生在這一過程中完全處于被動接受的狀態(tài)，他們分析問題、解決問題的能力很難得到培養(yǎng)。案例式教學(xué)是指教師在課堂授課的同時，結(jié)合具體的實(shí)例對知識點(diǎn)進(jìn)行講解。其起源于19世紀(jì)70年代哈佛大學(xué)邁克爾·桑德爾（Michael Sandel）教授的“公正：該如何做是好”公開課。邁克爾教授在授課時利用大量案例來講授深奧的政治哲學(xué)，令人印象深刻[3]。自此案例教學(xué)被廣泛應(yīng)用于大學(xué)教學(xué)的各個環(huán)節(jié)。其不僅可以增強(qiáng)學(xué)生感性認(rèn)識，還有助于提高學(xué)生對實(shí)際問題的認(rèn)知水平、分析能力；使學(xué)生能夠掌握實(shí)際問題的正確思考方法，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新能力。與傳統(tǒng)教學(xué)方法相比，案例教學(xué)課堂變數(shù)大，所需背景內(nèi)容多；需要教師具有廣博的知識儲備、高度責(zé)任感以及更加靈活的教學(xué)組織手段。只有將這些環(huán)節(jié)逐一落實(shí)，案例教學(xué)才能真正起到啟發(fā)學(xué)生思維的作用。

一、工程實(shí)踐課程特點(diǎn)與現(xiàn)狀

工程設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用課程作為機(jī)械工程專業(yè)的專業(yè)主干課程，覆蓋機(jī)械工程專業(yè)下屬的機(jī)械設(shè)計(jì)及理論、機(jī)械制造及其自動化、車輛工程等專業(yè)方向，同時工程設(shè)計(jì)軟件也是機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新大賽等實(shí)踐環(huán)節(jié)要求學(xué)生熟練掌握的三維設(shè)計(jì)軟件。該課程涉及學(xué)科相對較多，涵蓋內(nèi)容較廣，部分內(nèi)容還與國民建設(shè)大型工程息息相關(guān)。因此，各高校都開設(shè)有UG、CATIA、SolidWorks、PRO/E、ANASYS、ABAQUS等課程。然而當(dāng)前該課程教學(xué)存在許多問題，嚴(yán)重影響課程的教學(xué)質(zhì)量。其主要表現(xiàn)有：課程所使用的教材與輔導(dǎo)資料相對陳舊，部分教材的重點(diǎn)、難點(diǎn)不夠突出，無法滿足新形勢下工科學(xué)生的培養(yǎng)要求；教師授課方式相對落后，部分教師沒有利用現(xiàn)代化的通信手段來進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生無法理解課程中的抽象概念及原理；與此同時，工科高校的工程實(shí)踐課程的教學(xué)課時減少，導(dǎo)致授課教師無法在有限時間內(nèi)將課程中的全部內(nèi)容講透，學(xué)生很難清楚地理解課程中涉及的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范、計(jì)算公式。

這就意味著整個工程設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用教學(xué)環(huán)節(jié)需要密切重視理論與實(shí)踐相結(jié)合，重視軟件應(yīng)用過程中可能會出現(xiàn)的一些問題，深化工程設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用課程教學(xué)改革。要以工程實(shí)際案例為背景，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，建設(shè)分層教學(xué)的資源庫和試題庫，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生探究學(xué)習(xí)的潛能[4]。目前國內(nèi)同類課程均已按照“寬基礎(chǔ)、寬口徑、重能力、強(qiáng)素質(zhì)、促創(chuàng)造”的原則，積極開展案例式教學(xué)模式，并取得了一定的成果[5]；形成了一套由課堂講授、多媒體輔助教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課后練習(xí)和科學(xué)考評相結(jié)合的全方位、多層次的教學(xué)體系；保證學(xué)生能夠具備分析、解決實(shí)際問題的能力，能夠適應(yīng)以后的工作崗位的需求[6]。

二、教學(xué)內(nèi)容和方法的改革

教育的生命力在于與時俱進(jìn)，工程設(shè)計(jì)軟件教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法也應(yīng)逐步提高與完善。良好的教學(xué)效果與教師良好的科研素養(yǎng)、豐富的科研教學(xué)經(jīng)歷是分不開的。工程設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用課程具有實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)。學(xué)生的接受能力不盡相同，分析思考問題的能力也參差不齊，部分學(xué)生自律性較差，遇到問題后學(xué)習(xí)積極性容易受挫。將工程實(shí)際的案例引入課堂教學(xué)中，實(shí)施以任務(wù)為導(dǎo)向、小組合作討論、相互評價(jià)的教學(xué)模式，不僅可以促進(jìn)學(xué)生合作，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，還能有效提升教學(xué)效果。

（一）合理安排教學(xué)重點(diǎn)

工程設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用課程涉及機(jī)械制圖、三維建模和力學(xué)分析等方面的知識，知識點(diǎn)零碎而繁多。在課時有限的情況下，如何合理安排教學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容，是每位授課教師重點(diǎn)思考的問題。在理論課程講解中，教師應(yīng)該重點(diǎn)講解課程的精華知識點(diǎn)，部分知識點(diǎn)只需稍加點(diǎn)撥，安排學(xué)生課后自習(xí)或查看參考書籍。在教學(xué)過程中通過精心選擇教學(xué)重點(diǎn)，做到以點(diǎn)帶面，才能保證課程的完整性和系統(tǒng)性。

例如三維建模布爾運(yùn)算理論涉及大量的圖形學(xué)知識及復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，通過計(jì)算機(jī)后臺運(yùn)算及顯式表達(dá)實(shí)現(xiàn)幾何模型的并、交、差運(yùn)算。在課程講解時，學(xué)生很難理解布爾運(yùn)算過程及部分三維模型的數(shù)學(xué)表達(dá)。此時教學(xué)的重點(diǎn)應(yīng)放在布爾運(yùn)算規(guī)則的教學(xué)上，通過立方體、長方體、圓柱體等規(guī)則模型的并、交、叉運(yùn)算來引導(dǎo)學(xué)生熟悉布爾運(yùn)算的規(guī)則；將布爾運(yùn)算不適用范圍通過例題一一演示給學(xué)生，并介紹其原因，以免學(xué)生在后期建模過程中犯錯而找不出緣由；最后可以通過封閉自由曲面（如飛機(jī)機(jī)身）的布爾運(yùn)算來考核學(xué)生的掌握情況。

（二）理論教學(xué)和工程實(shí)例相結(jié)合

任何一門理論均是建立在實(shí)踐總結(jié)的基礎(chǔ)上的。沒有實(shí)踐支撐的理論就像是空中樓閣，學(xué)生不僅感覺枯燥無味，也難以牢固掌握。工程設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用在工程上的應(yīng)用涉及工程制圖、機(jī)械設(shè)計(jì)、公差與配合、機(jī)械零件機(jī)械原理、汽車構(gòu)造、理論力學(xué)、材料力學(xué)等課程。學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)不僅可以鞏固這些課程，還能提高自身綜合工程應(yīng)用能力。一旦學(xué)生掌握了工程設(shè)計(jì)軟件，其設(shè)計(jì)思想等可以得到很好的表達(dá)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，學(xué)生對該課程掌握的好壞，直接關(guān)系到學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)以及今后在企業(yè)工程應(yīng)用中能力的發(fā)揮。因此，授課教師要善于將工程實(shí)例貫穿至教學(xué)環(huán)節(jié)中，不僅能使教學(xué)內(nèi)容更加飽滿、教學(xué)過程更加生動，而且能讓學(xué)生感受到學(xué)習(xí)工程設(shè)計(jì)軟件的價(jià)值與意義，最大限度地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛能。

在實(shí)際教學(xué)過程中，有些問題需要結(jié)合具體案例進(jìn)行分析討論。如在教學(xué)過程中為了闡明一個具體工程事故的起因，如果單單從理論分析的角度去講解，勢必使學(xué)生無法深入理解。例如在講解自由曲面建模時，由于自由曲面是通過三次樣條曲線來近似表達(dá)的，其數(shù)學(xué)表達(dá)式相對復(fù)雜，學(xué)生難以理解。此時應(yīng)從立方體、圓柱體等規(guī)則模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式入手進(jìn)行講解，因?yàn)榱⒎襟w等規(guī)則模型的數(shù)學(xué)表達(dá)是通過標(biāo)準(zhǔn)的三元一次方程來表達(dá)的，學(xué)生很容易理解。隨后介紹自由曲面的應(yīng)用范圍，如飛機(jī)的機(jī)身、汽車車身等。讓學(xué)生了解自由曲面在工程中的應(yīng)用非常廣泛，立方體等規(guī)則模型在工程中的應(yīng)用相對較少，即使使用也是由規(guī)則模型加上自由曲面（如邊界倒角、消除結(jié)構(gòu)應(yīng)力）構(gòu)成。當(dāng)學(xué)生有了感性認(rèn)識后，再引導(dǎo)學(xué)生如何用數(shù)學(xué)表達(dá)式來表達(dá)自由曲面、結(jié)合理論介紹三次樣條曲線表達(dá)式、講解控制自由曲面的關(guān)鍵參數(shù)。三維建模軟件正是通過控制這些參數(shù)來進(jìn)行交互式顯示的。這樣學(xué)生既可以了解自由曲面的應(yīng)用范疇，又能在有限的時間內(nèi)全面系統(tǒng)地掌握自由曲面建模的關(guān)鍵參數(shù)，同時還可以將自由曲面建模的方法應(yīng)用至其他工程領(lǐng)域中。

（三）加強(qiáng)課程建設(shè)

針對高等教育的特點(diǎn)，高校應(yīng)以工程應(yīng)用為背景，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，理論講授與實(shí)踐實(shí)訓(xùn)并舉、校企合作與工學(xué)結(jié)合并舉。以項(xiàng)目任務(wù)為驅(qū)動，突出建模思路，突出任務(wù)指引，提高學(xué)生動手能力，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，提高學(xué)生工程應(yīng)用能力。在教學(xué)中，要以典型實(shí)例作為教學(xué)案例和實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，采用多媒體教學(xué)手段，堅(jiān)持教、學(xué)、做一體化的原則，進(jìn)行現(xiàn)場教學(xué)、課后作業(yè)等實(shí)踐活動。要堅(jiān)持學(xué)生獨(dú)立操作的原則，將實(shí)踐教學(xué)與考核有機(jī)地結(jié)合在一起，確保課程內(nèi)容貼近實(shí)際，特色鮮明。為了達(dá)到工程設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用課程的建設(shè)要求，還需要注意以下幾方面：聯(lián)合其他兄弟院校和工學(xué)結(jié)合單位，編寫工程設(shè)計(jì)軟件教學(xué)教材和習(xí)題集，增加實(shí)際案例剖析、常見問題討論等內(nèi)容，使教學(xué)內(nèi)容更適合學(xué)生的需求；編寫工程設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用課程的教學(xué)大綱，根據(jù)這門課的特點(diǎn)開發(fā)動態(tài)電子教材和電子教案，并將典型工程案例納入教學(xué)大綱中；建立分層教學(xué)的資源庫和試題庫，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生探究學(xué)習(xí)的潛能，突出工程應(yīng)用能力培養(yǎng)；密切重視理論與實(shí)踐相結(jié)合，重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，深入到企業(yè)一線進(jìn)行調(diào)研，了解生產(chǎn)企業(yè)實(shí)際使用和制造過程中面臨的困難與問題。

（四）強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)和轉(zhuǎn)變師生關(guān)系

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)上，授課教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，采取“模仿—理解—設(shè)計(jì)”三階段的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)?！澳７隆笔侵冈趯?shí)驗(yàn)的初始階段，學(xué)生通過教師示范理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，熟悉各種零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理，模仿教師的實(shí)驗(yàn)過程完成實(shí)驗(yàn)?！袄斫狻笔侵冈凇澳７隆敝袑α慵：蛙浖褂没静僮魇煜さ幕A(chǔ)上，根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書給出的零件案例，經(jīng)教師檢查通過后完成實(shí)驗(yàn)。“設(shè)計(jì)”是指在完成前兩個階段后，根據(jù)選定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，達(dá)到對學(xué)生的動手、動腦能力進(jìn)行綜合訓(xùn)練的目的。通過這三個循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)，在有限的實(shí)驗(yàn)時間內(nèi)，達(dá)到對學(xué)生動手能力和工程創(chuàng)新能力進(jìn)行訓(xùn)練的目的。

除了注意實(shí)驗(yàn)所使用的教材與教科書有機(jī)結(jié)合，以免加大學(xué)生理解認(rèn)知難度之外，授課教師還需要增加課堂教學(xué)的開放性，遵循以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的教學(xué)觀念，鼓勵學(xué)生積極參加教學(xué)內(nèi)容討論，拉近師生關(guān)系，活躍課堂氣氛。將理論課程和課程研究項(xiàng)目、教學(xué)過程中存在的相關(guān)技術(shù)問題和理論問題融于討論，以學(xué)生上臺講演和討論為教學(xué)形式，深入研究探討各階段所涉及的知識點(diǎn)及其在工程中的應(yīng)用，以對具體問題的理論解析和提出解決問題的方法為討論內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，學(xué)會學(xué)習(xí)、主動學(xué)習(xí)，綜合訓(xùn)練學(xué)生能力，提高學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)知識來分析、理解和解決本專業(yè)及相關(guān)行業(yè)的理論和實(shí)踐問題的能力。

（五）利用先進(jìn)教學(xué)手段

工程設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用課程屬于應(yīng)用型課程，需要授課教師在課堂教學(xué)中使用多媒體對相關(guān)軟件使用進(jìn)行操作，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識，以提高課堂教學(xué)效果。同時學(xué)校應(yīng)根據(jù)培養(yǎng)方案及學(xué)生需求建立多種媒體構(gòu)成的立體化教學(xué)載體；在學(xué)校內(nèi)部建立網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)習(xí)網(wǎng)站，包括案例集、習(xí)題庫、試題庫、多媒體課件、在線測試、在線交流等教學(xué)輔助資料，為學(xué)生的自主學(xué)習(xí)提供豐富有效的資料。如果學(xué)校條件允許，還可以在人工智能、知識工程與數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上，應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析平臺，實(shí)時收集和預(yù)測學(xué)生的興趣及喜好，有針對性地向?qū)W生推送一些工程案例及測試試題，讓學(xué)生改被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，找到學(xué)習(xí)的樂趣，激發(fā)學(xué)習(xí)的欲望。同時利用互聯(lián)網(wǎng)及現(xiàn)代化的通信手段，方便學(xué)生與教師及時溝通，遞交最新學(xué)習(xí)情況；同時教師也可隨時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，及時反饋意見，營造教師隨時“在線”的效果。

三、結(jié)論

工程設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用是一門面向全校工程設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生開設(shè)的專業(yè)課，其不僅要教會學(xué)生各種機(jī)械零部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理及準(zhǔn)確的工程表達(dá)，更要提高學(xué)生的綜合工程應(yīng)用能力，最大限度地激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新潛能。本文對工程設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用課程改革進(jìn)行了探討，以工程實(shí)際案例為背景，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，建立分層教學(xué)的資源庫和試題庫，強(qiáng)調(diào)教師的“教”和學(xué)生的“學(xué)”應(yīng)該具有良好的互動性。該方法能夠使學(xué)生在感性認(rèn)識的前提下，很好地掌握教學(xué)內(nèi)容，提高自主學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生探究學(xué)習(xí)的潛能。

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[責(zé)任編輯：劉鳳華]