項目驅動式教學在機械類CAE課程中的改革探索

尹碩輝,鄒云釗,陳睿,姜勝強,周友行

(湘潭大學 機械工程與力學學院,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來進行工程設計、分析和優化的過程。它是一種將計算機技術應用于工程領域的重要手段,旨在提高工程設計與分析的效率和精度,減少試驗成本和時間,從而提高產品質量和競爭力。機械類專業是工程類專業中的一個重要分支,涵蓋了多個學科(機械、力學、材料等)及應用領域,如航空航天、汽車、機械制造、能源等。隨著社會和科學技術的不斷發展,CAE技術在機械行業中的應用越來越廣泛[1-2],現已逐漸成為機械類行業高級復合技術型人才所必備的技能之一,其課程也已經成為國內外高校機械類專業的重點專業課程。

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

項目驅動式教學方法(Project-Based Learning,簡稱PBL)最早起源于20世紀50年代醫學教育[6],該方法旨在以問題為導向通過實踐和探究來推動學習,其核心思想是將學生置于真實的情境中,通過完成一個或多個項目來實現知識的掌握和技能的提升。學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、合作和創新等活動,從而提高自主學習和解決問題的能力。在新工科教育背景下,項目驅動式教學方法對于實現機械類專業CAE課程教學目標、培養實際經驗扮演著重要的角色。通過該方法,老師可以引導學生更好地掌握和應用專業技能,提高學生的自主學習能力,促進學生的全面發展。近年來,已有眾多高校機械專業的教育工作者探討了基于項目驅動式的教學方法及在機械設計制造中的應用[7-10],但是,基于項目驅動式機械類專業CAE課程的教學研究還比較少,有待進一步完善。CAE課程主要通過計算機技術來模擬工程問題,采用項目驅動方式能更好地發揮CAE課程的優勢,通過構造機械工程及交叉學科相關項目,采用CAE知識及軟件模擬機械工程實際問題,能更好地培養學生工程實踐、分析及解決問題的能力。

1 機械類專業CAE課程項目驅動式教學模型的構建

1.1 CAE課程項目驅動式教學模型構建的思路

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

興趣是最好的老師。以興趣作為切入點,容易調動學生的積極性。故在教學過程中,讓機械類專業的學生根據自己喜歡的方向(機設、機電、機制及交叉方向)去選擇項目,更能激發學生的學習斗志。而選擇的項目要從實際問題出發,貼近工程問題,使學生更容易理解學習內容和了解學習的意義。在選好項目后,學生需要對項目進行了解和分析,確定學習內容及目的,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,學生需要對完成的項目使用PPT進行匯報,向老師和同學們展示完成項目的過程和并分析得出的結論。隨后老師根據學生的匯報進行點評,給出指導性意見。待老師點評打分后,學生根據老師所提意見進行修改和優化,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

本文從機械類專業的CAE課程出發,引入項目驅動式的教學方法。對于選取的項目應當以教學內容為基礎,要基本涵蓋課程的知識點,打好理論基礎,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用性,項目的難度也應當具有一定的挑戰性,使之能夠基本滿足學生的自我挑戰,培養學生不怕困難、勇于克服困難的精神。

在教學過程中,項目分別從機設、機電、機制及交叉領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,學生應當:(1)掌握CAE仿真的基本原理和基本知識,具備發現問題、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、能源等行業中的典型設備進行受力及結構分析的能力,提升工程設計和解決實際問題的能力。

圖2 機械類專業項目驅動式CAE課程題目

2 機械類專業CAE課程項目驅動式教學過程

2.1 選題與分組

選題前,老師應先對學生進行學習動員,讓學生基本了解CAE課程的教學目標、教學內容等。同時,教師還應當就學生的基礎、能力和興趣等因素,進行個性化引導,讓學生逐步深入了解課程,并適當調整課程的難度和進度,以實現教育教學目標的最優化。另外,老師應向學生介紹選題項目的背景、意義及其與實際應用的關系,激發學生的學習興趣和熱情,增強學生的學習動力。隨后老師發布選題項目,并上傳相關基本資料。為了進一步培養學生的合作、參與意識以及協同完成項目的能力,允許同學之間相互組建隊伍,但人數不得超過4人,因為較小的分組規模更易于管理和組織。當組內成員數量較少時,教師或組織者可以更好地跟蹤每個學生的學習進展,提供個性化的指導和支持。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 項目執行過程

在項目解決過程中,首先,小組的學生根據所選項目查找相關參考文獻和視頻教程,并結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行。在小組分工時,學生就個人興趣或擅長方向合理分配任務,以確保教學效果最大化,同時,小組的每個成員也應掌握項目所需基本理論、軟件操作以及整個項目的執行過程。學生在項目執行過程中,老師應當適時地詢問項目進度,確保學生按時完成項目。待到進行結果分析時,學生要將結果與參考文獻和資料進行對比,直到符合預期要求。結果分析后,各小組整理分析項目求解過程,并以PPT的形式在課程結束后進行展示和匯報,老師在聽取學生的匯報后,有針對性地提出相關項目問題,以考查學生對基本概念和軟件操作等方面的掌握情況,并給出指導性意見。另外在點評過程中,老師也要適當激勵學生,肯定其完成的項目,使其產生興趣,更加主動的學習。最后學生根據老師提出的意見進行修改及總結,提交項目報告書。

2.3 學習評價方法

教學評價是判斷教學效果價值的重要標準,通過教學評價可以獲得有效且可靠的反饋信息,并在后續決策、跟進輔導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果。教學過程中,為了更好地考查學生知識和技能的掌握程度,我們設計了老師評價表,具體設計如表1所示。此外,為了避免評價主體單一,還設計了學生小組互評表、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生務必客觀、公正地進行評價,通過指導學生進行評價,力求全面客觀地評價學生的學習結果和學習過程。同時為了完善教學,需要及時向學生提供有針對性的意見和指導,幫助其了解自己在課程中的表現,并提供改進的建議。這可以通過學生與老師課程交流、個別會談和在線討論等方式實現。為了進行課程改進,教師可以根據反饋結果重新設計課程內容、調整學習目標和教學活動,這樣也可以提高學生的學習成果和滿意度。

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

將項目驅動式學習理念融入機械類專業CAE課程教學中,按照設計的機械專業類項目式培養計劃,對學生的學習過程和學習結果進行科學、全面的判斷,為培養學生的工程實踐能力、團隊協作能力、語言表達能力、自主學習能力等提供了一套可操作的方法,有利于促進學生個性、創造性和學習主動性的發展,提高課程學習效果。