CAE課程教學(xué)方法改革與創(chuàng)新探討

摘要：計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）是機(jī)械類專業(yè)學(xué)生一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。文章根據(jù)筆者在CAE教學(xué)過(guò)程中的實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)，分析了目前CAE教學(xué)中存在的一些問(wèn)題，并提出了CAE教學(xué)方法改革與創(chuàng)新的一些建議，為CAE課程的教學(xué)改革提供了思路與參考。

關(guān)鍵詞：CAE 教學(xué)方法 改革 創(chuàng)新

計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）是以數(shù)值算法、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)以及數(shù)字化信息技術(shù)為基礎(chǔ)的一項(xiàng)新興技術(shù)，是現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的先進(jìn)設(shè)計(jì)方法之一[1]。目前，大多數(shù)高校都已開(kāi)設(shè)了CAE課程，主要面向機(jī)械類專業(yè)學(xué)生，通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生具備一定的理論基礎(chǔ)，掌握相關(guān)應(yīng)用軟件，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，為日后從事相關(guān)工作打好基礎(chǔ)。作者近年來(lái)一直從事CAE教學(xué)工作，通過(guò)課堂教學(xué)、上機(jī)實(shí)踐教學(xué)以及與學(xué)生的溝通和交流發(fā)現(xiàn)，該課程的教學(xué)往往不能達(dá)到預(yù)期效果，教學(xué)過(guò)程中存在一些亟待解決的問(wèn)題，教學(xué)方法有待于改革與創(chuàng)新，為此，作者已在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中做了相關(guān)的探索與嘗試，且取得了較好的效果。

1 目前CAE教學(xué)中存在的問(wèn)題

CAE是機(jī)械類專業(yè)學(xué)生非常重要的一門專業(yè)技術(shù)課，與其它專業(yè)課程相比，CAE在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上對(duì)學(xué)生的要求明顯較高，涉及微分方程求解、矩陣運(yùn)算、行列式特征值問(wèn)題等諸多數(shù)學(xué)知識(shí)[3]；同時(shí)，在計(jì)算機(jī)操作方面對(duì)學(xué)生也有較高要求，學(xué)習(xí)該課程前要求學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)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(jī)實(shí)踐做好準(zhǔn)備。

①課時(shí)安排不合理，理論課與實(shí)踐課的課時(shí)分配存在矛盾。很多授課教師認(rèn)為CAE課程就是教學(xué)生學(xué)習(xí)幾個(gè)應(yīng)用軟件，理論方面的知識(shí)都是次要的，所以一些教師在修訂大綱時(shí)就將課時(shí)主要集中在上機(jī)實(shí)踐方面，而理論課則只分配很少的學(xué)時(shí)。就拿作者所在的機(jī)電工程系來(lái)說(shuō)，《有限元基礎(chǔ)》這門課一共只有32個(gè)課時(shí)，其中理論授課8課時(shí)，上機(jī)實(shí)踐24課時(shí)，這種分配方式顯然不合理。理論是基礎(chǔ)，基礎(chǔ)永遠(yuǎn)是最重要的，只有打好基礎(chǔ)才可能在實(shí)踐上得心應(yīng)手，要想在短短8課時(shí)內(nèi)講清楚有限元方面的主要知識(shí)幾乎是不可能的。

②授課教師專業(yè)知識(shí)積累不夠，業(yè)務(wù)水平有待于進(jìn)一步提高。CAE課程的相關(guān)理論知識(shí)比較抽象，不僅是學(xué)生，甚至有些教師也覺(jué)得枯燥難懂。作者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，教師的業(yè)務(wù)水平參差不齊，特別是一些年輕教師，在理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)方面的專業(yè)知識(shí)明顯欠缺，比如“模態(tài)”這個(gè)概念，有的教師自身都說(shuō)不清楚，試問(wèn)如何能教好學(xué)生？有的教師對(duì)CAE軟件不夠熟悉，有時(shí)候甚至連軟件的破解和安裝都不會(huì)，這樣的水平怎么來(lái)指導(dǎo)學(xué)生上機(jī)實(shí)踐呢？

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

④CAE盜版軟件漏洞較多，嚴(yán)重影響上機(jī)實(shí)踐教學(xué)。上機(jī)實(shí)踐是CAE課程學(xué)習(xí)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，目前高校使用的CAE軟件大多都是來(lái)源于盜版，這樣的軟件往往會(huì)在上機(jī)實(shí)踐教學(xué)中出現(xiàn)這樣或那樣的問(wèn)題，嚴(yán)重影響實(shí)踐教學(xué)效果。比如美國(guó)PTC公司的Pro/E軟件，將其盜版安裝在網(wǎng)絡(luò)機(jī)房也可以供教學(xué)使用，但問(wèn)題是這個(gè)軟件自身的實(shí)體很大，在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)過(guò)程中如果鼠標(biāo)操作較快就會(huì)直接死機(jī)，有的學(xué)生在上機(jī)過(guò)程中甚至?xí)龅杰浖涿畹刈孕嘘P(guān)閉，這些都是作者在上機(jī)實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中所親身經(jīng)歷的。

2 幾點(diǎn)建議

①理論為輔，實(shí)踐為主，提高學(xué)生對(duì)于CAE基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)的積極性。CAE課程的理論部分涉及許多數(shù)學(xué)知識(shí)且比較枯燥，筆者在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學(xué)生都對(duì)CAE理論不感興趣，有的學(xué)生甚至學(xué)完有限元這門課后還不知道什么是單元、節(jié)點(diǎn)、自由度等概念。這樣的教學(xué)效果顯然是不符合教學(xué)大綱要求的，同時(shí)對(duì)于學(xué)生養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)功底都是不利的。另外，應(yīng)該將CAE課程總課時(shí)增加至64個(gè)，其中理論課不少于26個(gè)，只有這樣，才能將CAE基礎(chǔ)理論較為系統(tǒng)地講清楚。

筆者在教學(xué)過(guò)程中嘗試?yán)碚摓檩o，實(shí)踐為主的教學(xué)模式，即打破以往的理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)分開(kāi)進(jìn)行的慣性授課方式，將每次兩個(gè)課時(shí)一分為二，第一節(jié)課采用理論教學(xué)，第二節(jié)課則根據(jù)第一節(jié)課所講知識(shí)有針對(duì)性地上機(jī)實(shí)踐，在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，理解相關(guān)理論難點(diǎn)。通過(guò)上機(jī)操作可以很好地鞏固上節(jié)課所學(xué)的理論知識(shí)，這樣就將理論教學(xué)與上機(jī)實(shí)踐有機(jī)地銜接了起來(lái)，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)于CAE基礎(chǔ)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)與理解，學(xué)懂了自然就有了興趣，而興趣則是最好的老師。實(shí)踐證明這種理論為輔，實(shí)踐為主的教學(xué)方式對(duì)于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性有很大幫助，教學(xué)效果良好。

②采用啟發(fā)式教學(xué)，加強(qiáng)師生互動(dòng)，注重培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。同其它課程教學(xué)一樣，啟發(fā)式教學(xué)在CAE課程教學(xué)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(shí)，就以教學(xué)樓的框架結(jié)構(gòu)為引導(dǎo)，如講到梁?jiǎn)卧狟eam3、Beam4時(shí)可以將教室頂部的橫梁作為啟發(fā)對(duì)象；講到面單元Plane42時(shí)可以將教學(xué)樓的墻壁作為啟發(fā)對(duì)象，這種形象化的啟發(fā)式教學(xué)不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且還能對(duì)所學(xué)知識(shí)加深印象和記憶。

③引入教育版CAE軟件，加強(qiáng)教師專業(yè)技能培訓(xùn)，提高教師的指導(dǎo)水平。工欲善其事，必先利其器。目前很多CAE軟件都有針對(duì)教學(xué)使用的教育版，費(fèi)用也不貴，但是很多高校好像對(duì)其都不置可否，所以如何將正版CAE教學(xué)軟件引入課堂，樹(shù)立正確的版權(quán)意識(shí)，保證CAE上機(jī)實(shí)踐教學(xué)取得良好的效果，也是目前CAE教學(xué)過(guò)程中需要思考和解決的重要問(wèn)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(huì)發(fā)布一個(gè)新的版本，每次版本更新都會(huì)對(duì)軟件結(jié)構(gòu)有所調(diào)整同時(shí)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(kāi)始SolidWorks的仿真分析模塊更名為Simulation[2]。所以筆者認(rèn)為，作為教師必須樹(shù)立終生學(xué)習(xí)的意識(shí)，及時(shí)更新相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，努力提高自身的業(yè)務(wù)水平。在引入正版的教育軟件之后，一定要對(duì)授課教師進(jìn)行系統(tǒng)地培訓(xùn)，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(guān)的技能證書，只有教師的水平提高了，才能更好地指導(dǎo)學(xué)生。

④開(kāi)設(shè)CAE課程設(shè)計(jì)，通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)例鞏固所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，進(jìn)一步提升學(xué)生對(duì)軟件的學(xué)習(xí)興趣和應(yīng)用能力。 軟件的學(xué)習(xí)是CAE課程教學(xué)中的重點(diǎn)，如何讓學(xué)生熟練地掌握相關(guān)應(yīng)用軟件，將上機(jī)過(guò)程中所學(xué)到的技能應(yīng)用于實(shí)踐，是CAE教學(xué)的重中之重。筆者在教學(xué)過(guò)程中嘗試增設(shè)課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，課程設(shè)計(jì)題目可以從不同角度來(lái)出，比如實(shí)體造型、有限元分析、機(jī)構(gòu)學(xué)仿真、參數(shù)化設(shè)計(jì)等，通過(guò)課程設(shè)計(jì)可以引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，同時(shí)也可以鞏固和提高學(xué)生對(duì)于軟件的掌握能力。筆者在指導(dǎo)課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生都對(duì)課程設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)之后，許多學(xué)生都反映良好，感覺(jué)自己的理論知識(shí)和軟件操作水平有了明顯提高。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前，CAE已成為工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域必不可少的分析手段，國(guó)內(nèi)外很多企業(yè)在產(chǎn)品投產(chǎn)前都要有CAE報(bào)告。加強(qiáng)CAE課程教學(xué)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(xué)改革過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)之一。經(jīng)過(guò)近年來(lái)對(duì)于CAE教學(xué)改革的思考與探索，筆者對(duì)于本文所述的教學(xué)改革方法進(jìn)行了嘗試，實(shí)踐證明效果良好，在一定程度上提高了CAE課程的教學(xué)質(zhì)量，同時(shí)也為今后進(jìn)一步的CAE課程教學(xué)改革與創(chuàng)新提供了參考和思路。

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作者簡(jiǎn)介：

王磊（1984-），男，學(xué)士學(xué)歷，商洛職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系專職教師，主要研究方向：CAD/CAE/CAM、機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與仿真。