將工程實踐轉化為教學案例提升《產品建模與仿真》課程教學效果

高宏

摘要：文章首先對產品建模與仿真課程的內涵及開設現狀做了簡要說明，接著根據近年的授課經驗對該課程教學方式方法的改革做了一些思考和歸納，最后引用具體例子詳述將工程實踐轉化為教學案例對提升該課程教學效果的積極作用。這一方式可以很好地借鑒到工科專業多門課程的教學過程當中。

關鍵詞：工程實踐;產品建模與仿真;案例教學;教學改革

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）18-0138-02

產品建模與仿真課程是為機械設計制造及自動化專業開設的一門專業課，該課程是在前期公共基礎課和專業基礎課學習的基礎上，講述產品設計建模的基本理論和方法、產品模型數據交換的方法以及產品建模與仿真分析平臺的應用等內容。通過本課程的學習學生能夠掌握產品零件及整機設計建模的基本理論和方法，能夠利用典型的產品建模與仿真平臺或數字化設計系統來建立完整的產品虛擬模型，能夠利用虛擬模型代替實物模型進行仿真分析，從而提高產品設計的效率，降低產品開發的成本。課程的開設可以為學生后續畢業設計以及將來的工作開展打下良好基礎，使學生能夠更好地適應現代社會發展對新型產品技術開發人員的需求。

一、目前課程授課現狀

課程的授課目標要求學生一方面掌握產品設計建模的理論和方法，另一方面要求學生以典型的數字化設計系統為工具將相關理論及方法運用到具體實踐中用于產品開發。為符合應用型人才培養的總體目標，目前課程的教學較多地在數字化設計系統的技術運用層面對學生進行強化，如美國PTC公司開發的Cero軟件的具體操作和使用。在講授這類課程時多是遵循單項的、以知識積累為中心的傳統教學模式，單純地教給學生具體命令的操作技能。另外由于學時的限制，教學過程中偏重于軟件的操作和講解，而對學生的工程實踐能力培養還沒有做好。在現行的教材中也存在著許多問題，內容的編排以軟件說明為主線，系統的解決工程問題思想較弱;以命令操作為核心，與實際工程問題的聯系不夠密切;學生普遍表現還是為了建模而建模，不會靈活運用所學內容，在面臨具體工程問題的分析和求解時，仍然不知所措。

二、課程教學方式方法改革的一些思考

1.案例教學法在本課程教學過程中的積極作用。案例教學法是一種理論聯系實際、啟發式的教學相長的教學過程[1]。它要求在教學過程中以案例為基本教材，在教師的組織運用和指導下，啟發學生獨立思考，從案例的出處、案例在專業領域中發揮的作用、案例的專業結構組成以及案例覆蓋課程知識點的綜合情況等多個方面對其進行分析和研究，提出學生自己的看法，并做出評價和決策，目的是提高學生對同類問題的解決和處理能力。案例教學法是一種激發學生學習興趣，啟發學生研究實際問題，注重學生能力培養的現代教學方法，它有著傳統教學方法所不具備的特殊功能[2-4]。對本課程來說引入案例教學，促進學生認識課程內容對解決工程實際問題的作用和意義，激發學生主動深入研究課程內容，培養其靈活運用現代設計方法解決具體機械設計問題的能力等多方面都有著非常積極的作用。

2.什么樣的案例才能夠充分發揮作用服務于本課程。對本課程的教學來說，案例的出處、性質以及教學過程中案例的合理應用都是需要進行歸納和研究的內容。目前大學老師基本都在搞好本科教學的同時開展著具體科研工作，而機械工程的大部分科研課題都有著非常好的工程背景，如果將老師科研與工程實踐過程中的具體問題，提煉為教學案例引入本課程，并將案例分解為工程問題及需求、工程中的通常解決辦法、課堂內容知識點與工程問題的聯系、學生上課后應掌握的程度和目標、相似問題的進一步歸納和舉例，五個部分依次有層次有目的性地將學習與實踐聯系起來，可以使學生更加明確學習目的，建立學習興趣，知道學為所用并能夠學以致用。

3.改革教學手段以多種形式組織精選案例實施。在教學手段方面，在課堂教學引用案例的同時，同步建立網絡化互動教學平臺，作為課后知識加強和討論應用的主要途徑，教師完善課程資源，將精選案例經過加工組織后通過微課、MOOC的形式保存在云端實現網絡化共享，以使學生可以隨時隨地下載并進行學習。在實施的過程中更多注重案例的工程性內涵，課堂具體知識點與工程問題的點面有機結合，以及靈活的教學方法和教學手段應用。系統性地開展課內教學與課外實踐，解決目前課堂內容過于具體、學生被動接受、不能靈活運用所學知識的現狀。如此在消化案例服務課程的內涵以及案例本身包括的具體內容同時，進一步在課外進行延伸實踐。學生可以基于收獲的知識在更大范圍參與開放實驗、大學生科技計劃以及各類學科競賽等課外科技活動，并從項目全局出發，以解決工程問題為目的進行工程技能訓練。

三、以管道檢測機器人為例說明具體實施過程

作為服務課程的教學案例必須非常豐富，而且一定要精選案例使其具備工程性強、覆蓋面大的特點。限于篇幅，下文以管道檢測機器人為例對其服務課程的作用及實施過程做一簡要說明。

1.案例的來源。作者所在學院有一個研究方向為智能機器人技術，其中有一個典型機電產品管道檢測機器人。作者在項目研發過程中做了部分工作，在完成整機方案設計、結構設計以及制造裝配等環節中都運用到課程相關理論及具體內容，后將相關體會整理后作為教學案例引入到課堂教學取得較好的效果。

2.案例的具體組成內容。案例的具體組成包括機械產品的方案設計及描述、零件結構設計與三維建模、機械運動與結構強度等仿真分析、整機虛擬建模與裝配、零件制造工藝分析、零件圖與裝配圖紙繪制、技術文檔的整理匯編等。所述內容全部以研制的管道檢測機器人為載體，反映到三維數字化設計系統當中。

3.案例在課程開展過程中的隨堂實施。講緒論課的時候，就將案例引入，從案例的來源、包括的具體內容、解決的具體問題出發，向學生解釋說明常見的工程問題及需求、通常的解決辦法等。使學生對課程的目的和意義有一個全面的了解，樹立學習自信并增強學習興趣。在后續授課環節中，進一步以案例所包括的具體內容作為例子引出具體知識點。增強課堂內容與工程問題的實際聯系、讓學生認識上課應掌握的程度和達到的目標。比如機械零件的建模會用到哪些操作命令，如何組織各命令的順序才能使模型更加簡潔、結構更便于加工制造、更方便輸出工程圖以及數控加工程序等。從工程實際中提出問題，并通過課堂授課將其解決突破，讓學生真實感覺到點滴知識的實際用途，待課程結束時，整個案例也基本完成，學生同樣完成了一臺完整的產品數字樣機，體會到學習本課程的成就感。

4.案例在課外使用時的資源共享。課程所學內容在后續專業課程的學習和實踐中還會被經常用到，為了更好服務學生將來從事具體的學習和工作實踐，必須建立從始至終的學習方案、學習指導，并在后續課程設計、畢業設計、大學生科技計劃、課外科技活動和科技競賽等實踐環節中逐步實施。當然這僅靠一個案例是不夠的，需要不斷精選轉化教師科研工作過程中的成果，建立優良、完善的典型案例資源庫供學生課后學習提高。基于互聯網的發展和普及，電腦、手機等接收終端可以非常方便地獲取網絡上共享的數字資源。在正常課堂教學引用案例的同時，同步建立網絡化互動教學平臺，可以作為課后知識加強的主要途徑。教師不斷完善課程資源、將精選案例通過微課、MOOC的形式保存在云端實現網絡化共享，使學生可以隨時隨地下載并進行學習。目前已有部分案例資源經過整理后，以文本文檔、PPT、教學視頻、互動APP等形式分別存儲到校園網、百度云端、360云端等網絡平臺上，學生可以非常方便快捷地進行訪問和下載。

5.課程開出效果及評價。通過將典型案例貫穿整個課程學習的始終，并延伸到后續學期的學習實踐當中，學生反饋非常好，具體表現在以下幾個方面。（1）學生學完本課程后基本掌握了計算機輔助設計這一現代設計方法。在每學期結束后的教學質量評價中學生給課程及任課教師的評價連續幾年都是優秀;（2）在后續專業實踐環節特別是課程設計、畢業設計當中，本課程所掌握內容發揮了非常積極的作用，學生在很多地方用到課程所講內容及方法，使得后續學習的目的性更強;（3）運用課程所學知識在后續學期的課外實踐中取得更加優秀的成績，每年都有比較多的同學積極參加“機械創新設計大賽”、“三維數字化創新設計大賽”等科技競賽獲得北京市級、國家級獎勵，通過案例的運用、項目的訓練使學生得到非常好的鍛煉。

四、結論

通過將教師科研工作過程中完成的具體機械結構等工程實踐轉化為教學案例，可以讓學生更加直觀地認識課堂講授知識點與工程實際問題的聯系。加上學生在后續課程設計、畢業設計、大學生科技計劃項目、課外科技競賽等項目的執行過程中不斷深入體會和應用，從項目訓練入手，從工程角度對問題進行思考，經過實踐并完成項目后，參與學生都獲得較大程度的提高，基本具備了解決實際工程問題的能力。總之，將工程實踐轉化為教學案例對提升產品建模與仿真課程的教學效果發揮了非常積極的作用，能夠使學生掌握一定的技術以更好地適應現代社會發展對新型產品技術開發人員的需求。

參考文獻：

[1]徐敬堯.案例教學法的探索與實踐[J].中國電力教育，2009，（5）：98-99.

[2]劉萍，李永寧.案例教學法在“計算機文化基礎”課程教學中的引入與實踐探微[J].計算機教育，2007，（2）：36-38.

[3]黃昊旻.三維計算機輔助設計——Solidworks課程中案例教學法的應用[J].貴陽學院學報：自然科學版，2011，（1）：74-76.

[4]張潤蓮，張向利，葉進.案例教學法及其運用[J].桂林電子工業學院學報，2004，（4）：102-105.