新工科背景下工程應用軟件教學改革與探索

摘" 要 工程教育改革對專業課程教學提出新要求，工程應用軟件是機械類專業一門重要的專業基礎課程。以新工科背景下OBE理念為導向，針對教學中存在的問題，圍繞工程教育專業認證中提出的培養本專業學生使用現代工具技術能力和創新意識等要求，通過明確課程定位、系統優化課程內容、將微課教學內容與學科競賽有機結合、建立科學的教學評價體系等措施，促進課程教學質量提升。

關鍵詞 新工科；工程應用軟件；微課

中圖分類號：G642.0" " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）23-0098-03

0" 引言

新工科建設是我國面向未來，布局工程科技人才培養的一次主動的、大規模的教學改革[1]。在當下的工程教育中，高校對學生培養更加注重創意創新創業“三創”教育，強化實踐教學，讓學生在解決實際問題中提升創新能力。工程不是單一學科知識的運用，而是復雜而綜合的實踐過程，因而工程教育更需強化創新能力的培養。

工程應用軟件課程是機械類專業的一門重要的專業基礎課程，著重培養學生基于典型3D工程軟件（如Creo軟件）的建模能力和應用現代工具進行輔助設計與分析的能力，使學生具備應用專業軟件工具進行預測與模擬復雜機械工程問題的能力。該課程具有工程實踐性強、重點難點多、軟件更新快等特點。此外，工程教育專業認證中的十二條畢業要求第5項明確提出“使用現代工具”[2-3]。傳統的重理論輕實踐的教學模式難以滿足新工科要求，針對該課程進行教改工作，具有重要意義。

1" 課程教學現狀

工程應用軟件課程面向大學二年級學生，共32學時，2學分，課堂理論和上機實踐操作教學分別為18學時和14學時。通過理論和實踐教學，要求學生掌握計算機輔助設計常用工程軟件（如Creo軟件等）必備的二維草繪、三維建模、工程圖設計、零部件裝配、運動與動力學仿真、模具設計等內容；能夠對機械工程領域的復雜工程問題進行分析、計算、設計與仿真模擬，并能夠理解仿真模擬的局限性。課程目標主要包括：掌握設計所必需的三維建模、工程圖設計等應用工具；掌握典型結構主要功能部件等的建模、裝配及仿真分析，并能夠理解仿真模擬的局限性。課程目標支撐畢業要求第5項。目前教學主要存在以下問題。

1.1" 課時少、內容多，輕實踐、重理論

該課程具有內容多、課時少、實踐性強的特點，建模命令多且較為煩瑣，內容碎片化，學生在有限的上機實踐操作和課堂學習時間內難以掌握所有知識點。在課堂教學方面，教師依據教學大綱，詳細闡述軟件基本模塊和命令；在實踐教學中，學生根據教師布置的作業或講解視頻進行上機練習。操作工具欄和命令繁多，題目枯燥，難以調動學生的興趣，致使學不好、練不好[4]。而且隨著通識教育學時的增加，專業課學時還會不斷壓縮。如何進行課程設計和豐富教學過程，在有限時間內增強課程教學效果，提升學生創新設計能力，提升對復雜機械工程問題進行分析、計算與設計的能力，是新工科背景下亟待解決的教學問題。

1.2" 教學方式單調，考核方式單一

理論教學多以播放幻燈片為主，介紹基本概念、原理和方法等；實踐教學以單個工具欄命令如何應用進行演示，教學手段單一枯燥，且演示內容繁多無序。考核方式為在機房閉卷考試，含部分實踐操作題，平時和卷面成績分別占30%和70%。由于課程具有實踐性強的特點，僅靠試卷成績來評定學生的學習是否達標不夠全面，存在一定的局限性。

1.3" 在創新設計實踐過程中，學生工程建模軟件的實際應用能力還較差

課外創新設計活動是大學專業基礎課程理論知識全方位的實踐應用。大學生不僅要充分運用機械原理與機械設計課程的基本理論和基本方法，還要應用工程軟件進行二維繪圖和三維建模，以及裝配和運動仿真、動力學特性分析等。目前，國家持續開展和大力支持的機械創新設計、挑戰杯、三維數字化創新設計等競賽活動，為學生理論聯系實際，實現創新設計提供了許多平臺[5-6]。然而，學生目前對工程建模軟件的實際應用能力還較差。

2" 課程教學改革實踐

2.1" 明確課程定位，理清課程前后銜接關系

課程旨在培養學生應用現代工具進行輔助設計和分析的能力，具備應用專業軟件工具進行預測與模擬復雜機械工程問題的能力。學生需先修機械工程制圖、機械設計等專業基礎課程，掌握機械相關的基礎知識，掌握繪制工程圖樣的基本方法與技能，深刻理解手工繪圖和計算機輔助繪圖的差異、理解二維和三維的不同[6]；繼而在機械優化設計、機械系統設計等專業課學習中，能夠對復雜機械工程問題進行三維建模、裝配仿真、運動學和動力學仿真分析等。課程關系如圖1所示。

2.2" 系統優化課程內容，遵循學生能力遞增規律培養

將課程內容設計為三個主要模塊，即簡單至復雜的零件造型、裝配與工程圖設計、機械運動與動力學特性仿真分析等，課程模塊設計如表1所示。由分組團隊完成整機設計的綜合項目訓練任務，如齒輪泵設計建模與裝配、通風機設計與裝配、發動機裝配與仿真等。以發動機裝配與仿真為例，構建從S195單缸內燃機到四缸、八缸發動機典型零件如齒輪、凸輪軸、連桿、曲軸、活塞、飛輪等參數建模，以及多體運動學仿真分析和動力學分析項目，深入掌握CAD技術在實際工程設計中的應用，并能夠理解其局限性。設計與制作主題突出、內容具體的工程應用軟件課程微課視頻，解決該課程學習內容多、碎片化，建模過程煩瑣且難度較大的難題，利用現代先進信息技術提升課程教學質量[6-7]。

2.3" 將微課教學內容與學科競賽有機結合，培養學生創新能力

建立微課資源，滿足學生個性化、移動化學習需求，錄制典型機械零件3D建模視頻、復雜機械系統虛擬裝配和運動學仿真視頻，錄制學科競賽融入教學內容的PPT講解視頻。理清課程體系與課外科技活動之間的邏輯關系，引導學生參與課外科技競賽。將微課資源上傳到在線課程學習平臺，實現學習資源共享。其他非機械專業學生可以有針對性地選擇自己需要學習或提高的微課，在微課的指導下進行軟件操作學習。精心設計教學內容，將教學內容與學科競賽有機結合，加強學生的創新意識，提高其創新能力[8]。

2.4" 建立科學的教學評價體系

基于新工科注重能力培養的要求，采用考試和解決工程問題的能力考核相結合的評價方法，摒棄單一的閉卷考試考核方式。通過上機考試、項目作業考核、參與科創競賽情況、平時表現等來評估預期學習產出。制定工程能力考核細則，根據學生解決實際工程問題中各環節表現，進行綜合評價。

3" 結束語

通過工程應用軟件課程教學設計與實踐，能夠幫助學生掌握計算機輔助設計、制造與分析工具，能夠對復雜機械工程問題進行描述、建模、模擬及仿真分析。對該課程教學內容進行整體設計與優化，將前沿科技成果融入課堂教學，利用信息技術提升課程質量，開展新工科下面向科技創新競賽的工程應用軟件課程微課設計與實踐。這些措施對提高大學生的綜合素質和創新創業能力具有重要意義，同時對工程教育專業認證提出的培養本專業學生的技術和非技術能力要求具有重要的推動作用。學生要積極利用科創競賽平臺和實際工程項目鍛煉、發展創新能力與實踐能力。目前，國家持續開展和大力支持的機械創新設計、挑戰杯、三維數字化創新設計、iCAN國際創新創業大賽等競賽活動，為學生理論聯系實際，實現創新設計提供了許多平臺，這些舉措極大地提升了學生的興趣和能力。

參考文獻

[1]黃云清.基于新工科理念推進大學數學教學改革[J].中國大學教學，2020（z1）：28-31.

[2]張紹杰，劉春生，劉建業，等.基于成果導向的兩化融合及航空航天特色自動化專業“卓越工程師”培養模式研究與實踐初探[J].工業和信息化教育，2016（4）：40-45.

[3]戚曉利，汪永明，王孝義，等.基于工程教育認證體系的機械設計制造及其自動化專業人才培養方案研究[J].安徽工業大學學報（社會科學版），2018，35（3）：84-86.

[4]劉文君.應用型本科院校卓越工程師培養計劃的Pro/E課程教學方法探索和實踐[J].科技視界，2017（17）：83-86.

[5]支超，謝光銀，余靈婕.基于工程教育專業認證持續改進理念的課程改革實踐：以西安工程大學高技術紡織復合材料方向為例[J].紡織科技進展，2018（11）：62-64.

[6]彭廣威.以數字化創新設計能力培養為目標的《Pro/E機械建模》課程改革與實踐[J].模具制造，2014（11）：94-96.

[7]王良，曾斌，車曉毅.基于學科競賽的大學生實踐創新能力提升的探究與實踐[J].大學教育，2020（10）：192-195.

[8]張鳳敏.基于微課背景的機械制圖課程改革與實踐[J].現代商貿工業，2017（1）：155-156.

*項目來源：河南理工大學2018年新工科建設研究與實踐項目“新工科背景下面向科技創新競賽的工程應用軟件課程微課教學設計與實踐”（編號：2018-36）。

作者：張小明，河南理工大學機械與動力工程學院，副教授，研究方向為CAD/CAE技術；王現輝，河南理工大學機械與動力工程學院，講師，研究方向為機械優化設計；周紅梅，河南理工大學機械與動力工程學院，講師，研究方向為CAD/CAE技術（454003）。