力學(xué)課程群案例式教學(xué)應(yīng)用研究——以車(chē)輛工程專業(yè)為例

覃 玄，郝 琪，章 菊

力學(xué)課程群案例式教學(xué)應(yīng)用研究——以車(chē)輛工程專業(yè)為例

覃 玄，郝 琪，章 菊

（湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

面向車(chē)輛工程專業(yè)開(kāi)設(shè)的力學(xué)類(lèi)課程包含理論力學(xué)、材料力學(xué)、有限元法基礎(chǔ)與應(yīng)用、計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件應(yīng)用基礎(chǔ)、振動(dòng)理論，各門(mén)課程研究?jī)?nèi)容層層遞進(jìn)，逐漸深入。文章介紹了突出汽車(chē)特色的、貫通整個(gè)力學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)過(guò)程的案例庫(kù)的建設(shè)過(guò)程和實(shí)施方案。結(jié)果表明，多元化的教學(xué)模式結(jié)合案例式教學(xué)，可以提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，將學(xué)生置身于車(chē)輛設(shè)計(jì)制造的實(shí)際問(wèn)題分析計(jì)算中，幫助學(xué)生了解車(chē)輛工程專業(yè)內(nèi)涵，培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)，提升創(chuàng)新能力。

力學(xué)課程；案例式教學(xué)；車(chē)輛工程

案例教學(xué)最早由哈佛法學(xué)院于1870年率先使用，接著哈佛醫(yī)學(xué)院也開(kāi)始引進(jìn)案例教學(xué)，經(jīng)過(guò)推廣，案例教學(xué)法現(xiàn)已在全世界范圍產(chǎn)生了廣泛而深遠(yuǎn)的影響。20 世紀(jì)80年代，案例教學(xué)被引入我國(guó)[1]。多年以來(lái)，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)案例教學(xué)進(jìn)行了大量的研究，并把研究結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際的教學(xué)中，取得了非常好的教學(xué)效果。但案例教學(xué)多局限于商學(xué)、法學(xué)以及醫(yī)學(xué)等少數(shù)幾個(gè)領(lǐng)域。21世紀(jì)以來(lái)，隨著科技發(fā)展，產(chǎn)教融合逐漸緊密，越來(lái)越多的理工科課程開(kāi)始嘗試把恰當(dāng)?shù)墓こ虒?shí)際案例引入到教學(xué)中，并圍繞著它展開(kāi)教學(xué)，力學(xué)相關(guān)課程高校教師也做了相應(yīng)的工作。其中，清華大學(xué)的高云峰教授從最簡(jiǎn)單的力學(xué)現(xiàn)象類(lèi)比與聯(lián)想、直覺(jué)與猜測(cè)，讓學(xué)生了解分析問(wèn)題的方法，并從這些現(xiàn)象或案例中受到啟發(fā)，獲得超越知識(shí)的思維方法和能力[2]；西北工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)課題組結(jié)合理論力學(xué)各部分內(nèi)容，設(shè)計(jì)理論聯(lián)系實(shí)際的融合多學(xué)科案例庫(kù)，提升學(xué)生中階力學(xué)思維[3]；中國(guó)石油大學(xué)材料力學(xué)在課堂上結(jié)合工程案例講解，并鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立思考、自主建立力學(xué)模型，進(jìn)一步通過(guò)分組合作完成案例的分析，并提出解決方案的案例教學(xué)[4]；東北農(nóng)業(yè)大學(xué)以有限元工程結(jié)構(gòu)分析課程為研究對(duì)象進(jìn)行案例教學(xué)實(shí)踐，提出以鍛煉專業(yè)學(xué)位研究生的高級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)和分析能力、運(yùn)用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力的課程教學(xué)目標(biāo)[5]。實(shí)踐證明，案例教學(xué)可有效增強(qiáng)和提高學(xué)生自學(xué)能力。

本校車(chē)輛工程專業(yè)開(kāi)設(shè)的力學(xué)課程包括理論力學(xué)、材料力學(xué)、有限元法基礎(chǔ)與應(yīng)用、計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）軟件應(yīng)用基礎(chǔ)、振動(dòng)理論，依次開(kāi)設(shè)于大二上下兩學(xué)期和大三上下兩學(xué)期，各門(mén)課程研究?jī)?nèi)容層層遞進(jìn)，逐漸深入，包含了汽車(chē)相關(guān)零部件設(shè)計(jì)過(guò)程需要用到的靜力分析、運(yùn)動(dòng)分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、振動(dòng)特性。隨著工程教育專業(yè)認(rèn)證在全國(guó)范圍內(nèi)開(kāi)展，本校力學(xué)課程面向的車(chē)輛工程通過(guò)了工程教育專業(yè)認(rèn)證，力學(xué)案例式教學(xué)以工程為先導(dǎo)，以問(wèn)題為基礎(chǔ)，以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)的教育原則，與成果導(dǎo)向教育（Outcome-Based Edu- cation, OBE）教學(xué)改革理念高度一致，規(guī)范案例教學(xué)形式，建設(shè)以車(chē)輛零部件相關(guān)工程案例為主的可共享力學(xué)案例庫(kù)，線下課堂、翻轉(zhuǎn)課堂、課外課堂開(kāi)展“三堂融合”多元化教學(xué)模式，可以最大限度提升學(xué)生學(xué)習(xí)效果，助力學(xué)生了解本專業(yè)內(nèi)涵，培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)，提升創(chuàng)新能力。

力學(xué)課題組通過(guò)案例本身所富含的豐富設(shè)計(jì)元素，將相同工程設(shè)計(jì)案例的不同層次服務(wù)于多門(mén)課程，提高了案例式教學(xué)的效率，有利于提高學(xué)生問(wèn)題的多層次、全面性思維模式的培養(yǎng)，同時(shí)也有利于教師對(duì)問(wèn)題的深入挖掘。

1 案例建設(shè)方案

1.1 案例庫(kù)的建設(shè)

案例教學(xué)最重要的是案例庫(kù)的建設(shè)，素材的搜集結(jié)合教師科研項(xiàng)目、學(xué)生主動(dòng)參與兩方面開(kāi)展。

1）基于實(shí)際問(wèn)題的汽車(chē)特色案例素材。力學(xué)課題組老師近年來(lái)通過(guò)與企業(yè)合作開(kāi)展項(xiàng)目研究和對(duì)企業(yè)人員進(jìn)行CAE分析軟件的培訓(xùn)，與部分企業(yè)建立了緊密聯(lián)系，通過(guò)實(shí)地工廠走訪，搜集大量的現(xiàn)場(chǎng)圖片和案例。同時(shí)，通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)和指導(dǎo)研究生，與畢業(yè)校友也保持了聯(lián)系，定期對(duì)從事相關(guān)行業(yè)的畢業(yè)校友進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，獲取相關(guān)工程問(wèn)題及解決方案。案例搜集過(guò)程中結(jié)合課程的高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度要求，重點(diǎn)關(guān)注現(xiàn)代工程問(wèn)題中的多學(xué)科融合問(wèn)題，體現(xiàn)學(xué)科的交叉性和前沿性，培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，樹(shù)立大國(guó)工匠精神。

2）基于日常生活的案例庫(kù)素材。校園里存在著大量的力學(xué)素材，行駛中的汽車(chē)，運(yùn)動(dòng)中的足球，新建的建筑物，處處都隱含著豐富的力學(xué)知識(shí)，通過(guò)“隨手拍發(fā)現(xiàn)力學(xué)問(wèn)題”的活動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)現(xiàn)身邊的力學(xué)知識(shí)，教師結(jié)合教學(xué)目標(biāo)和任務(wù)對(duì)案例進(jìn)行整理歸納，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)利用所學(xué)知識(shí)解釋某些現(xiàn)象，體現(xiàn)力學(xué)的基礎(chǔ)性，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題以及科學(xué)思維的能力。

力學(xué)課題組根據(jù)素材類(lèi)型特點(diǎn)，將案例庫(kù)設(shè)定為綜合案例庫(kù)和基礎(chǔ)案例庫(kù)。綜合案例庫(kù)主要應(yīng)用于后續(xù)的有限元應(yīng)用基礎(chǔ)和CAE軟件應(yīng)用基礎(chǔ)等課程，在學(xué)生具備一定的力學(xué)分析能力之后，幫助其建立力學(xué)思維體系，為汽車(chē)相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)全過(guò)程的系統(tǒng)化案例，從問(wèn)題的提出到分析，以及最終問(wèn)題的解決均要符合工程要求，深挖其設(shè)計(jì)－分析－應(yīng)用中的力學(xué)元素。實(shí)施方式采用“以學(xué)生為中心”的小組協(xié)作教學(xué)模式，完成過(guò)程中需要學(xué)生根據(jù)課程特點(diǎn)使用MATLAB、ANSYS等計(jì)算分析軟件。基礎(chǔ)案例庫(kù)應(yīng)用范圍主要是理論力學(xué)和材料力學(xué)兩門(mén)力學(xué)基礎(chǔ)課程，包含了受力分析、運(yùn)動(dòng)分析、構(gòu)件的基本變形形式分析，以及研究對(duì)象的強(qiáng)度和剛度分析，通常以知識(shí)點(diǎn)的傳授為設(shè)計(jì)目標(biāo)，以例題的形式開(kāi)展，在學(xué)習(xí)完某個(gè)章節(jié)的特定知識(shí)點(diǎn)之后進(jìn)行分析，是對(duì)理論教學(xué)內(nèi)容的補(bǔ)充和解釋，為后續(xù)綜合案例庫(kù)的開(kāi)展打基礎(chǔ)，其素材形式和類(lèi)型不局限于工程問(wèn)題，可以是任何學(xué)生感興趣的力學(xué)問(wèn)題，也可以是綜合案例庫(kù)的某一個(gè)環(huán)節(jié)。部分案例庫(kù)內(nèi)容如表1所示，力學(xué)類(lèi)課程群案例庫(kù)的基本構(gòu)架如圖1所示。

表1 部分案例庫(kù)內(nèi)容

注：NVH全稱Noise, Vibration, Harshness，即噪音、振動(dòng)和聲振粗糙度。

1.2 案例設(shè)計(jì)思路

力學(xué)類(lèi)課程群的多門(mén)課程案例根據(jù)知識(shí)點(diǎn)構(gòu)成的不同各有側(cè)重，在設(shè)計(jì)案例的過(guò)程中力學(xué)教研室不同課程的授課教師通過(guò)開(kāi)會(huì)、研討等方式，整理案例中包含的所有力學(xué)知識(shí)點(diǎn)，與課程知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)應(yīng)。以某重型載貨汽車(chē)車(chē)架設(shè)計(jì)分析為例，該案例涉及到理論力學(xué)課程中的模型的建立和簡(jiǎn)化、振動(dòng)分析材料力學(xué)課程中的強(qiáng)度和位移分析，有限元基礎(chǔ)與應(yīng)用、CAE軟件應(yīng)用基礎(chǔ)課程中的利用有限元法進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能分析，模態(tài)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終完成全過(guò)程分析研究。具體分析流程如圖2所示。在理論力學(xué)課程第二章受力物體的受力分析中，以車(chē)架為分析對(duì)象，結(jié)合所學(xué)知識(shí)，分析其約束特點(diǎn)、載荷形式，初步建立車(chē)架的力學(xué)模型，在材料力學(xué)第四、五、六章彎曲內(nèi)力、應(yīng)力、變形中均以理論力學(xué)建立的車(chē)架力學(xué)模型為分析對(duì)象，分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的分析，完成選型和選材，在有限元分析課程中則以前面所學(xué)基礎(chǔ)完成車(chē)架的計(jì)算模型建立和結(jié)果計(jì)算分析，包括強(qiáng)度、剛度等分析，并結(jié)合理論知識(shí)提出優(yōu)化方案。

圖2 重型載貨汽車(chē)車(chē)架設(shè)計(jì)分析

2 案例式教學(xué)實(shí)施方案

案例教學(xué)的最終目的是實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果最大化，提升學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，案例教學(xué)不可以獨(dú)立于知識(shí)點(diǎn)之外，在課堂教學(xué)實(shí)施的過(guò)程中需要綜合考慮理論知識(shí)的輸出和實(shí)際問(wèn)題的分析，綜合以上因素，各門(mén)課程均結(jié)合線下課堂、翻轉(zhuǎn)課堂、課外課堂進(jìn)行“三堂融合”開(kāi)展案例驅(qū)動(dòng)互動(dòng)式教學(xué)過(guò)程。線下課堂教師的主要任務(wù)是幫助學(xué)生梳理知識(shí)點(diǎn)，案例以基礎(chǔ)案例為主，老師提出現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，由學(xué)生進(jìn)行問(wèn)題的陳述，培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的規(guī)范性、思考的邏輯性，最后共同解決問(wèn)題，案例實(shí)施周期一般為1至2個(gè)學(xué)時(shí)；翻轉(zhuǎn)課堂老師和學(xué)生角色互換，由學(xué)生主導(dǎo)課程進(jìn)行，案例教學(xué)實(shí)施過(guò)程如圖3所示，具體實(shí)施步驟包括：1）給學(xué)生分組，學(xué)生在課前以小組為單位學(xué)習(xí)慕課，根據(jù)班級(jí)學(xué)生總?cè)藬?shù)分配，按照5至7人配置小組成員；2）基于學(xué)習(xí)通發(fā)布案例材料，學(xué)生以案例里的問(wèn)題出發(fā)點(diǎn)查閱文獻(xiàn)，包括當(dāng)前的主流方案，存在的問(wèn)題等，必要時(shí)進(jìn)行建模、仿真和驗(yàn)證，或進(jìn)行PPT展示，其余學(xué)生和老師一起提問(wèn)或質(zhì)疑；3）課堂上老師拋出設(shè)計(jì)好的問(wèn)題，讓學(xué)生組討論，每組選一位或兩位代表對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行講解；4）教師總結(jié)案例相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，案例實(shí)施周期為1到2周。課外課堂主要是傳統(tǒng)課堂和翻轉(zhuǎn)課堂的補(bǔ)充，學(xué)生在任何時(shí)候有任何問(wèn)題，通過(guò)線上實(shí)時(shí)討論發(fā)布，教師和學(xué)生共同參與討論，邀請(qǐng)工廠技術(shù)人員參與，從實(shí)際工程的角度進(jìn)行講座。

圖3 案例教學(xué)實(shí)施過(guò)程

3 教學(xué)成效

課題組綜合考慮車(chē)輛工程專業(yè)特色，構(gòu)建了一站式的力學(xué)案例庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了力學(xué)課程體系的貫通化，結(jié)合以學(xué)生為中心的教學(xué)實(shí)施方案和教學(xué)評(píng)價(jià)模式，取得了一定的教學(xué)成效，具體表現(xiàn)在：1）提高了學(xué)生的研究熱情，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。通過(guò)貫穿式的案例教學(xué)，幫助學(xué)生了解了力學(xué)課程的內(nèi)涵，改變力學(xué)課程在學(xué)生心目中內(nèi)容抽象、全是公式的刻板印象。2）培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)的思維方法、提高了分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。案例式教學(xué)提前將學(xué)生置身于實(shí)際工程問(wèn)題中，學(xué)生從材料力學(xué)課程的初步分析，到有限元課程的仿真計(jì)算，對(duì)于工程問(wèn)題的分析逐漸深入。同時(shí)，對(duì)于學(xué)生完成高質(zhì)量的畢業(yè)論文具有一定的幫助。3）幫助教師克服因?qū)W時(shí)減少給教學(xué)帶來(lái)的不利影響。力學(xué)課程課時(shí)近年來(lái)逐步減少，采用以工程實(shí)際案例為核心進(jìn)行教學(xué)時(shí)，因?yàn)閷W(xué)生在上課之前，已經(jīng)對(duì)案例做了充分的調(diào)查研究。因此，教師可以根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)學(xué)生掌握較好的內(nèi)容，點(diǎn)到為止。對(duì)于學(xué)生掌握不好的內(nèi)容，教師可以集中精力組織學(xué)生進(jìn)行分析、討論、研究，大大節(jié)省了上課時(shí)間。4）實(shí)現(xiàn)課程思政有機(jī)融合。課題組教師充分挖掘案例中思政元素，形成以典型工程、科學(xué)研究為主的課程思政教學(xué)資源，將專業(yè)內(nèi)容與課程思政有機(jī)結(jié)合，通過(guò)工程案例的講解可以自然的延伸到科學(xué)技術(shù)發(fā)展歷程、工業(yè)生產(chǎn)重大事故、國(guó)家科學(xué)發(fā)展總體仿真路線等方面進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的愛(ài)國(guó)主義情懷，樹(shù)立正確的價(jià)值觀，培養(yǎng)工匠精神。

4 結(jié)語(yǔ)

案例庫(kù)的建設(shè)和案例式教學(xué)實(shí)現(xiàn)了力學(xué)課程的串聯(lián)，案例分析結(jié)合了工程中新材料、汽車(chē)輕量化、機(jī)械結(jié)構(gòu)等多學(xué)科內(nèi)容，體現(xiàn)了新工科思想，同時(shí)通過(guò)案例的首尾呼應(yīng)，形成呼應(yīng)式的教學(xué)手段：教學(xué)線上、線下呼應(yīng)（小組方案）；工程、力學(xué)理論、專業(yè)呼應(yīng)；視頻、公式、仿真呼應(yīng)。課題組將不斷完善、及時(shí)更新案例素材，將案例式教學(xué)效果不斷擴(kuò)大，形成典型。

[1] 夏文穎,顧兵,黃珮珺,等.案例式教學(xué)在我國(guó)醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用進(jìn)展[J].西北醫(yī)學(xué)教育,2011,19(5):923-925.

[2] 高云峰.如何在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的思維和能力(1):觀察與思考[J].力學(xué)與實(shí)踐,2022,44(3):651-656.

[3] 張娟.基于進(jìn)階式力學(xué)思維培養(yǎng)的理論力學(xué)教學(xué)研究[J].力學(xué)與實(shí)踐,2022,44(4):947-954.

[4] 林紅,楊蕾,鈕瑞艷.基于案例驅(qū)動(dòng)式材料力學(xué)課程教學(xué)的探索與實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇,2017(19):167-168.

[5] 尚家杰,劉宏新,郭麗峰,等.專業(yè)學(xué)位研究生有限元工程結(jié)構(gòu)分析案例教學(xué)研究與實(shí)踐[J].高等農(nóng)業(yè)教育,2017(4):105-109.

Study on the Application of Case-based Teaching in Mechanics Course －Take Vehicle Engineering Major as an Example

QIN Xuan, HAO Qi, ZHANG Ju

( School of Automotive Engineering, Hubei University of Automotive Technology, Shiyan 442002, China )

The major learning courses offered for the vehicle engineering major include Theoretical Mechanics, Mechanics of Materials, Fundamentals and Applications of Finite Element Method, Fundamentals of Computer Aided Engineering (CAE) Software Application, Vibration Theory, the research content of each course is progressing layer by layer. This article introduces the construction process and the implementation plans of a case base that highlights the characteristics of automobiles and runs through the entire process of cultivating mechanical qualities. The results show that, diversified teaching mode combined with case-type teachingthe can enhance students' interest in learning, immerse students in the analysis and calculation of practical problems in vehicle design and manufacturing and help students understand the connotation of vehicle engineering, cultivate students' engineering literacy and improve the innovation capacity.

Mechanics course; Case-based teaching; Vehicle engineering

G642

A

1671-7988(2023)21-138-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.021.028

覃玄（1990－），女，碩士，講師，研究方向?yàn)榱W(xué)教學(xué)，E-mail:1035987687@qq.com。

湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院課程思政教育教學(xué)改革研究專項(xiàng)課題（21mdsz09）。