將工程實(shí)踐轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例提升《產(chǎn)品建模與仿真》課程教學(xué)效果

高宏

摘要：文章首先對(duì)產(chǎn)品建模與仿真課程的內(nèi)涵及開設(shè)現(xiàn)狀做了簡(jiǎn)要說(shuō)明，接著根據(jù)近年的授課經(jīng)驗(yàn)對(duì)該課程教學(xué)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(shí)踐轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例對(duì)提升該課程教學(xué)效果的積極作用。這一方式可以很好地借鑒到工科專業(yè)多門課程的教學(xué)過(guò)程當(dāng)中。

關(guān)鍵詞：工程實(shí)踐;產(chǎn)品建模與仿真;案例教學(xué);教學(xué)改革

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

產(chǎn)品建模與仿真課程是為機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)課，該課程是在前期公共基礎(chǔ)課和專業(yè)基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，講述產(chǎn)品設(shè)計(jì)建模的基本理論和方法、產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換的方法以及產(chǎn)品建模與仿真分析平臺(tái)的應(yīng)用等內(nèi)容。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)學(xué)生能夠掌握產(chǎn)品零件及整機(jī)設(shè)計(jì)建模的基本理論和方法，能夠利用典型的產(chǎn)品建模與仿真平臺(tái)或數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)來(lái)建立完整的產(chǎn)品虛擬模型，能夠利用虛擬模型代替實(shí)物模型進(jìn)行仿真分析，從而提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率，降低產(chǎn)品開發(fā)的成本。課程的開設(shè)可以為學(xué)生后續(xù)畢業(yè)設(shè)計(jì)以及將來(lái)的工作開展打下良好基礎(chǔ)，使學(xué)生能夠更好地適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展對(duì)新型產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)人員的需求。

一、目前課程授課現(xiàn)狀

課程的授課目標(biāo)要求學(xué)生一方面掌握產(chǎn)品設(shè)計(jì)建模的理論和方法，另一方面要求學(xué)生以典型的數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)為工具將相關(guān)理論及方法運(yùn)用到具體實(shí)踐中用于產(chǎn)品開發(fā)。為符合應(yīng)用型人才培養(yǎng)的總體目標(biāo)，目前課程的教學(xué)較多地在數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的技術(shù)運(yùn)用層面對(duì)學(xué)生進(jìn)行強(qiáng)化，如美國(guó)PTC公司開發(fā)的Cero軟件的具體操作和使用。在講授這類課程時(shí)多是遵循單項(xiàng)的、以知識(shí)積累為中心的傳統(tǒng)教學(xué)模式，單純地教給學(xué)生具體命令的操作技能。另外由于學(xué)時(shí)的限制，教學(xué)過(guò)程中偏重于軟件的操作和講解，而對(duì)學(xué)生的工程實(shí)踐能力培養(yǎng)還沒(méi)有做好。在現(xiàn)行的教材中也存在著許多問(wèn)題，內(nèi)容的編排以軟件說(shuō)明為主線，系統(tǒng)的解決工程問(wèn)題思想較弱;以命令操作為核心，與實(shí)際工程問(wèn)題的聯(lián)系不夠密切;學(xué)生普遍表現(xiàn)還是為了建模而建模，不會(huì)靈活運(yùn)用所學(xué)內(nèi)容，在面臨具體工程問(wèn)題的分析和求解時(shí)，仍然不知所措。

二、課程教學(xué)方式方法改革的一些思考

1.案例教學(xué)法在本課程教學(xué)過(guò)程中的積極作用。案例教學(xué)法是一種理論聯(lián)系實(shí)際、啟發(fā)式的教學(xué)相長(zhǎng)的教學(xué)過(guò)程[1]。它要求在教學(xué)過(guò)程中以案例為基本教材，在教師的組織運(yùn)用和指導(dǎo)下，啟發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考，從案例的出處、案例在專業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮的作用、案例的專業(yè)結(jié)構(gòu)組成以及案例覆蓋課程知識(shí)點(diǎn)的綜合情況等多個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行分析和研究，提出學(xué)生自己的看法，并做出評(píng)價(jià)和決策，目的是提高學(xué)生對(duì)同類問(wèn)題的解決和處理能力。案例教學(xué)法是一種激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)學(xué)生研究實(shí)際問(wèn)題，注重學(xué)生能力培養(yǎng)的現(xiàn)代教學(xué)方法，它有著傳統(tǒng)教學(xué)方法所不具備的特殊功能[2-4]。對(duì)本課程來(lái)說(shuō)引入案例教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)課程內(nèi)容對(duì)解決工程實(shí)際問(wèn)題的作用和意義，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)深入研究課程內(nèi)容，培養(yǎng)其靈活運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法解決具體機(jī)械設(shè)計(jì)問(wèn)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(fā)揮作用服務(wù)于本課程。對(duì)本課程的教學(xué)來(lái)說(shuō)，案例的出處、性質(zhì)以及教學(xué)過(guò)程中案例的合理應(yīng)用都是需要進(jìn)行歸納和研究的內(nèi)容。目前大學(xué)老師基本都在搞好本科教學(xué)的同時(shí)開展著具體科研工作，而機(jī)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(shí)踐過(guò)程中的具體問(wèn)題，提煉為教學(xué)案例引入本課程，并將案例分解為工程問(wèn)題及需求、工程中的通常解決辦法、課堂內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)與工程問(wèn)題的聯(lián)系、學(xué)生上課后應(yīng)掌握的程度和目標(biāo)、相似問(wèn)題的進(jìn)一步歸納和舉例，五個(gè)部分依次有層次有目的性地將學(xué)習(xí)與實(shí)踐聯(lián)系起來(lái)，可以使學(xué)生更加明確學(xué)習(xí)目的，建立學(xué)習(xí)興趣，知道學(xué)為所用并能夠?qū)W以致用。

3.改革教學(xué)手段以多種形式組織精選案例實(shí)施。在教學(xué)手段方面，在課堂教學(xué)引用案例的同時(shí)，同步建立網(wǎng)絡(luò)化互動(dòng)教學(xué)平臺(tái)，作為課后知識(shí)加強(qiáng)和討論應(yīng)用的主要途徑，教師完善課程資源，將精選案例經(jīng)過(guò)加工組織后通過(guò)微課、MOOC的形式保存在云端實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化共享，以使學(xué)生可以隨時(shí)隨地下載并進(jìn)行學(xué)習(xí)。在實(shí)施的過(guò)程中更多注重案例的工程性內(nèi)涵，課堂具體知識(shí)點(diǎn)與工程問(wèn)題的點(diǎn)面有機(jī)結(jié)合，以及靈活的教學(xué)方法和教學(xué)手段應(yīng)用。系統(tǒng)性地開展課內(nèi)教學(xué)與課外實(shí)踐，解決目前課堂內(nèi)容過(guò)于具體、學(xué)生被動(dòng)接受、不能靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的現(xiàn)狀。如此在消化案例服務(wù)課程的內(nèi)涵以及案例本身包括的具體內(nèi)容同時(shí)，進(jìn)一步在課外進(jìn)行延伸實(shí)踐。學(xué)生可以基于收獲的知識(shí)在更大范圍參與開放實(shí)驗(yàn)、大學(xué)生科技計(jì)劃以及各類學(xué)科競(jìng)賽等課外科技活動(dòng)，并從項(xiàng)目全局出發(fā)，以解決工程問(wèn)題為目的進(jìn)行工程技能訓(xùn)練。

三、以管道檢測(cè)機(jī)器人為例說(shuō)明具體實(shí)施過(guò)程

作為服務(wù)課程的教學(xué)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(qiáng)、覆蓋面大的特點(diǎn)。限于篇幅，下文以管道檢測(cè)機(jī)器人為例對(duì)其服務(wù)課程的作用及實(shí)施過(guò)程做一簡(jiǎn)要說(shuō)明。

1.案例的來(lái)源。作者所在學(xué)院有一個(gè)研究方向?yàn)橹悄軝C(jī)器人技術(shù)，其中有一個(gè)典型機(jī)電產(chǎn)品管道檢測(cè)機(jī)器人。作者在項(xiàng)目研發(fā)過(guò)程中做了部分工作，在完成整機(jī)方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及制造裝配等環(huán)節(jié)中都運(yùn)用到課程相關(guān)理論及具體內(nèi)容，后將相關(guān)體會(huì)整理后作為教學(xué)案例引入到課堂教學(xué)取得較好的效果。

2.案例的具體組成內(nèi)容。案例的具體組成包括機(jī)械產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)及描述、零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與三維建模、機(jī)械運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等仿真分析、整機(jī)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(shù)文檔的整理匯編等。所述內(nèi)容全部以研制的管道檢測(cè)機(jī)器人為載體，反映到三維數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)當(dāng)中。

3.案例在課程開展過(guò)程中的隨堂實(shí)施。講緒論課的時(shí)候，就將案例引入，從案例的來(lái)源、包括的具體內(nèi)容、解決的具體問(wèn)題出發(fā)，向?qū)W生解釋說(shuō)明常見(jiàn)的工程問(wèn)題及需求、通常的解決辦法等。使學(xué)生對(duì)課程的目的和意義有一個(gè)全面的了解，樹立學(xué)習(xí)自信并增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣。在后續(xù)授課環(huán)節(jié)中，進(jìn)一步以案例所包括的具體內(nèi)容作為例子引出具體知識(shí)點(diǎn)。增強(qiáng)課堂內(nèi)容與工程問(wèn)題的實(shí)際聯(lián)系、讓學(xué)生認(rèn)識(shí)上課應(yīng)掌握的程度和達(dá)到的目標(biāo)。比如機(jī)械零件的建模會(huì)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(jiǎn)潔、結(jié)構(gòu)更便于加工制造、更方便輸出工程圖以及數(shù)控加工程序等。從工程實(shí)際中提出問(wèn)題，并通過(guò)課堂授課將其解決突破，讓學(xué)生真實(shí)感覺(jué)到點(diǎn)滴知識(shí)的實(shí)際用途，待課程結(jié)束時(shí)，整個(gè)案例也基本完成，學(xué)生同樣完成了一臺(tái)完整的產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)，體會(huì)到學(xué)習(xí)本課程的成就感。

4.案例在課外使用時(shí)的資源共享。課程所學(xué)內(nèi)容在后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和實(shí)踐中還會(huì)被經(jīng)常用到，為了更好服務(wù)學(xué)生將來(lái)從事具體的學(xué)習(xí)和工作實(shí)踐，必須建立從始至終的學(xué)習(xí)方案、學(xué)習(xí)指導(dǎo)，并在后續(xù)課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、大學(xué)生科技計(jì)劃、課外科技活動(dòng)和科技競(jìng)賽等實(shí)踐環(huán)節(jié)中逐步實(shí)施。當(dāng)然這僅靠一個(gè)案例是不夠的，需要不斷精選轉(zhuǎn)化教師科研工作過(guò)程中的成果，建立優(yōu)良、完善的典型案例資源庫(kù)供學(xué)生課后學(xué)習(xí)提高?；诨ヂ?lián)網(wǎng)的發(fā)展和普及，電腦、手機(jī)等接收終端可以非常方便地獲取網(wǎng)絡(luò)上共享的數(shù)字資源。在正常課堂教學(xué)引用案例的同時(shí)，同步建立網(wǎng)絡(luò)化互動(dòng)教學(xué)平臺(tái)，可以作為課后知識(shí)加強(qiáng)的主要途徑。教師不斷完善課程資源、將精選案例通過(guò)微課、MOOC的形式保存在云端實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化共享，使學(xué)生可以隨時(shí)隨地下載并進(jìn)行學(xué)習(xí)。目前已有部分案例資源經(jīng)過(guò)整理后，以文本文檔、PPT、教學(xué)視頻、互動(dòng)APP等形式分別存儲(chǔ)到校園網(wǎng)、百度云端、360云端等網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，學(xué)生可以非常方便快捷地進(jìn)行訪問(wèn)和下載。

5.課程開出效果及評(píng)價(jià)。通過(guò)將典型案例貫穿整個(gè)課程學(xué)習(xí)的始終，并延伸到后續(xù)學(xué)期的學(xué)習(xí)實(shí)踐當(dāng)中，學(xué)生反饋非常好，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。（1）學(xué)生學(xué)完本課程后基本掌握了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)這一現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。在每學(xué)期結(jié)束后的教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)中學(xué)生給課程及任課教師的評(píng)價(jià)連續(xù)幾年都是優(yōu)秀;（2）在后續(xù)專業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)特別是課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)中，本課程所掌握內(nèi)容發(fā)揮了非常積極的作用，學(xué)生在很多地方用到課程所講內(nèi)容及方法，使得后續(xù)學(xué)習(xí)的目的性更強(qiáng);（3）運(yùn)用課程所學(xué)知識(shí)在后續(xù)學(xué)期的課外實(shí)踐中取得更加優(yōu)秀的成績(jī)，每年都有比較多的同學(xué)積極參加“機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”、“三維數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”等科技競(jìng)賽獲得北京市級(jí)、國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)，通過(guò)案例的運(yùn)用、項(xiàng)目的訓(xùn)練使學(xué)生得到非常好的鍛煉。

四、結(jié)論

通過(guò)將教師科研工作過(guò)程中完成的具體機(jī)械結(jié)構(gòu)等工程實(shí)踐轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例，可以讓學(xué)生更加直觀地認(rèn)識(shí)課堂講授知識(shí)點(diǎn)與工程實(shí)際問(wèn)題的聯(lián)系。加上學(xué)生在后續(xù)課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、大學(xué)生科技計(jì)劃項(xiàng)目、課外科技競(jìng)賽等項(xiàng)目的執(zhí)行過(guò)程中不斷深入體會(huì)和應(yīng)用，從項(xiàng)目訓(xùn)練入手，從工程角度對(duì)問(wèn)題進(jìn)行思考，經(jīng)過(guò)實(shí)踐并完成項(xiàng)目后，參與學(xué)生都獲得較大程度的提高，基本具備了解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力?？傊?，將工程實(shí)踐轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例對(duì)提升產(chǎn)品建模與仿真課程的教學(xué)效果發(fā)揮了非常積極的作用，能夠使學(xué)生掌握一定的技術(shù)以更好地適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展對(duì)新型產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)人員的需求。

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