案例式教學在工程設計軟件教學中的探索與研究

梁良　李小勇　夏熱

[摘 要]工程設計軟件教學具有實踐性強的特點。針對其教學中存在的問題，高校應改善教學效果、增強學生對工程實踐的感性認識；在教學過程中引入具體案例，并將案例問題進行詳細解析，使學生對工程設計軟件應用有更深刻的認識；通過建立分層教學的資源庫和試題庫，使教師“在線”與學生互動，激發(fā)學生的學習興趣，開拓學生動手實踐的時間和空間；提高學生自主學習積極性，激發(fā)學生探究學習的潛能。

[關鍵詞]軟件教學；工程案例；分層教學；自主學習；

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）04-0047-03

○、引言

根據(jù)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》的精神，高等教育承擔著培養(yǎng)高級專門人才、發(fā)展科學技術(shù)文化、促進現(xiàn)代化建設的重大任務，提高質(zhì)量是高等教育發(fā)展的核心任務，是建設高等教育強國的基本要求[1][2]。高等教育的改革需以經(jīng)濟社會發(fā)展和科技進步的要求來推進。廣大教師一直積極探索各種教學方法，以達到提高教學質(zhì)量、培養(yǎng)更多人才的目的。他們在摒棄傳統(tǒng)的“灌輸式”、“填鴨式”教學方式的同時，提出了諸如啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式等教學模式。其目的是營造一個獨立思考、自由探索的環(huán)境來激發(fā)學生的好奇心，吸引學生的興趣，提高學生的學習能力。

對于工科學生而言，合格的畢業(yè)生在熟練掌握專業(yè)知識的同時，必須要具備一定的分析問題、解決問題的能力。在傳統(tǒng)的授課過程中，教師的主要任務是以最高效率向?qū)W生介紹課程的知識體系。課程中所涉及的例題往往是經(jīng)過抽象化的簡化模型，學生通過反復應用來加深與鞏固知識點。由于學生在這一過程中完全處于被動接受的狀態(tài)，他們分析問題、解決問題的能力很難得到培養(yǎng)。案例式教學是指教師在課堂授課的同時，結(jié)合具體的實例對知識點進行講解。其起源于19世紀70年代哈佛大學邁克爾·桑德爾（Michael Sandel）教授的“公正：該如何做是好”公開課。邁克爾教授在授課時利用大量案例來講授深奧的政治哲學，令人印象深刻[3]。自此案例教學被廣泛應用于大學教學的各個環(huán)節(jié)。其不僅可以增強學生感性認識，還有助于提高學生對實際問題的認知水平、分析能力；使學生能夠掌握實際問題的正確思考方法，激發(fā)學生創(chuàng)新能力。與傳統(tǒng)教學方法相比，案例教學課堂變數(shù)大，所需背景內(nèi)容多；需要教師具有廣博的知識儲備、高度責任感以及更加靈活的教學組織手段。只有將這些環(huán)節(jié)逐一落實，案例教學才能真正起到啟發(fā)學生思維的作用。

一、工程實踐課程特點與現(xiàn)狀

工程設計軟件應用課程作為機械工程專業(yè)的專業(yè)主干課程，覆蓋機械工程專業(yè)下屬的機械設計及理論、機械制造及其自動化、車輛工程等專業(yè)方向，同時工程設計軟件也是機械設計課程設計、畢業(yè)設計、創(chuàng)新大賽等實踐環(huán)節(jié)要求學生熟練掌握的三維設計軟件。該課程涉及學科相對較多，涵蓋內(nèi)容較廣，部分內(nèi)容還與國民建設大型工程息息相關。因此，各高校都開設有UG、CATIA、SolidWorks、PRO/E、ANASYS、ABAQUS等課程。然而當前該課程教學存在許多問題，嚴重影響課程的教學質(zhì)量。其主要表現(xiàn)有：課程所使用的教材與輔導資料相對陳舊，部分教材的重點、難點不夠突出，無法滿足新形勢下工科學生的培養(yǎng)要求；教師授課方式相對落后，部分教師沒有利用現(xiàn)代化的通信手段來進行教學，學生無法理解課程中的抽象概念及原理；與此同時，工科高校的工程實踐課程的教學課時減少，導致授課教師無法在有限時間內(nèi)將課程中的全部內(nèi)容講透，學生很難清楚地理解課程中涉及的相關設計規(guī)范、計算公式。

這就意味著整個工程設計軟件應用教學環(huán)節(jié)需要密切重視理論與實踐相結(jié)合，重視軟件應用過程中可能會出現(xiàn)的一些問題，深化工程設計軟件應用課程教學改革。要以工程實際案例為背景，優(yōu)化教學內(nèi)容，建設分層教學的資源庫和試題庫，提高學生自主學習積極性，激發(fā)學生探究學習的潛能[4]。目前國內(nèi)同類課程均已按照“寬基礎、寬口徑、重能力、強素質(zhì)、促創(chuàng)造”的原則，積極開展案例式教學模式，并取得了一定的成果[5]；形成了一套由課堂講授、多媒體輔助教學、實驗教學、課后練習和科學考評相結(jié)合的全方位、多層次的教學體系；保證學生能夠具備分析、解決實際問題的能力，能夠適應以后的工作崗位的需求[6]。

二、教學內(nèi)容和方法的改革

教育的生命力在于與時俱進，工程設計軟件教學內(nèi)容和教學方法也應逐步提高與完善。良好的教學效果與教師良好的科研素養(yǎng)、豐富的科研教學經(jīng)歷是分不開的。工程設計軟件應用課程具有實踐性強的特點。學生的接受能力不盡相同，分析思考問題的能力也參差不齊，部分學生自律性較差，遇到問題后學習積極性容易受挫。將工程實際的案例引入課堂教學中，實施以任務為導向、小組合作討論、相互評價的教學模式，不僅可以促進學生合作，提高學生學習的積極性，還能有效提升教學效果。

（一）合理安排教學重點

工程設計軟件應用課程涉及機械制圖、三維建模和力學分析等方面的知識，知識點零碎而繁多。在課時有限的情況下，如何合理安排教學重點內(nèi)容，是每位授課教師重點思考的問題。在理論課程講解中，教師應該重點講解課程的精華知識點，部分知識點只需稍加點撥，安排學生課后自習或查看參考書籍。在教學過程中通過精心選擇教學重點，做到以點帶面，才能保證課程的完整性和系統(tǒng)性。

例如三維建模布爾運算理論涉及大量的圖形學知識及復雜的數(shù)學公式，通過計算機后臺運算及顯式表達實現(xiàn)幾何模型的并、交、差運算。在課程講解時，學生很難理解布爾運算過程及部分三維模型的數(shù)學表達。此時教學的重點應放在布爾運算規(guī)則的教學上，通過立方體、長方體、圓柱體等規(guī)則模型的并、交、叉運算來引導學生熟悉布爾運算的規(guī)則；將布爾運算不適用范圍通過例題一一演示給學生，并介紹其原因，以免學生在后期建模過程中犯錯而找不出緣由；最后可以通過封閉自由曲面（如飛機機身）的布爾運算來考核學生的掌握情況。

（二）理論教學和工程實例相結(jié)合

任何一門理論均是建立在實踐總結(jié)的基礎上的。沒有實踐支撐的理論就像是空中樓閣，學生不僅感覺枯燥無味，也難以牢固掌握。工程設計軟件應用在工程上的應用涉及工程制圖、機械設計、公差與配合、機械零件機械原理、汽車構(gòu)造、理論力學、材料力學等課程。學生通過該課程的學習不僅可以鞏固這些課程，還能提高自身綜合工程應用能力。一旦學生掌握了工程設計軟件，其設計思想等可以得到很好的表達。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，學生對該課程掌握的好壞，直接關系到學生后續(xù)課程的學習以及今后在企業(yè)工程應用中能力的發(fā)揮。因此，授課教師要善于將工程實例貫穿至教學環(huán)節(jié)中，不僅能使教學內(nèi)容更加飽滿、教學過程更加生動，而且能讓學生感受到學習工程設計軟件的價值與意義，最大限度地激發(fā)學生的創(chuàng)新潛能。

在實際教學過程中，有些問題需要結(jié)合具體案例進行分析討論。如在教學過程中為了闡明一個具體工程事故的起因，如果單單從理論分析的角度去講解，勢必使學生無法深入理解。例如在講解自由曲面建模時，由于自由曲面是通過三次樣條曲線來近似表達的，其數(shù)學表達式相對復雜，學生難以理解。此時應從立方體、圓柱體等規(guī)則模型的數(shù)學表達式入手進行講解，因為立方體等規(guī)則模型的數(shù)學表達是通過標準的三元一次方程來表達的，學生很容易理解。隨后介紹自由曲面的應用范圍，如飛機的機身、汽車車身等。讓學生了解自由曲面在工程中的應用非常廣泛，立方體等規(guī)則模型在工程中的應用相對較少，即使使用也是由規(guī)則模型加上自由曲面（如邊界倒角、消除結(jié)構(gòu)應力）構(gòu)成。當學生有了感性認識后，再引導學生如何用數(shù)學表達式來表達自由曲面、結(jié)合理論介紹三次樣條曲線表達式、講解控制自由曲面的關鍵參數(shù)。三維建模軟件正是通過控制這些參數(shù)來進行交互式顯示的。這樣學生既可以了解自由曲面的應用范疇，又能在有限的時間內(nèi)全面系統(tǒng)地掌握自由曲面建模的關鍵參數(shù)，同時還可以將自由曲面建模的方法應用至其他工程領域中。

（三）加強課程建設

針對高等教育的特點，高校應以工程應用為背景，優(yōu)化教學內(nèi)容，理論講授與實踐實訓并舉、校企合作與工學結(jié)合并舉。以項目任務為驅(qū)動，突出建模思路，突出任務指引，提高學生動手能力，激發(fā)學生自主學習能力，提高學生工程應用能力。在教學中，要以典型實例作為教學案例和實訓內(nèi)容，采用多媒體教學手段，堅持教、學、做一體化的原則，進行現(xiàn)場教學、課后作業(yè)等實踐活動。要堅持學生獨立操作的原則，將實踐教學與考核有機地結(jié)合在一起，確保課程內(nèi)容貼近實際，特色鮮明。為了達到工程設計軟件應用課程的建設要求，還需要注意以下幾方面：聯(lián)合其他兄弟院校和工學結(jié)合單位，編寫工程設計軟件教學教材和習題集，增加實際案例剖析、常見問題討論等內(nèi)容，使教學內(nèi)容更適合學生的需求；編寫工程設計軟件應用課程的教學大綱，根據(jù)這門課的特點開發(fā)動態(tài)電子教材和電子教案，并將典型工程案例納入教學大綱中；建立分層教學的資源庫和試題庫，提高學生自主學習積極性，激發(fā)學生探究學習的潛能，突出工程應用能力培養(yǎng)；密切重視理論與實踐相結(jié)合，重視實驗教學環(huán)節(jié)，深入到企業(yè)一線進行調(diào)研，了解生產(chǎn)企業(yè)實際使用和制造過程中面臨的困難與問題。

（四）強化實驗教學和轉(zhuǎn)變師生關系

在實驗教學設計上，授課教師應根據(jù)學生的認知規(guī)律，采取“模仿—理解—設計”三階段的設計思想進行實踐教學設計?！澳７隆笔侵冈趯嶒灥某跏茧A段，學生通過教師示范理解實驗內(nèi)容，熟悉各種零件結(jié)構(gòu)特點及工作原理，模仿教師的實驗過程完成實驗?！袄斫狻笔侵冈凇澳７隆敝袑α慵：蛙浖褂没静僮魇煜さ幕A上，根據(jù)實驗指導書給出的零件案例，經(jīng)教師檢查通過后完成實驗?！霸O計”是指在完成前兩個階段后，根據(jù)選定的實驗項目指導學生進行綜合設計，達到對學生的動手、動腦能力進行綜合訓練的目的。通過這三個循序漸進的實驗，在有限的實驗時間內(nèi)，達到對學生動手能力和工程創(chuàng)新能力進行訓練的目的。

除了注意實驗所使用的教材與教科書有機結(jié)合，以免加大學生理解認知難度之外，授課教師還需要增加課堂教學的開放性，遵循以教師為主導、學生為主體的教學觀念，鼓勵學生積極參加教學內(nèi)容討論，拉近師生關系，活躍課堂氣氛。將理論課程和課程研究項目、教學過程中存在的相關技術(shù)問題和理論問題融于討論，以學生上臺講演和討論為教學形式，深入研究探討各階段所涉及的知識點及其在工程中的應用，以對具體問題的理論解析和提出解決問題的方法為討論內(nèi)容，引導學生積極思考，學會學習、主動學習，綜合訓練學生能力，提高學生綜合運用專業(yè)知識來分析、理解和解決本專業(yè)及相關行業(yè)的理論和實踐問題的能力。

（五）利用先進教學手段

工程設計軟件應用課程屬于應用型課程，需要授課教師在課堂教學中使用多媒體對相關軟件使用進行操作，增強學生的感性認識，以提高課堂教學效果。同時學校應根據(jù)培養(yǎng)方案及學生需求建立多種媒體構(gòu)成的立體化教學載體；在學校內(nèi)部建立網(wǎng)絡課程學習網(wǎng)站，包括案例集、習題庫、試題庫、多媒體課件、在線測試、在線交流等教學輔助資料，為學生的自主學習提供豐富有效的資料。如果學校條件允許，還可以在人工智能、知識工程與數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合的基礎上，應用大數(shù)據(jù)分析平臺，實時收集和預測學生的興趣及喜好，有針對性地向?qū)W生推送一些工程案例及測試試題，讓學生改被動學習為主動學習，找到學習的樂趣，激發(fā)學習的欲望。同時利用互聯(lián)網(wǎng)及現(xiàn)代化的通信手段，方便學生與教師及時溝通，遞交最新學習情況；同時教師也可隨時掌握學生的學習情況，及時反饋意見，營造教師隨時“在線”的效果。

三、結(jié)論

工程設計軟件應用是一門面向全校工程設計專業(yè)學生開設的專業(yè)課，其不僅要教會學生各種機械零部件結(jié)構(gòu)特點、工作原理及準確的工程表達，更要提高學生的綜合工程應用能力，最大限度地激發(fā)學生創(chuàng)新潛能。本文對工程設計軟件應用課程改革進行了探討，以工程實際案例為背景，優(yōu)化教學內(nèi)容，建立分層教學的資源庫和試題庫，強調(diào)教師的“教”和學生的“學”應該具有良好的互動性。該方法能夠使學生在感性認識的前提下，很好地掌握教學內(nèi)容，提高自主學習積極性，激發(fā)學生探究學習的潛能。

[ 參 考 文 獻 ]

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[2] 張睿，王祖源，王治國.從案例出發(fā) 在工科物理教學中對研究性教學開展探索[J].中國大學教學，2013（9）：63-64.

[3] 郭德紅.案例教學：歷史、本質(zhì)和發(fā)展趨勢[J].高等理科教育，2008（1）：22-24.

[4] 張新平，馮曉敏.重思案例教學的知識觀、師生觀與教學觀[J].高等教育研究，2015（11）：64-68.

[5] 王曉川，梁良，季斌.淺析新形勢下認知引導在研究生培養(yǎng)中的重要性[J].大學教育，2016（4）：9-11.

[6] 王華榮.以案例教學推動大學課堂教學模式改革的實踐與探索[J].中國大學教育，2011（4）：62-64.

[責任編輯：劉鳳華]