将工程实践转化为教学案例提升《产品建模与仿真》课程教学效果

高宏

摘要：文章首先对产品建模与仿真课程的内涵及开设现状做了简要说明，接着根据近年的授课经验对该课程教学方式方法的改革做了一些思考和归纳，最后引用具体例子详述将工程实践转化为教学案例对提升该课程教学效果的积极作用。这一方式可以很好地借鉴到工科专业多门课程的教学过程当中。

关键词：工程实践;产品建模与仿真;案例教学;教学改革

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）18-0138-02

产品建模与仿真课程是为机械设计制造及自动化专业开设的一门专业课，该课程是在前期公共基础课和专业基础课学习的基础上，讲述产品设计建模的基本理论和方法、产品模型数据交换的方法以及产品建模与仿真分析平台的应用等内容。通过本课程的学习学生能够掌握产品零件及整机设计建模的基本理论和方法，能够利用典型的产品建模与仿真平台或数字化设计系统来建立完整的产品虚拟模型，能够利用虚拟模型代替实物模型进行仿真分析，从而提高产品设计的效率，降低产品开发的成本。课程的开设可以为学生后续毕业设计以及将来的工作开展打下良好基础，使学生能够更好地适应现代社会发展对新型产品技术开发人员的需求。

一、目前课程授课现状

课程的授课目标要求学生一方面掌握产品设计建模的理论和方法，另一方面要求学生以典型的数字化设计系统为工具将相关理论及方法运用到具体实践中用于产品开发。为符合应用型人才培养的总体目标，目前课程的教学较多地在数字化设计系统的技术运用层面对学生进行强化，如美国PTC公司开发的Cero软件的具体操作和使用。在讲授这类课程时多是遵循单项的、以知识积累为中心的传统教学模式，单纯地教给学生具体命令的操作技能。另外由于学时的限制，教学过程中偏重于软件的操作和讲解，而对学生的工程实践能力培养还没有做好。在现行的教材中也存在着许多问题，内容的编排以软件说明为主线，系统的解决工程问题思想较弱;以命令操作为核心，与实际工程问题的联系不够密切;学生普遍表现还是为了建模而建模，不会灵活运用所学内容，在面临具体工程问题的分析和求解时，仍然不知所措。

二、课程教学方式方法改革的一些思考

1.案例教学法在本课程教学过程中的积极作用。案例教学法是一种理论联系实际、启发式的教学相长的教学过程[1]。它要求在教学过程中以案例为基本教材，在教师的组织运用和指导下，启发学生独立思考，从案例的出处、案例在专业领域中发挥的作用、案例的专业结构组成以及案例覆盖课程知识点的综合情况等多个方面对其进行分析和研究，提出学生自己的看法，并做出评价和决策，目的是提高学生对同类问题的解决和处理能力。案例教学法是一种激发学生学习兴趣，启发学生研究实际问题，注重学生能力培养的现代教学方法，它有着传统教学方法所不具备的特殊功能[2-4]。对本课程来说引入案例教学，促进学生认识课程内容对解决工程实际问题的作用和意义，激发学生主动深入研究课程内容，培养其灵活运用现代设计方法解决具体机械设计问题的能力等多方面都有着非常积极的作用。

2.什么样的案例才能够充分发挥作用服务于本课程。对本课程的教学来说，案例的出处、性质以及教学过程中案例的合理应用都是需要进行归纳和研究的内容。目前大学老师基本都在搞好本科教学的同时开展着具体科研工作，而机械工程的大部分科研课题都有着非常好的工程背景，如果将老师科研与工程实践过程中的具体问题，提炼为教学案例引入本课程，并将案例分解为工程问题及需求、工程中的通常解决办法、课堂内容知识点与工程问题的联系、学生上课后应掌握的程度和目标、相似问题的进一步归纳和举例，五个部分依次有层次有目的性地将学习与实践联系起来，可以使学生更加明确学习目的，建立学习兴趣，知道学为所用并能够学以致用。

3.改革教学手段以多种形式组织精选案例实施。在教学手段方面，在课堂教学引用案例的同时，同步建立网络化互动教学平台，作为课后知识加强和讨论应用的主要途径，教师完善课程资源，将精选案例经过加工组织后通过微课、MOOC的形式保存在云端实现网络化共享，以使学生可以随时随地下载并进行学习。在实施的过程中更多注重案例的工程性内涵，课堂具体知识点与工程问题的点面有机结合，以及灵活的教学方法和教学手段应用。系统性地开展课内教学与课外实践，解决目前课堂内容过于具体、学生被动接受、不能灵活运用所学知识的现状。如此在消化案例服务课程的内涵以及案例本身包括的具体内容同时，进一步在课外进行延伸实践。学生可以基于收获的知识在更大范围参与开放实验、大学生科技计划以及各类学科竞赛等课外科技活动，并从项目全局出发，以解决工程问题为目的进行工程技能训练。

三、以管道检测机器人为例说明具体实施过程

作为服务课程的教学案例必须非常丰富，而且一定要精选案例使其具备工程性强、覆盖面大的特点。限于篇幅，下文以管道检测机器人为例对其服务课程的作用及实施过程做一简要说明。

1.案例的来源。作者所在学院有一个研究方向为智能机器人技术，其中有一个典型机电产品管道检测机器人。作者在项目研发过程中做了部分工作，在完成整机方案设计、结构设计以及制造装配等环节中都运用到课程相关理论及具体内容，后将相关体会整理后作为教学案例引入到课堂教学取得较好的效果。

2.案例的具体组成内容。案例的具体组成包括机械产品的方案设计及描述、零件结构设计与三维建模、机械运动与结构强度等仿真分析、整机虚拟建模与装配、零件制造工藝分析、零件图与装配图纸绘制、技术文档的整理汇编等。所述内容全部以研制的管道检测机器人为载体，反映到三维数字化设计系统当中。

3.案例在课程开展过程中的随堂实施。讲绪论课的时候，就将案例引入，从案例的来源、包括的具体内容、解决的具体问题出发，向学生解释说明常见的工程问题及需求、通常的解决办法等。使学生对课程的目的和意义有一个全面的了解，树立学习自信并增强学习兴趣。在后续授课环节中，进一步以案例所包括的具体内容作为例子引出具体知识点。增强课堂内容与工程问题的实际联系、让学生认识上课应掌握的程度和达到的目标。比如机械零件的建模会用到哪些操作命令，如何组织各命令的顺序才能使模型更加简洁、结构更便于加工制造、更方便输出工程图以及数控加工程序等。从工程实际中提出问题，并通过课堂授课将其解决突破，让学生真实感觉到点滴知识的实际用途，待课程结束时，整个案例也基本完成，学生同样完成了一台完整的产品数字样机，体会到学习本课程的成就感。

4.案例在课外使用时的资源共享。课程所學内容在后续专业课程的学习和实践中还会被经常用到，为了更好服务学生将来从事具体的学习和工作实践，必须建立从始至终的学习方案、学习指导，并在后续课程设计、毕业设计、大学生科技计划、课外科技活动和科技竞赛等实践环节中逐步实施。当然这仅靠一个案例是不够的，需要不断精选转化教师科研工作过程中的成果，建立优良、完善的典型案例资源库供学生课后学习提高。基于互联网的发展和普及，电脑、手机等接收终端可以非常方便地获取网络上共享的数字资源。在正常课堂教学引用案例的同时，同步建立网络化互动教学平台，可以作为课后知识加强的主要途径。教师不断完善课程资源、将精选案例通过微课、MOOC的形式保存在云端实现网络化共享，使学生可以随时随地下载并进行学习。目前已有部分案例资源经过整理后，以文本文档、PPT、教学视频、互动APP等形式分别存储到校园网、百度云端、360云端等网络平台上，学生可以非常方便快捷地进行访问和下载。

5.课程开出效果及评价。通过将典型案例贯穿整个课程学习的始终，并延伸到后续学期的学习实践当中，学生反馈非常好，具体表现在以下几个方面。（1）学生学完本课程后基本掌握了计算机辅助设计这一现代设计方法。在每学期结束后的教学质量评价中学生给课程及任课教师的评价连续几年都是优秀;（2）在后续专业实践环节特别是课程设计、毕业设计当中，本课程所掌握内容发挥了非常积极的作用，学生在很多地方用到课程所讲内容及方法，使得后续学习的目的性更强;（3）运用课程所学知识在后续学期的课外实践中取得更加优秀的成绩，每年都有比较多的同学积极参加“机械创新设计大赛”、“三维数字化创新设计大赛”等科技竞赛获得北京市级、国家级奖励，通过案例的运用、项目的训练使学生得到非常好的锻炼。

四、结论

通过将教师科研工作过程中完成的具体机械结构等工程实践转化为教学案例，可以让学生更加直观地认识课堂讲授知识点与工程实际问题的联系。加上学生在后续课程设计、毕业设计、大学生科技计划项目、课外科技竞赛等项目的执行过程中不断深入体会和应用，从项目训练入手，从工程角度对问题进行思考，经过实践并完成项目后，参与学生都获得较大程度的提高，基本具备了解决实际工程问题的能力。总之，将工程实践转化为教学案例对提升产品建模与仿真课程的教学效果发挥了非常积极的作用，能够使学生掌握一定的技术以更好地适应现代社会发展对新型产品技术开发人员的需求。

参考文献：

[1]徐敬尧.案例教学法的探索与实践[J].中国电力教育，2009，（5）：98-99.

[2]刘萍，李永宁.案例教学法在“计算机文化基础”课程教学中的引入与实践探微[J].计算机教育，2007，（2）：36-38.

[3]黄昊旻.三维计算机辅助设计——Solidworks课程中案例教学法的应用[J].贵阳学院学报：自然科学版，2011，（1）：74-76.

[4]张润莲，张向利，叶进.案例教学法及其运用[J].桂林电子工业学院学报，2004，（4）：102-105.