案例式教学在工程设计软件教学中的探索与研究

梁良　李小勇　夏热

[摘 要]工程设计软件教学具有实践性强的特点。针对其教学中存在的问题，高校应改善教学效果、增强学生对工程实践的感性认识；在教学过程中引入具体案例，并将案例问题进行详细解析，使学生对工程设计软件应用有更深刻的认识；通过建立分层教学的资源库和试题库，使教师“在线”与学生互动，激发学生的学习兴趣，开拓学生动手实践的时间和空间；提高学生自主学习积极性，激发学生探究学习的潜能。

[关键词]软件教学；工程案例；分层教学；自主学习；

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）04-0047-03

○、引言

根据《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》的精神，高等教育承担着培养高级专门人才、发展科学技术文化、促进现代化建设的重大任务，提高质量是高等教育发展的核心任务，是建设高等教育强国的基本要求[1][2]。高等教育的改革需以经济社会发展和科技进步的要求来推进。广大教师一直积极探索各种教学方法，以达到提高教学质量、培养更多人才的目的。他们在摒弃传统的“灌输式”、“填鸭式”教学方式的同时，提出了诸如启发式、探究式、讨论式、参与式等教学模式。其目的是营造一个独立思考、自由探索的环境来激发学生的好奇心，吸引学生的兴趣，提高学生的学习能力。

对于工科学生而言，合格的毕业生在熟练掌握专业知识的同时，必须要具备一定的分析问题、解决问题的能力。在传统的授课过程中，教师的主要任务是以最高效率向学生介绍课程的知识体系。课程中所涉及的例题往往是经过抽象化的简化模型，学生通过反复应用来加深与巩固知识点。由于学生在这一过程中完全处于被动接受的状态，他们分析问题、解决问题的能力很难得到培养。案例式教学是指教师在课堂授课的同时，结合具体的实例对知识点进行讲解。其起源于19世纪70年代哈佛大学迈克尔·桑德尔（Michael Sandel）教授的“公正：该如何做是好”公开课。迈克尔教授在授课时利用大量案例来讲授深奥的政治哲学，令人印象深刻[3]。自此案例教学被广泛应用于大学教学的各个环节。其不仅可以增强学生感性认识，还有助于提高学生对实际问题的认知水平、分析能力；使学生能够掌握实际问题的正确思考方法，激发学生创新能力。与传统教学方法相比，案例教学课堂变数大，所需背景内容多；需要教师具有广博的知识储备、高度责任感以及更加灵活的教学组织手段。只有将这些环节逐一落实，案例教学才能真正起到启发学生思维的作用。

一、工程实践课程特点与现状

工程设计软件应用课程作为机械工程专业的专业主干课程，覆盖机械工程專业下属的机械设计及理论、机械制造及其自动化、车辆工程等专业方向，同时工程设计软件也是机械设计课程设计、毕业设计、创新大赛等实践环节要求学生熟练掌握的三维设计软件。该课程涉及学科相对较多，涵盖内容较广，部分内容还与国民建设大型工程息息相关。因此，各高校都开设有UG、CATIA、SolidWorks、PRO/E、ANASYS、ABAQUS等课程。然而当前该课程教学存在许多问题，严重影响课程的教学质量。其主要表现有：课程所使用的教材与辅导资料相对陈旧，部分教材的重点、难点不够突出，无法满足新形势下工科学生的培养要求；教师授课方式相对落后，部分教师没有利用现代化的通信手段来进行教学，学生无法理解课程中的抽象概念及原理；与此同时，工科高校的工程实践课程的教学课时减少，导致授课教师无法在有限时间内将课程中的全部内容讲透，学生很难清楚地理解课程中涉及的相关设计规范、计算公式。

这就意味着整个工程设计软件应用教学环节需要密切重视理论与实践相结合，重视软件应用过程中可能会出现的一些问题，深化工程设计软件应用课程教学改革。要以工程实际案例为背景，优化教学内容，建设分层教学的资源库和试题库，提高学生自主学习积极性，激发学生探究学习的潜能[4]。目前国内同类课程均已按照“宽基础、宽口径、重能力、强素质、促创造”的原则，积极开展案例式教学模式，并取得了一定的成果[5]；形成了一套由课堂讲授、多媒体辅助教学、实验教学、课后练习和科学考评相结合的全方位、多层次的教学体系；保证学生能够具备分析、解决实际问题的能力，能够适应以后的工作岗位的需求[6]。

二、教学内容和方法的改革

教育的生命力在于与时俱进，工程设计软件教学内容和教学方法也应逐步提高与完善。良好的教学效果与教师良好的科研素养、丰富的科研教学经历是分不开的。工程设计软件应用课程具有实践性强的特点。学生的接受能力不尽相同，分析思考问题的能力也参差不齐，部分学生自律性较差，遇到问题后学习积极性容易受挫。将工程实际的案例引入课堂教学中，实施以任务为导向、小组合作讨论、相互评价的教学模式，不仅可以促进学生合作，提高学生学习的积极性，还能有效提升教学效果。

（一）合理安排教学重点

工程设计软件应用课程涉及机械制图、三维建模和力学分析等方面的知识，知识点零碎而繁多。在课时有限的情况下，如何合理安排教学重点内容，是每位授课教师重点思考的问题。在理论课程讲解中，教师应该重点讲解课程的精华知识点，部分知识点只需稍加点拨，安排学生课后自习或查看参考书籍。在教学过程中通过精心选择教学重点，做到以点带面，才能保证课程的完整性和系统性。

例如三维建模布尔运算理论涉及大量的图形学知识及复杂的数学公式，通过计算机后台运算及显式表达实现几何模型的并、交、差运算。在课程讲解时，学生很难理解布尔运算过程及部分三维模型的数学表达。此时教学的重点应放在布尔运算规则的教学上，通过立方体、长方体、圆柱体等规则模型的并、交、叉运算来引导学生熟悉布尔运算的规则；将布尔运算不适用范围通过例题一一演示给学生，并介绍其原因，以免学生在后期建模过程中犯错而找不出缘由；最后可以通过封闭自由曲面（如飞机机身）的布尔运算来考核学生的掌握情况。

（二）理论教学和工程实例相结合

任何一门理论均是建立在实践总结的基础上的。没有实践支撑的理论就像是空中楼阁，学生不仅感觉枯燥无味，也难以牢固掌握。工程设计软件应用在工程上的应用涉及工程制图、机械设计、公差与配合、机械零件机械原理、汽车构造、理论力学、材料力学等课程。学生通过该课程的学习不仅可以巩固这些课程，还能提高自身综合工程应用能力。一旦学生掌握了工程设计软件，其设计思想等可以得到很好的表达。统计数据表明，学生对该课程掌握的好坏，直接关系到学生后续课程的学习以及今后在企业工程应用中能力的发挥。因此，授课教师要善于将工程实例貫穿至教学环节中，不仅能使教学内容更加饱满、教学过程更加生动，而且能让学生感受到学习工程设计软件的价值与意义，最大限度地激发学生的创新潜能。

在实际教学过程中，有些问题需要结合具体案例进行分析讨论。如在教学过程中为了阐明一个具体工程事故的起因，如果单单从理论分析的角度去讲解，势必使学生无法深入理解。例如在讲解自由曲面建模时，由于自由曲面是通过三次样条曲线来近似表达的，其数学表达式相对复杂，学生难以理解。此时应从立方体、圆柱体等规则模型的数学表达式入手进行讲解，因为立方体等规则模型的数学表达是通过标准的三元一次方程来表达的，学生很容易理解。随后介绍自由曲面的应用范围，如飞机的机身、汽车车身等。让学生了解自由曲面在工程中的应用非常广泛，立方体等规则模型在工程中的应用相对较少，即使使用也是由规则模型加上自由曲面（如边界倒角、消除结构应力）构成。当学生有了感性认识后，再引导学生如何用数学表达式来表达自由曲面、结合理论介绍三次样条曲线表达式、讲解控制自由曲面的关键参数。三维建模软件正是通过控制这些参数来进行交互式显示的。这样学生既可以了解自由曲面的应用范畴，又能在有限的时间内全面系统地掌握自由曲面建模的关键参数，同时还可以将自由曲面建模的方法应用至其他工程领域中。

（三）加强课程建设

针对高等教育的特点，高校应以工程应用为背景，优化教学内容，理论讲授与实践实训并举、校企合作与工学结合并举。以项目任务为驱动，突出建模思路，突出任务指引，提高学生动手能力，激发学生自主学习能力，提高学生工程应用能力。在教学中，要以典型实例作为教学案例和实训内容，采用多媒体教学手段，坚持教、学、做一体化的原则，进行现场教学、课后作业等实践活动。要坚持学生独立操作的原则，将实践教学与考核有机地结合在一起，确保课程内容贴近实际，特色鲜明。为了达到工程设计软件应用课程的建设要求，还需要注意以下几方面：联合其他兄弟院校和工学结合单位，编写工程设计软件教学教材和习题集，增加实际案例剖析、常见问题讨论等内容，使教学内容更适合学生的需求；编写工程设计软件应用课程的教学大纲，根据这门课的特点开发动态电子教材和电子教案，并将典型工程案例纳入教学大纲中；建立分层教学的资源库和试题库，提高学生自主学习积极性，激发学生探究学习的潜能，突出工程应用能力培养；密切重视理论与实践相结合，重视实验教学环节，深入到企业一线进行调研，了解生产企业实际使用和制造过程中面临的困难与问题。

（四）强化实验教学和转变师生关系

在实验教学设计上，授课教师应根据学生的认知规律，采取“模仿—理解—设计”三阶段的设计思想进行实践教学设计。“模仿”是指在实验的初始阶段，学生通过教师示范理解实验内容，熟悉各种零件结构特点及工作原理，模仿教师的实验过程完成实验。“理解”是指在“模仿”中对零件建模和软件使用基本操作熟悉的基础上，根据实验指导书给出的零件案例，经教师检查通过后完成实验。“设计”是指在完成前两个阶段后，根据选定的实验项目指导学生进行综合设计，达到对学生的动手、动脑能力进行综合训练的目的。通过这三个循序渐进的实验，在有限的实验时间内，达到对学生动手能力和工程创新能力进行训练的目的。

除了注意实验所使用的教材与教科书有机结合，以免加大学生理解认知难度之外，授课教师还需要增加课堂教学的开放性，遵循以教师为主导、学生为主体的教学观念，鼓励学生积极参加教学内容讨论，拉近师生关系，活跃课堂气氛。将理论课程和课程研究项目、教学过程中存在的相关技术问题和理论问题融于讨论，以学生上台讲演和讨论为教学形式，深入研究探讨各阶段所涉及的知识点及其在工程中的应用，以对具体问题的理论解析和提出解决问题的方法为讨论内容，引导学生积极思考，学会学习、主动学习，综合训练学生能力，提高学生综合运用专业知识来分析、理解和解决本专业及相关行业的理论和实践问题的能力。

（五）利用先进教学手段

工程设计软件应用课程属于应用型课程，需要授课教师在课堂教学中使用多媒体对相关软件使用进行操作，增强学生的感性认识，以提高课堂教学效果。同时学校应根据培养方案及学生需求建立多种媒体构成的立体化教学载体；在学校内部建立网络课程学习网站，包括案例集、习题库、试题库、多媒体课件、在线测试、在线交流等教学辅助资料，为学生的自主学习提供丰富有效的资料。如果学校条件允许，还可以在人工智能、知识工程与数据库技术相结合的基础上，应用大数据分析平台，实时收集和预测学生的兴趣及喜好，有针对性地向学生推送一些工程案例及测试试题，让学生改被动学习为主动学习，找到学习的乐趣，激发学习的欲望。同时利用互联网及现代化的通信手段，方便学生与教师及时沟通，递交最新学习情况；同时教师也可随时掌握学生的学习情况，及时反馈意见，营造教师随时“在线”的效果。

三、结论

工程设计软件应用是一门面向全校工程设计专业学生开设的专业课，其不仅要教会学生各种机械零部件结构特点、工作原理及准确的工程表达，更要提高学生的综合工程应用能力，最大限度地激发学生创新潜能。本文对工程设计软件应用课程改革进行了探讨，以工程实际案例为背景，优化教学内容，建立分层教学的资源库和试题库，强调教师的“教”和学生的“学”应该具有良好的互动性。该方法能够使学生在感性认识的前提下，很好地掌握教学内容，提高自主学习积极性，激发学生探究学习的潜能。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 李延保.我国大学本科教育教学改革的新趋势[J].中国高教研究，2013（7）：19-22.

[2] 张睿，王祖源，王治国.从案例出发 在工科物理教学中对研究性教学开展探索[J].中国大学教学，2013（9）：63-64.

[3] 郭德红.案例教学：历史、本质和发展趋势[J].高等理科教育，2008（1）：22-24.

[4] 张新平，冯晓敏.重思案例教学的知识观、师生观与教学观[J].高等教育研究，2015（11）：64-68.

[5] 王晓川，梁良，季斌.浅析新形势下认知引导在研究生培养中的重要性[J].大学教育，2016（4）：9-11.

[6] 王华荣.以案例教学推动大学课堂教学模式改革的实践与探索[J].中国大学教育，2011（4）：62-64.

[责任编辑：刘凤华]