覃 玄，郝 琪，章 菊

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

覃 玄，郝 琪，章 菊

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

面向車輛工程專業(yè)開設(shè)的力學(xué)類課程包含理論力學(xué)、材料力學(xué)、有限元法基礎(chǔ)與應(yīng)用、計算機輔助工程（CAE）軟件應(yīng)用基礎(chǔ)、振動理論，各門課程研究內(nèi)容層層遞進，逐漸深入。文章介紹了突出汽車特色的、貫通整個力學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)過程的案例庫的建設(shè)過程和實施方案。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)生置身于車輛設(shè)計制造的實際問題分析計算中，幫助學(xué)生了解車輛工程專業(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)院也開始引進案例教學(xué)，經(jīng)過推廣，案例教學(xué)法現(xiàn)已在全世界范圍產(chǎn)生了廣泛而深遠的影響。20 世紀80年代，案例教學(xué)被引入我國[1]。多年以來，國內(nèi)外的學(xué)者對案例教學(xué)進行了大量的研究，并把研究結(jié)果應(yīng)用到實際的教學(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)幾個領(lǐng)域。21世紀以來，隨著科技發(fā)展，產(chǎn)教融合逐漸緊密，越來越多的理工科課程開始嘗試把恰當(dāng)?shù)墓こ虒嶋H案例引入到教學(xué)中，并圍繞著它展開教學(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單的力學(xué)現(xiàn)象類比與聯(lián)想、直覺與猜測，讓學(xué)生了解分析問題的方法，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)計理論聯(lián)系實際的融合多學(xué)科案例庫，提升學(xué)生中階力學(xué)思維[3]；中國石油大學(xué)材料力學(xué)在課堂上結(jié)合工程案例講解，并鼓勵學(xué)生獨立思考、自主建立力學(xué)模型，進一步通過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)分析課程為研究對象進行案例教學(xué)實踐，提出以鍛煉專業(yè)學(xué)位研究生的高級機械設(shè)計和分析能力、運用計算機設(shè)計創(chuàng)新能力的課程教學(xué)目標(biāo)[5]。實踐證明，案例教學(xué)可有效增強和提高學(xué)生自學(xué)能力。

本校車輛工程專業(yè)開設(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、計算機輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）軟件應(yīng)用基礎(chǔ)、振動理論，依次開設(shè)于大二上下兩學(xué)期和大三上下兩學(xué)期，各門課程研究內(nèi)容層層遞進，逐漸深入，包含了汽車相關(guān)零部件設(shè)計過程需要用到的靜力分析、運動分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、振動特性。隨著工程教育專業(yè)認證在全國范圍內(nèi)開展，本校力學(xué)課程面向的車輛工程通過了工程教育專業(yè)認證，力學(xué)案例式教學(xué)以工程為先導(dǎo)，以問題為基礎(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)以車輛零部件相關(guān)工程案例為主的可共享力學(xué)案例庫，線下課堂、翻轉(zhuǎn)課堂、課外課堂開展“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)課題組通過案例本身所富含的豐富設(shè)計元素，將相同工程設(shè)計案例的不同層次服務(wù)于多門課程，提高了案例式教學(xué)的效率，有利于提高學(xué)生問題的多層次、全面性思維模式的培養(yǎng)，同時也有利于教師對問題的深入挖掘。

1 案例建設(shè)方案

1.1 案例庫的建設(shè)

案例教學(xué)最重要的是案例庫的建設(shè)，素材的搜集結(jié)合教師科研項目、學(xué)生主動參與兩方面開展。

1）基于實際問題的汽車特色案例素材。力學(xué)課題組老師近年來通過與企業(yè)合作開展項目研究和對企業(yè)人員進行CAE分析軟件的培訓(xùn)，與部分企業(yè)建立了緊密聯(lián)系，通過實地工廠走訪，搜集大量的現(xiàn)場圖片和案例。同時，通過畢業(yè)設(shè)計和指導(dǎo)研究生，與畢業(yè)校友也保持了聯(lián)系，定期對從事相關(guān)行業(yè)的畢業(yè)校友進行動態(tài)跟蹤，獲取相關(guān)工程問題及解決方案。案例搜集過程中結(jié)合課程的高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度要求，重點關(guān)注現(xiàn)代工程問題中的多學(xué)科融合問題，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，樹立大國工匠精神。

2）基于日常生活的案例庫素材。校園里存在著大量的力學(xué)素材，行駛中的汽車，運動中的足球，新建的建筑物，處處都隱含著豐富的力學(xué)知識，通過“隨手拍發(fā)現(xiàn)力學(xué)問題”的活動，鼓勵學(xué)生發(fā)現(xiàn)身邊的力學(xué)知識，教師結(jié)合教學(xué)目標(biāo)和任務(wù)對案例進行整理歸納，重點強調(diào)利用所學(xué)知識解釋某些現(xiàn)象，體現(xiàn)力學(xué)的基礎(chǔ)性，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題以及科學(xué)思維的能力。

力學(xué)課題組根據(jù)素材類型特點，將案例庫設(shè)定為綜合案例庫和基礎(chǔ)案例庫。綜合案例庫主要應(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，為汽車相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計全過程的系統(tǒng)化案例，從問題的提出到分析，以及最終問題的解決均要符合工程要求，深挖其設(shè)計－分析－應(yīng)用中的力學(xué)元素。實施方式采用“以學(xué)生為中心”的小組協(xié)作教學(xué)模式，完成過程中需要學(xué)生根據(jù)課程特點使用MATLAB、ANSYS等計算分析軟件?；A(chǔ)案例庫應(yīng)用范圍主要是理論力學(xué)和材料力學(xué)兩門力學(xué)基礎(chǔ)課程，包含了受力分析、運動分析、構(gòu)件的基本變形形式分析，以及研究對象的強度和剛度分析，通常以知識點的傳授為設(shè)計目標(biāo)，以例題的形式開展，在學(xué)習(xí)完某個章節(jié)的特定知識點之后進行分析，是對理論教學(xué)內(nèi)容的補充和解釋，為后續(xù)綜合案例庫的開展打基礎(chǔ)，其素材形式和類型不局限于工程問題，可以是任何學(xué)生感興趣的力學(xué)問題，也可以是綜合案例庫的某一個環(huán)節(jié)。部分案例庫內(nèi)容如表1所示，力學(xué)類課程群案例庫的基本構(gòu)架如圖1所示。

表1 部分案例庫內(nèi)容

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

1.2 案例設(shè)計思路

力學(xué)類課程群的多門課程案例根據(jù)知識點構(gòu)成的不同各有側(cè)重，在設(shè)計案例的過程中力學(xué)教研室不同課程的授課教師通過開會、研討等方式，整理案例中包含的所有力學(xué)知識點，與課程知識點進行點對點對應(yīng)。以某重型載貨汽車車架設(shè)計分析為例，該案例涉及到理論力學(xué)課程中的模型的建立和簡化、振動分析材料力學(xué)課程中的強度和位移分析，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行靜態(tài)、動態(tài)性能分析，模態(tài)分析和優(yōu)化設(shè)計，最終完成全過程分析研究。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，以車架為分析對象，結(jié)合所學(xué)知識，分析其約束特點、載荷形式，初步建立車架的力學(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)建立的車架力學(xué)模型為分析對象，分析其結(jié)構(gòu)特點，進行強度和剛度的分析，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)完成車架的計算模型建立和結(jié)果計算分析，包括強度、剛度等分析，并結(jié)合理論知識提出優(yōu)化方案。

圖2 重型載貨汽車車架設(shè)計分析

2 案例式教學(xué)實施方案

案例教學(xué)的最終目的是實現(xiàn)教學(xué)效果最大化，提升學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力，案例教學(xué)不可以獨立于知識點之外，在課堂教學(xué)實施的過程中需要綜合考慮理論知識的輸出和實際問題的分析，綜合以上因素，各門課程均結(jié)合線下課堂、翻轉(zhuǎn)課堂、課外課堂進行“三堂融合”開展案例驅(qū)動互動式教學(xué)過程。線下課堂教師的主要任務(wù)是幫助學(xué)生梳理知識點，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)問題，由學(xué)生進行問題的陳述，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的規(guī)范性、思考的邏輯性，最后共同解決問題，案例實施周期一般為1至2個學(xué)時；翻轉(zhuǎn)課堂老師和學(xué)生角色互換，由學(xué)生主導(dǎo)課程進行，案例教學(xué)實施過程如圖3所示，具體實施步驟包括：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)生以案例里的問題出發(fā)點查閱文獻，包括當(dāng)前的主流方案，存在的問題等，必要時進行建模、仿真和驗證，或進行PPT展示，其余學(xué)生和老師一起提問或質(zhì)疑；3）課堂上老師拋出設(shè)計好的問題，讓學(xué)生組討論，每組選一位或兩位代表對這些問題進行講解；4）教師總結(jié)案例相關(guān)知識點，案例實施周期為1到2周。課外課堂主要是傳統(tǒng)課堂和翻轉(zhuǎn)課堂的補充，學(xué)生在任何時候有任何問題，通過線上實時討論發(fā)布，教師和學(xué)生共同參與討論，邀請工廠技術(shù)人員參與，從實際工程的角度進行講座。

圖3 案例教學(xué)實施過程

3 教學(xué)成效

課題組綜合考慮車輛工程專業(yè)特色，構(gòu)建了一站式的力學(xué)案例庫，實現(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)實施方案和教學(xué)評價模式，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)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性。通過貫穿式的案例教學(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際問題的能力。案例式教學(xué)提前將學(xué)生置身于實際工程問題中，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算，對于工程問題的分析逐漸深入。同時，對于學(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時減少給教學(xué)帶來的不利影響。力學(xué)課程課時近年來逐步減少，采用以工程實際案例為核心進行教學(xué)時，因為學(xué)生在上課之前，已經(jīng)對案例做了充分的調(diào)查研究。因此，教師可以根據(jù)實際情況，對學(xué)生掌握較好的內(nèi)容，點到為止。對于學(xué)生掌握不好的內(nèi)容，教師可以集中精力組織學(xué)生進行分析、討論、研究，大大節(jié)省了上課時間。4）實現(xiàn)課程思政有機融合。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)容與課程思政有機結(jié)合，通過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、國家科學(xué)發(fā)展總體仿真路線等方面進而激發(fā)學(xué)生的愛國主義情懷，樹立正確的價值觀，培養(yǎng)工匠精神。

4 結(jié)語

案例庫的建設(shè)和案例式教學(xué)實現(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、汽車輕量化、機械結(jié)構(gòu)等多學(xué)科內(nèi)容，體現(xiàn)了新工科思想，同時通過案例的首尾呼應(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、及時更新案例素材，將案例式教學(xué)效果不斷擴大，形成典型。

[1] 夏文穎,顧兵,黃珮珺,等.案例式教學(xué)在我國醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用進展[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)與實踐,2022,44(3):651-656.

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

[4] 林紅,楊蕾,鈕瑞艷.基于案例驅(qū)動式材料力學(xué)課程教學(xué)的探索與實踐[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，研究方向為力學(xué)教學(xué)，E-mail:1035987687@qq.com。

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