CAE课程教学方法改革与创新探讨

摘要：计算机辅助工程（CAE）是机械类专业学生一门重要的专业基础课。文章根据笔者在CAE教学过程中的实践和经验，分析了目前CAE教学中存在的一些问题，并提出了CAE教学方法改革与创新的一些建议，为CAE课程的教学改革提供了思路与参考。

关键词：CAE 教学方法 改革 创新

计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）是以数值算法、计算机图形学以及数字化信息技术为基础的一项新兴技术，是现代工程设计领域的先进设计方法之一[1]。目前，大多数高校都已开设了CAE课程，主要面向机械类专业学生，通过该课程的学习，要求学生具备一定的理论基础，掌握相关应用软件，培养学生分析问题、解决问题的能力，为日后从事相关工作打好基础。作者近年来一直从事CAE教学工作，通过课堂教学、上机实践教学以及与学生的沟通和交流发现，该课程的教学往往不能达到预期效果，教学过程中存在一些亟待解决的问题，教学方法有待于改革与创新，为此，作者已在实际教学过程中做了相关的探索与尝试，且取得了较好的效果。

1 目前CAE教学中存在的问题

CAE是机械类专业学生非常重要的一门专业技术课，与其它专业课程相比，CAE在数学基础上对学生的要求明显较高，涉及微分方程求解、矩阵运算、行列式特征值问题等诸多数学知识[3]；同时，在计算机操作方面对学生也有较高要求，学习该课程前要求学生对计算机的系统组成、软件及硬件都要有一定了解，为CAE软件的上机实践做好准备。

①课时安排不合理，理论课与实践课的课时分配存在矛盾。很多授课教师认为CAE课程就是教学生学习几个应用软件，理论方面的知识都是次要的，所以一些教师在修订大纲时就将课时主要集中在上机实践方面，而理论课则只分配很少的学时。就拿作者所在的机电工程系来说，《有限元基础》这门课一共只有32个课时，其中理论授课8课时，上机实践24课时，这种分配方式显然不合理。理论是基础，基础永远是最重要的，只有打好基础才可能在实践上得心应手，要想在短短8课时内讲清楚有限元方面的主要知识几乎是不可能的。

②授课教师专业知识积累不够，业务水平有待于进一步提高。CAE课程的相关理论知识比较抽象，不仅是学生，甚至有些教师也觉得枯燥难懂。作者在教学中发现，教师的业务水平参差不齐，特别是一些年轻教师，在理论教学和实践教学方面的专业知识明显欠缺，比如“模态”这个概念，有的教师自身都说不清楚，试问如何能教好学生？有的教师对CAE软件不够熟悉，有时候甚至连软件的破解和安装都不会，这样的水平怎么来指导学生上机实践呢？

③教学模式过于自主化，缺乏与学生的互动、交流。由于CAE课程涉及许多数学及力学方面的知识，所以公式的推导及相关的理论计算是在所难免的，这就使得一些教师在授课过程中往往只专注于自己头脑中的思路，而忽略了学生的接受能力，不能和学生进行良好的互动与交流。例如有的教师在讲授多自由度系统振动方程这一章节时，满满一黑板写得全是微分方程和矩阵运算，将大量的精力与时间都用在枯燥的数学计算上，教学效果可想而知。

④CAE盗版软件漏洞较多，严重影响上机实践教学。上机实践是CAE课程学习的一个重要环节，目前高校使用的CAE软件大多都是来源于盗版，这样的软件往往会在上机实践教学中出现这样或那样的问题，严重影响实践教学效果。比如美国PTC公司的Pro/E软件，将其盗版安装在网络机房也可以供教学使用，但问题是这个软件自身的实体很大，在网络教学过程中如果鼠标操作较快就会直接死机，有的学生在上机过程中甚至会遇到软件莫名其妙地自行关闭，这些都是作者在上机实践教学过程中所亲身经历的。

2 几点建议

①理论为辅，实践为主，提高学生对于CAE基础理论学习的积极性。CAE课程的理论部分涉及许多数学知识且比较枯燥，笔者在教学过程中发现大多数学生都对CAE理论不感兴趣，有的学生甚至学完有限元这门课后还不知道什么是单元、节点、自由度等概念。这样的教学效果显然是不符合教学大纲要求的，同时对于学生养成良好的学习习惯，培养学生扎实的专业基础功底都是不利的。另外，应该将CAE课程总课时增加至64个，其中理论课不少于26个，只有这样，才能将CAE基础理论较为系统地讲清楚。

笔者在教学过程中尝试理论为辅，实践为主的教学模式，即打破以往的理论教学与实践教学分开进行的惯性授课方式，将每次两个课时一分为二，第一节课采用理论教学，第二节课则根据第一节课所讲知识有针对性地上机实践，在实践中发现问题，理解相关理论难点。通过上机操作可以很好地巩固上节课所学的理论知识，这样就将理论教学与上机实践有机地衔接了起来，增强了学生对于CAE基础理论知识的认识与理解，学懂了自然就有了兴趣，而兴趣则是最好的老师。实践证明这种理论为辅，实践为主的教学方式对于提高学生的学习主动性有很大帮助，教学效果良好。

②采用启发式教学，加强师生互动，注重培养学生分析问题、解决问题的能力。同其它课程教学一样，启发式教学在CAE课程教学中也能起到很好的效果。笔者在讲解Ansys常用单元这部分内容时，就以教学楼的框架结构为引导，如讲到梁单元Beam3、Beam4时可以将教室顶部的横梁作为启发对象；讲到面单元Plane42时可以将教学楼的墙壁作为启发对象，这种形象化的启发式教学不仅可以激发学生的学习兴趣，而且还能对所学知识加深印象和记忆。

③引入教育版CAE软件，加强教师专业技能培训，提高教师的指导水平。工欲善其事，必先利其器。目前很多CAE软件都有针对教学使用的教育版，费用也不贵，但是很多高校好像对其都不置可否，所以如何将正版CAE教学软件引入课堂，树立正确的版权意识，保证CAE上机实践教学取得良好的效果，也是目前CAE教学过程中需要思考和解决的重要问题之一。

目前CAE软件的版本更新速度很快，比如SolidWorks和Pro/E这两种软件，基本上每年都会发布一个新的版本，每次版本更新都会对软件结构有所调整同时增加一些新的功能，比如SolidWorks软件，09版以前的仿真分析模块统称为COSMOS，但从09版开始SolidWorks的仿真分析模块更名为Simulation[2]。所以笔者认为，作为教师必须树立终生学习的意识，及时更新相关的专业知识，努力提高自身的业务水平。在引入正版的教育软件之后，一定要对授课教师进行系统地培训，使教师首先能够较为熟练地掌握CAE软件，最好是能够取得相关的技能证书，只有教师的水平提高了，才能更好地指导学生。

④开设CAE课程设计，通过设计实例巩固所学基础知识，进一步提升学生对软件的学习兴趣和应用能力。 软件的学习是CAE课程教学中的重点，如何让学生熟练地掌握相关应用软件，将上机过程中所学到的技能应用于实践，是CAE教学的重中之重。笔者在教学过程中尝试增设课程设计环节，课程设计题目可以从不同角度来出，比如实体造型、有限元分析、机构学仿真、参数化设计等，通过课程设计可以引导学生将所学理论知识应用于实践，同时也可以巩固和提高学生对于软件的掌握能力。笔者在指导课程设计的过程中发现，很多学生都对课程设计的内容表现出极大的兴趣，相互之间都能够积极交流和讨论软件的操作技巧，在完成课程设计之后，许多学生都反映良好，感觉自己的理论知识和软件操作水平有了明显提高。

3 结束语

目前，CAE已成为工程设计领域必不可少的分析手段，国内外很多企业在产品投产前都要有CAE报告。加强CAE课程教学方法的改革与创新，为企业培养出合格的CAE人才，是目前各大高校教学改革过程中的重要环节之一。经过近年来对于CAE教学改革的思考与探索，笔者对于本文所述的教学改革方法进行了尝试，实践证明效果良好，在一定程度上提高了CAE课程的教学质量，同时也为今后进一步的CAE课程教学改革与创新提供了参考和思路。

参考文献：

[1]高伟强，阎秋生，秦哲.“CAD/CAM/CAE课程综合训练”教学的实践与探讨[J].广东工业大学学报，2004（4）：182-184.

[2]张先勇，冯进，汪建华.CAD/CAE软件实践课程设计的改革与创新探讨[J].中国电力教育，2009（141）：158-159.

[3]王婧，刘扬松.机械专业学生CAD/CAM/CAE现场实战能力培训探讨[J].科技信息，2009（17）：787.

[4]刘广君.CAD/CAM/CAE技术概论选修课教学的实践与思考[J].中国现代教育装备，2009（14）：62-64.

作者简介：

王磊（1984-），男，学士学历，商洛职业技术学院机电工程系专职教师，主要研究方向：CAD/CAE/CAM、机械系统动态设计与仿真。