力学课程群案例式教学应用研究——以车辆工程专业为例

覃 玄，郝 琪，章 菊

力学课程群案例式教学应用研究——以车辆工程专业为例

覃 玄，郝 琪，章 菊

（湖北汽车工业学院 汽车工程学院，湖北 十堰 442002）

面向车辆工程专业开设的力学类课程包含理论力学、材料力学、有限元法基础与应用、计算机辅助工程（CAE）软件应用基础、振动理论，各门课程研究内容层层递进，逐渐深入。文章介绍了突出汽车特色的、贯通整个力学素质培养过程的案例库的建设过程和实施方案。结果表明，多元化的教学模式结合案例式教学，可以提升学生学习兴趣，将学生置身于车辆设计制造的实际问题分析计算中，帮助学生了解车辆工程专业内涵，培养学生工程素养，提升创新能力。

力学课程；案例式教学；车辆工程

案例教学最早由哈佛法学院于1870年率先使用，接着哈佛医学院也开始引进案例教学，经过推广，案例教学法现已在全世界范围产生了广泛而深远的影响。20 世纪80年代，案例教学被引入我国[1]。多年以来，国内外的学者对案例教学进行了大量的研究，并把研究结果应用到实际的教学中，取得了非常好的教学效果。但案例教学多局限于商学、法学以及医学等少数几个领域。21世纪以来，随着科技发展，产教融合逐渐紧密，越来越多的理工科课程开始尝试把恰当的工程实际案例引入到教学中，并围绕着它展开教学，力学相关课程高校教师也做了相应的工作。其中，清华大学的高云峰教授从最简单的力学现象类比与联想、直觉与猜测，让学生了解分析问题的方法，并从这些现象或案例中受到启发，获得超越知识的思维方法和能力[2]；西北工业大学理论力学课题组结合理论力学各部分内容，设计理论联系实际的融合多学科案例库，提升学生中阶力学思维[3]；中国石油大学材料力学在课堂上结合工程案例讲解，并鼓励学生独立思考、自主建立力学模型，进一步通过分组合作完成案例的分析，并提出解决方案的案例教学[4]；东北农业大学以有限元工程结构分析课程为研究对象进行案例教学实践，提出以锻炼专业学位研究生的高级机械设计和分析能力、运用计算机设计创新能力的课程教学目标[5]。实践证明，案例教学可有效增强和提高学生自学能力。

本校车辆工程专业开设的力学课程包括理论力学、材料力学、有限元法基础与应用、计算机辅助工程（Computer Aided Engineering, CAE）软件应用基础、振动理论，依次开设于大二上下两学期和大三上下两学期，各门课程研究内容层层递进，逐渐深入，包含了汽车相关零部件设计过程需要用到的静力分析、运动分析、结构设计、振动特性。随着工程教育专业认证在全国范围内开展，本校力学课程面向的车辆工程通过了工程教育专业认证，力学案例式教学以工程为先导，以问题为基础，以学生为主体，以教师为主导的教育原则，与成果导向教育（Outcome-Based Edu- cation, OBE）教学改革理念高度一致，规范案例教学形式，建设以车辆零部件相关工程案例为主的可共享力学案例库，线下课堂、翻转课堂、课外课堂开展“三堂融合”多元化教学模式，可以最大限度提升学生学习效果，助力学生了解本专业内涵，培养学生工程素养，提升创新能力。

力学课题组通过案例本身所富含的丰富设计元素，将相同工程设计案例的不同层次服务于多门课程，提高了案例式教学的效率，有利于提高学生问题的多层次、全面性思维模式的培养，同时也有利于教师对问题的深入挖掘。

1 案例建设方案

1.1 案例库的建设

案例教学最重要的是案例库的建设，素材的搜集结合教师科研项目、学生主动参与两方面开展。

1）基于实际问题的汽车特色案例素材。力学课题组老师近年来通过与企业合作开展项目研究和对企业人员进行CAE分析软件的培训，与部分企业建立了紧密联系，通过实地工厂走访，搜集大量的现场图片和案例。同时，通过毕业设计和指导研究生，与毕业校友也保持了联系，定期对从事相关行业的毕业校友进行动态跟踪，获取相关工程问题及解决方案。案例搜集过程中结合课程的高阶性、创新性、挑战度要求，重点关注现代工程问题中的多学科融合问题，体现学科的交叉性和前沿性，培养学生的综合应用能力，树立大国工匠精神。

2）基于日常生活的案例库素材。校园里存在着大量的力学素材，行驶中的汽车，运动中的足球，新建的建筑物，处处都隐含着丰富的力学知识，通过“随手拍发现力学问题”的活动，鼓励学生发现身边的力学知识，教师结合教学目标和任务对案例进行整理归纳，重点强调利用所学知识解释某些现象，体现力学的基础性，培养学生发现问题、分析问题以及科学思维的能力。

力学课题组根据素材类型特点，将案例库设定为综合案例库和基础案例库。综合案例库主要应用于后续的有限元应用基础和CAE软件应用基础等课程，在学生具备一定的力学分析能力之后，帮助其建立力学思维体系，为汽车相关结构设计全过程的系统化案例，从问题的提出到分析，以及最终问题的解决均要符合工程要求，深挖其设计－分析－应用中的力学元素。实施方式采用“以学生为中心”的小组协作教学模式，完成过程中需要学生根据课程特点使用MATLAB、ANSYS等计算分析软件。基础案例库应用范围主要是理论力学和材料力学两门力学基础课程，包含了受力分析、运动分析、构件的基本变形形式分析，以及研究对象的强度和刚度分析，通常以知识点的传授为设计目标，以例题的形式开展，在学习完某个章节的特定知识点之后进行分析，是对理论教学内容的补充和解释，为后续综合案例库的开展打基础，其素材形式和类型不局限于工程问题，可以是任何学生感兴趣的力学问题，也可以是综合案例库的某一个环节。部分案例库内容如表1所示，力学类课程群案例库的基本构架如图1所示。

表1 部分案例库内容

注：NVH全称Noise, Vibration, Harshness，即噪音、振动和声振粗糙度。

1.2 案例设计思路

力学类课程群的多门课程案例根据知识点构成的不同各有侧重，在设计案例的过程中力学教研室不同课程的授课教师通过开会、研讨等方式，整理案例中包含的所有力学知识点，与课程知识点进行点对点对应。以某重型载货汽车车架设计分析为例，该案例涉及到理论力学课程中的模型的建立和简化、振动分析材料力学课程中的强度和位移分析，有限元基础与应用、CAE软件应用基础课程中的利用有限元法进行静态、动态性能分析，模态分析和优化设计，最终完成全过程分析研究。具体分析流程如图2所示。在理论力学课程第二章受力物体的受力分析中，以车架为分析对象，结合所学知识，分析其约束特点、载荷形式，初步建立车架的力学模型，在材料力学第四、五、六章弯曲内力、应力、变形中均以理论力学建立的车架力学模型为分析对象，分析其结构特点，进行强度和刚度的分析，完成选型和选材，在有限元分析课程中则以前面所学基础完成车架的计算模型建立和结果计算分析，包括强度、刚度等分析，并结合理论知识提出优化方案。

图2 重型载货汽车车架设计分析

2 案例式教学实施方案

案例教学的最终目的是实现教学效果最大化，提升学生理论联系实际的能力，案例教学不可以独立于知识点之外，在课堂教学实施的过程中需要综合考虑理论知识的输出和实际问题的分析，综合以上因素，各门课程均结合线下课堂、翻转课堂、课外课堂进行“三堂融合”开展案例驱动互动式教学过程。线下课堂教师的主要任务是帮助学生梳理知识点，案例以基础案例为主，老师提出现象，引导学生发现问题，由学生进行问题的陈述，培养学生解决问题的规范性、思考的逻辑性，最后共同解决问题，案例实施周期一般为1至2个学时；翻转课堂老师和学生角色互换，由学生主导课程进行，案例教学实施过程如图3所示，具体实施步骤包括：1）给学生分组，学生在课前以小组为单位学习慕课，根据班级学生总人数分配，按照5至7人配置小组成员；2）基于学习通发布案例材料，学生以案例里的问题出发点查阅文献，包括当前的主流方案，存在的问题等，必要时进行建模、仿真和验证，或进行PPT展示，其余学生和老师一起提问或质疑；3）课堂上老师抛出设计好的问题，让学生组讨论，每组选一位或两位代表对这些问题进行讲解；4）教师总结案例相关知识点，案例实施周期为1到2周。课外课堂主要是传统课堂和翻转课堂的补充，学生在任何时候有任何问题，通过线上实时讨论发布，教师和学生共同参与讨论，邀请工厂技术人员参与，从实际工程的角度进行讲座。

图3 案例教学实施过程

3 教学成效

课题组综合考虑车辆工程专业特色，构建了一站式的力学案例库，实现了力学课程体系的贯通化，结合以学生为中心的教学实施方案和教学评价模式，取得了一定的教学成效，具体表现在：1）提高了学生的研究热情，充分调动学生学习的主观能动性。通过贯穿式的案例教学，帮助学生了解了力学课程的内涵，改变力学课程在学生心目中内容抽象、全是公式的刻板印象。2）培养了学生科学的思维方法、提高了分析和解决工程实际问题的能力。案例式教学提前将学生置身于实际工程问题中，学生从材料力学课程的初步分析，到有限元课程的仿真计算，对于工程问题的分析逐渐深入。同时，对于学生完成高质量的毕业论文具有一定的帮助。3）帮助教师克服因学时减少给教学带来的不利影响。力学课程课时近年来逐步减少，采用以工程实际案例为核心进行教学时，因为学生在上课之前，已经对案例做了充分的调查研究。因此，教师可以根据实际情况，对学生掌握较好的内容，点到为止。对于学生掌握不好的内容，教师可以集中精力组织学生进行分析、讨论、研究，大大节省了上课时间。4）实现课程思政有机融合。课题组教师充分挖掘案例中思政元素，形成以典型工程、科学研究为主的课程思政教学资源，将专业内容与课程思政有机结合，通过工程案例的讲解可以自然的延伸到科学技术发展历程、工业生产重大事故、国家科学发展总体仿真路线等方面进而激发学生的爱国主义情怀，树立正确的价值观，培养工匠精神。

4 结语

案例库的建设和案例式教学实现了力学课程的串联，案例分析结合了工程中新材料、汽车轻量化、机械结构等多学科内容，体现了新工科思想，同时通过案例的首尾呼应，形成呼应式的教学手段：教学线上、线下呼应（小组方案）；工程、力学理论、专业呼应；视频、公式、仿真呼应。课题组将不断完善、及时更新案例素材，将案例式教学效果不断扩大，形成典型。

[1] 夏文颖,顾兵,黄珮珺,等.案例式教学在我国医学教育中的应用进展[J].西北医学教育,2011,19(5):923-925.

[2] 高云峰.如何在教学中培养学生的思维和能力(1):观察与思考[J].力学与实践,2022,44(3):651-656.

[3] 张娟.基于进阶式力学思维培养的理论力学教学研究[J].力学与实践,2022,44(4):947-954.

[4] 林红,杨蕾,钮瑞艳.基于案例驱动式材料力学课程教学的探索与实践[J].教育教学论坛,2017(19):167-168.

[5] 尚家杰,刘宏新,郭丽峰,等.专业学位研究生有限元工程结构分析案例教学研究与实践[J].高等农业教育,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，硕士，讲师，研究方向为力学教学，E-mail:1035987687@qq.com。

湖北汽车工业学院课程思政教育教学改革研究专项课题（21mdsz09）。