基于“板料成形CAD/CAE4”课程项目式混合教学改革的探索
刘华 刘红生 尤芳怡
[摘 要] 针对当前板料成形CAD/CAE课程面临的主要问题及挑战，对专业课程进行了改革。基于OBE能力培养和工作过程系统化的理念，对原课程教学内容重构，将基础知识、工具性知识移至线上平臺，以节省教学时间，而专业知识和综合性知识则主要放在课堂教学完成。重新选择工程零件制定综合性项目，以提高学生创新能力和解决复杂工程问题的能力。在课堂教学模式中采用翻转课堂、对分课堂等多种形式进行混合式教学。通过上述改革措施，学生能力得到提高，教学质量有所提升。
[关键词] 项目式教学;板料成形;混合教学;CAE技术
[基金项目] 2020年度华侨大学创新创业教育改革立项项目“基于‘互联网+新背景下创新能力培养的creo三维建模课程教材改革”（校就创〔2020〕3号）;2020年度华侨大学新工科示范课程建设立项项目“三维建模及应用”（教〔2020〕74号）;2020年度华侨大学虚拟仿真实验教学培育项目“多能场辅助高强度钢板热冲压成形技术虚拟仿真实验”（设备〔2020〕7号） [作者简介] 刘 华（1977—），男，河南许昌人，硕士，华侨大学机电及自动化学院讲师，主要从事金属塑性成形工艺及有限元优化分析;刘红生（1975—），男，江西峡江人，博士，华侨大学机电及自动化学院教授，主要从事高强钢冲压成形工艺与理论;尤芳怡（1971—），女，福建泉州人，博士，华侨大学机电及自动化学院副教授，主要从事材料与制造工艺、模具设计与制造等方面的教学研究。
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2021）20-0061-04 [收稿日期] 2021-03-01
一、前言
板料成形CAD/CAE课程是材料成形与控制工程专业的一门重要的专业核心课，在工程中能够缩短模具设计周期、节省成本，是制造业数字化、智能化的必需技术，也是当前大学生参与后续模具课程设计、毕业设计、各类创新大赛、互联网+大赛必须掌握的一项关键技术。熟练操作CAD/CAE软件，已经成为工程设计人员不可或缺的基本能力[1]。当前，此类课程的教学内容和方式主要以建模和有限元理论为基础。结合CAE软件功能教学，学生依照教学步骤完成示范教学模型的建构和CAE分析。通过多年教学发现，在此教学模式下，学生严重缺乏创新思维和创新能力。此外，当前教学还面临学时有限、生师比高、实践教学欠缺、学习兴趣不高、创新能力不足等长期困扰教学的难题。
当前，世界范围内，新一轮的科技革命和产业变革以及席卷全球的新经济的蓬勃发展，对工程教育的改革和发展提出了新的挑战[2]。国内工程认证和新工科建设又对教学质量和人才培养提出了更高的要求[3]。课程现有教学内容及方法等难以体现成果导向、以学生为中心、持续改进的基本理念。为适应这些需求，培养目标、教学内容和教学方式都需要转变，要更加注重提高学生的学习兴趣、学习参与度、学习效果和创新能力培养[4，5]。
为适应时代变化以及国家对高校教学提出的新挑战和新要求，本文针对材料成型与控制工程专业的CAD/CAE系列课程进行了教学改革探索。
二、针对项目式教学的内容再组织
（一）基于项目式教学的内容重构
当前，课程教材基本按照成形理论、成形工艺特点、有限元理论、CAE分析技术等内容编写，没有按照创新能力培养的特点对课程教学内容进行系统、深入研究。成形理论和成形工艺相关知识大多已在“金属塑形成形原理”“材料科学基础”和“冲压模具设计”等课程内讲解;有限元理论部分知识过于枯燥，且需要投入较多的教学时间。这导致CAE分析部分内容只能简单地作为一门计算机辅助软件对其操作逐一讲解，难以进行细致、深入的分析，更加难以对结果进行优化，而这部分恰恰是本课程的核心。因而，使用此类教材学习时，学生仅能完成软件基本功能使用与练习，难以激发学习兴趣，更加难以独立、创新地进行有限元建模分析及优化训练。同时，按照原教材教学，也不能体现作为实践创新能力培养课程的特色，更不能很好地符合当前专业工程认证对创新能力培养的需求。
课题组提出，要进行以培养学生建模思维、激发创新能力为目标的课程改革。新的课程体系中，要根据培养具备工程应用及研究素质复合型工程人才的培养目标，参照创新能力培养方法，将教学知识点全面、系统地进行梳理，对教学内容进行优化整合;同时，基于OBE（outcomes-based education）能力培养要求，将课程知识划为基础知识、专业知识、工具性知识和综合性知识等。依据这四部分知识的不同学习特点和方式教学，将基础知识、工具性知识前移至线上平台，由学生自行完成;课程内侧重专业知识和综合性知识的学习，设置相对应的新型创新能力培养项目。
（二）综合性项目的制定
基于OBE能力培养和工作过程系统化的理念，教学团队将教学内容概括在若干综合项目之内，以典型工作任务为载体，综合成形理论、成形工艺、CAE软件操作技能和专业素养为一体的思路进行设计。项目难度从简单到复杂逐步提高，每一个项目都是一个机械零件的有限元建模到仿真分析的全部过程。其教学内容设置上囊括零件的几何建模、成形工艺、有限元建模、模拟计算及仿真分析、动画等环节。教学内容更加注重以任务驱动学习，学生通过领取任务，在完成任务强烈动机的驱动下自我探索学习，从而成为学习过程的主体。学生在完成任务的过程中，不仅获得了有限元建模所需的基础知识和工具性技能，还掌握了有限元相关专业知识和综合分析能力，能及时看到自己的项目成果和优化结果。
综合项目的选择应该遵循全工作流程、由易到难、由简到繁的原则，每个项目逐步增加专业知识和综合性知识的学习，最终制定10个项目的课程体系（见表1），包括原课程的所有知识点，并结合后续专业课程将产品结构设计、模具结构、工艺知识、工程师素养融入项目任务，以项目驱动创新能力、综合能力的培养。学生通过这些项目的训练，对板料成形的CAE分析基本满足了今后工作中的需要，对模具结构、模面补充、有限元建模、多工序模拟、回弹及回弹补偿和模拟结果优化分析等全过程有一个全面的了解。对于难度较大的项目，在课堂教学时，可采用翻转课堂、对分课堂等形式，由小组协作完成，介绍项目完成及优化过程等，培养学生的团队协作能力。
三、基于互联网+的混合教学方式
以往课程教学将其作为一门计算机软件操作类课程讲述，按照“操作步骤”加“特征练习”等传统软件的课堂教学模式。每节课上，教师利用课件、软件进行知识点的讲解以及示范操作演示，然后学生模仿教师的演示，在电脑上自行练习，教师进行辅导。由于每次课时有限，难以对一个零件从几何模型建立到工程分析的所有环节进行完整教学，而且教师也难以了解每个学生的掌握情况。教师在课堂教学中以“满堂讲”为主，学生学习兴趣低，被动接受教师讲授，缺乏建模思维、主动思考和创新能力的培养。最终导致学生对该门课程的学习内容掌握不系统，很难形成系统的、综合性的工程分析能力，导致课堂教学内容不够深入，培养目标达成度低。
教师与学生的互动交流仅限于课堂环节，对学生知识点的掌握情况了解片面，面对班额40～50个的学生，很难做到全面了解。也就是说，学生课前做不到有效的预习，课后做不到对讲授内容的巩固。
课程改革后，采用线上线下的混合教学模式，将教学知识点以授课视频的形式上传到超星学习通在线课程平台，要求学生课前预习，充分利用线上教学资源完成基础知识、工具性知识的学习。为激发学习兴趣，减轻课前压力，将此类知识点制作为授课短视频（3～6分钟），预习后在线完成选择、判断等客观自测题，并由系统在线实时批改，从而督促和检验学生的预习效果。课堂教学中，侧重专业知识和综合性知识的讲解及项目任务的完成。教师在课堂教学中充分利用线上平台课前预习情况有针对性地开展教学;在综合性项目教学中，选择性地进行个性化的翻转教学，能够对学生操作中遇到的困難和具体问题进行个性化辅导;课后利用线上平台互动，促进学生共享交流、自主式与协作式学习。
这种线上线下相结合的混合教学模式，充分体现了以学生为中心的教育理念，有效提高学习效果，巩固对各类知识点的复习、预习、实操、应用与思考，培养工程分析思维，激发解决工程问题的兴趣，提高有限元建模速度和软件操作技巧。每一项目任务后面，特别安排了课后练习，针对每个项目内容做进一步的拓展，如工艺参数、坯料形状、拉延筋和工艺补充面等优化分析，进一步提升学生的综合专业技能和创新素养。
项目驱动式教学能够很好地激发学生学习兴趣，使学生成为学习主体，为判断自己专业掌握能力提供了有效依据，增强了学习的乐趣，培养了主动思维和创新能力。
同时，可在线上平台开设专栏展示学生的优秀作业，以榜样的力量激发学生的学习兴趣，增加学生对专业的热爱，培养工程素养。平台中为学生提供了多样化的课程学习资源，引导学生自主学习，培养终身学习的意识和自学能力。
四、以能力为导向的全程考核体系
采用线上线下混合教学模式，可以建立一套科学的全程考核评价体系。在该考核体系中，期末考试比例下降至40%，更加侧重学习中的全过程考核。线上可以考核课堂学习情况，还可将考核延伸到课外，涵盖课前预习、课前小测、课堂签到、课堂互动、课中任务达成度、课后作业成绩等内容。通过结果性评价和过程性评价相结合，全面衡量学生掌握知识的程度，促使学生积极主动学习，更注重教学过程中的能力提高。
表2为学习通线上考核评价指标及平时综合成绩，包括观看课程视频、章节测验、章节学习次数、参与讨论、作业完成情况、签到6部分，各部分比例见图1。该考核方式全面考核学生学习过程的每一次行为，极大地激发了学生学习的积极性。
五、结语
通过引入基于OBE能力培养的项目驱动同伴式学习理念，强化师生、生生互动，改革和创新工程教育人才培养模式，可充分调动学生的积极性和创造性。将原来较为独立的知识点概括在若干项目之内，以典型项目为载体，综合专业知识、操作技能和工程素养为一体的思路进行教学设计，项目难度从简单到复杂逐步提高，注重综合性，并融入工程伦理意识与职业素养，提升解决工程问题的综合能力。将基础性、工具性知识前移至线上平台，学生利用线上资源完成预习、自测，可解决课程学时少、教学深度和综合性训练不足的问题。课堂教学注重提升创新能力、综合能力，进行个性化指导，培养创新思维、综合工程能力，以激发学生探索的兴趣。最后，建立以能力为导向的一套全程考核评价体系，以提高学生的综合能力。上述一系列改革措施，在近两年的教学中取得了良好的效果。学生在CAD/CAE方面的创新能力、解决工程问题的综合能力，在后续的课程设计、毕业设计及各类竞赛中都得到了较高认可。
参考文献
[1]吴江霞，梅德清，蔡忆昔.工科专业“CAE应用基础”课程教学模式探索[J].科教文汇（上旬刊），2015（2）：69-70.
[2]林健.新工科专业课程体系改革和课程建设[J].高等工程教育研究，2020（1）：1-13+24.
[3]林健.面向未来的中国新工科建设[J].清华大学教育研究，2017，38（2）：26-35.
[4]俞彦勤，刘辉，邹佳鹏.模具CAD/CAE/CAM一体化教学实验研究[J].实验技术与管理，2019，36（3）：210-213.
[5]尤芳怡，李远，刘晓梅，等.基于OBE及多维框架下的《机械制造技术基础》混合金课建设[J].高教学刊，2020（4）：24-26.
Exploration on the Project-based Mixed Teaching Reform Based on the Course of Sheet Metal Forming CAD/CAE4
LIU Hua， LIU Hong-sheng， YOU Fang-yi
（College of Mechanical Engineering and Automation， Huaqiao University， Xiamen， Fujian 361021， China）
Abstract：
In view of the main problems and challenges of Sheet Metal Forming CAD / CAE course， the professional course is reformed. Based on the concept of OBE ability training and working process systematization， the original course teaching content is reconstructed， basic knowledge and instrumental knowledge are moved to the online platform to save teaching time， while professional knowledge and comprehensive knowledge are mainly completed in classroom teaching. In order to improve the students" innovation ability and the ability to solve complex engineering problems， a comprehensive project was made by re-selecting engineering parts. In the classroom teaching mode， flipped classroom， split classroom and other forms of mixed teaching are adopted. Through the above reform measures， students" ability and teaching quality have been improved.
Key words：
project-based teaching; sheet metal forming; mixed teaching; CAE technique
