汽車有限元類課程教學(xué)改革研究

周長峰

我國汽車工業(yè)的發(fā)展已經(jīng)從引進(jìn)吸收轉(zhuǎn)變?yōu)橐宰灾鲃?chuàng)新為主，汽車產(chǎn)品的設(shè)計、分析、優(yōu)化等日益受到重視，汽車有限元類課程的任務(wù)，除了使學(xué)生掌握有限元基本理論和分析汽車零部件性能外，更重要的是對現(xiàn)有產(chǎn)品以及將來的產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，這就對高等學(xué)校汽車有限元類課程的教學(xué)提出新的要求，因此有限元類課程的教學(xué)內(nèi)容需要進(jìn)行精煉，新的理論方法需要進(jìn)行補(bǔ)充，不同的教學(xué)模式需要進(jìn)行嘗試，多樣化的考核方式需要進(jìn)行實踐。

1 汽車有限元類課程教學(xué)改革研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)多所高等學(xué)校對汽車有限元類課程進(jìn)行了改革研究，常熟理工學(xué)院汽車工程學(xué)院胡順安在車輛結(jié)構(gòu)有限元課程教學(xué)中成立了教學(xué)改革小組，在軟硬件方面大力建設(shè)，并積極聯(lián)系企業(yè)參與教學(xué)改革。在教學(xué)過程中，有限元分析對象都來自行業(yè)內(nèi)的汽車零部件，通過故障件和臺架對比等方式展開試驗教學(xué)。課題組積極規(guī)劃和探索教學(xué)試驗課程，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，增加學(xué)習(xí)該課程的樂趣。鄭州輕工業(yè)學(xué)院曹陽在傳統(tǒng)教學(xué)方法的基礎(chǔ)上，針對有限元分析課程兼具理論性和實踐性的特點(diǎn)，對機(jī)械類本科專業(yè)課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行了探討，適當(dāng)減少理論教學(xué)內(nèi)容比重，并將有限元軟件引入課堂，注重培養(yǎng)學(xué)生解決實際工程問題的能力，促進(jìn)學(xué)生對相關(guān)理論的理解和吸收。海南大學(xué)劉燕霞以車輛CAE 技術(shù)的教學(xué)改革與實踐為切入點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)了課程的重要性，闡述了課程的特點(diǎn)，同時，分析了目前課程所存在的問題，即課程學(xué)時少、內(nèi)容多，教學(xué)手段、方法及考核方式不合理等。并針對這些問題，提出了改革的措施與實踐方法，取得了一定的效果。廣西工學(xué)院韋志林針對汽車現(xiàn)代設(shè)計方法進(jìn)行教學(xué)改革研究。該課程是車輛工程專業(yè)本科生應(yīng)掌握的技術(shù)，而現(xiàn)代設(shè)計法的內(nèi)容很廣泛，課題組根據(jù)企業(yè)對人才的需求，將課程的重點(diǎn)內(nèi)容放在有限元法和優(yōu)化設(shè)計方面，在有限的學(xué)時內(nèi)使學(xué)生掌握一定的先進(jìn)技術(shù)，取得了較好的教學(xué)效果。中南大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院高廣軍為適應(yīng)車輛強(qiáng)度有限單元法課程發(fā)展的需要，制定了適合該校特點(diǎn)的課程教學(xué)大綱和實驗教學(xué)大綱，車輛強(qiáng)度有限單元法課程教學(xué)團(tuán)隊制作了該課程的多媒體課件，通過幾年的教學(xué)實踐取得了良好的效果。

2 有限元類課程教學(xué)過程中的問題

2.1 教學(xué)方法單一

目前汽車有限元課程教學(xué)，以教師講授理論知識為主、實踐為輔的教學(xué)模式，有限元類課程涉及內(nèi)容廣泛、概念多、公式量大，很多學(xué)生跟不上教師的講解，限于進(jìn)度教師又不能停滯不前，在連續(xù)幾堂課學(xué)習(xí)后，學(xué)生易形成課程內(nèi)容消化不良、實際學(xué)習(xí)效果差的問題。通過與學(xué)生交流得知，學(xué)生普遍反映該類課程難度大、理論深、公式多且表述過于抽象，嚴(yán)重影響學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望和學(xué)習(xí)效果，不能有效達(dá)成預(yù)期學(xué)習(xí)目標(biāo)，這也反映出單純由老師講授，學(xué)生跟隨學(xué)習(xí)的教學(xué)方法，很難滿足有限元類課程的建設(shè)要求。

2.2 教學(xué)內(nèi)容未跟蹤先進(jìn)汽車技術(shù)的發(fā)展

在傳統(tǒng)的有限元教學(xué)實踐當(dāng)中，主要選擇齒輪、各種軸等零部件的強(qiáng)度和模態(tài)進(jìn)行仿真教學(xué)，在新技術(shù)方面涉及較少?，F(xiàn)在汽車的設(shè)計越來越傾向于高性能、輕量化方向發(fā)展，汽車零部件的虛擬仿真在汽車零部件開發(fā)過程中起著重要的作用，基本的外形設(shè)計和強(qiáng)度校核是汽車零部件初步設(shè)計的基本步驟，產(chǎn)品外形優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化，才是汽車設(shè)計的核心和關(guān)鍵。隨著山東省新舊動能轉(zhuǎn)換、專業(yè)對接產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，新形勢下考慮產(chǎn)品最優(yōu)化的汽車整車及零部件開發(fā)流程如圖1 所示，優(yōu)化將在新產(chǎn)品的開發(fā)中扮演著舉足輕重的角色，但當(dāng)前的教學(xué)對于汽車企業(yè)最為渴求的零部件優(yōu)化設(shè)計未有涉及，學(xué)生工作時接觸到這一類新問題時，往往表現(xiàn)得束手無策。

3 有限元類課程教學(xué)改革方案設(shè)計

3.1 教學(xué)內(nèi)容的整合與優(yōu)化

3.1.1 精煉核心教學(xué)內(nèi)容

教學(xué)改革并不是對有限元類課程原有教學(xué)內(nèi)容的全盤否定，而是要揚(yáng)棄，教師要面向企業(yè)、同事、已學(xué)過的學(xué)生進(jìn)行調(diào)研，確定理論和實踐教學(xué)的核心內(nèi)容，并且所確定的內(nèi)容組成典型教學(xué)模塊以利教學(xué)實施，精煉教學(xué)內(nèi)容的指導(dǎo)思想就是“能反應(yīng)有限元法的求解思路，能與車輛工程實踐密切結(jié)合，能解釋有限元法應(yīng)用時的常見問題”。

3.1.2 強(qiáng)化上機(jī)實踐教學(xué)

圖1 考慮優(yōu)化的汽車整車及零部件開發(fā)流程

教師要深入企業(yè)采集分析案例，并引入工程試驗加深對有限元法計算結(jié)果的理解。以變速器傳動軸為例，基于傳動軸CAE 模型完成上機(jī)操作教學(xué)，保證每個學(xué)生能在軟件平臺上完成傳動軸的有限元仿真分析，由軟件觀察傳動軸幾個部位的變形量情況，對傳動軸進(jìn)行加載實驗，通過不同載荷加載并記錄測量點(diǎn)的變形，對仿真與實際加載過程中的測量點(diǎn)變形進(jìn)行對比分析，加深有限元方法求解過程和求解結(jié)果的理解。引入優(yōu)化案例，精心設(shè)計汽車零部件拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化以及尺寸優(yōu)化的案例，通過上機(jī)教學(xué)，使學(xué)生掌握住相應(yīng)的優(yōu)化手段及方法。

3.2 調(diào)整教學(xué)方法

3.2.1 與學(xué)習(xí)基礎(chǔ)相銜接

有限元類課程中涉及的方程多為矩陣形式，需要大量推導(dǎo)公式，學(xué)生對課堂內(nèi)容的理解十分有限，需要結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)和本專業(yè)學(xué)生的前期基礎(chǔ)對課程內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整：比如可以通過回顧材料力學(xué)中桿和梁的區(qū)別，引出節(jié)點(diǎn)自由度的概念，并教會學(xué)生如何根據(jù)實際工程問題選擇合適的單元。這種教學(xué)模式，能使學(xué)生更容易理解和接受有限元法的一些基本概念，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3.2.2 作業(yè)與教學(xué)內(nèi)容互補(bǔ)銜接的探索

有限元類課程教學(xué)內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣，如連續(xù)體的有限元法這一章，在講具體的實例前，有六節(jié)內(nèi)容都是抽象的理論公式推導(dǎo)，學(xué)生學(xué)習(xí)難度大，而且感到記憶和應(yīng)用困難，因此在新的教學(xué)設(shè)計中，可以將三角形薄極分析實例求解過程分解為六個模塊，將實例的內(nèi)容凝煉成作業(yè)的形式布置給學(xué)生，使學(xué)生在完成作業(yè)的同時，加深對所學(xué)課程的理解，并為實例教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，奠定基礎(chǔ)。

3.3 教學(xué)考核體系的完善創(chuàng)新

3.3.1 平時考核方式多樣化

目前有限元類課程的考核體系，以課程試卷考試為主，考核分為平時考核和期末考核兩部分，平時考核包含考勤和作業(yè)，其比重占總成績的30%，期末考核占總成績的70%，因此學(xué)生有平時不抓緊期末前突擊的現(xiàn)象。為督促學(xué)生學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在每個階段都能了解自己對所學(xué)知識的掌握情況，增加網(wǎng)絡(luò)限時測試、十分鐘單人單桌測試、期末口試這幾個考核環(huán)節(jié)，實施上述幾種考核方式后要降低考勤所占平時成績比例。

3.3.2 試行平時考核獎勵機(jī)制

學(xué)生取得職業(yè)技能證書或完成復(fù)雜的工程應(yīng)用案例，提交證明則能觸發(fā)平時考核獎勵機(jī)制，獲得平時成績。平時考核獎勵機(jī)制出發(fā)點(diǎn)在于鼓勵學(xué)生獲得Altair認(rèn)證工程師證書，具備相應(yīng)的工程分析技能，或者完成具有較高學(xué)術(shù)難度的工程應(yīng)用題目，提交分析報告并參加答辯，獲得相應(yīng)分值的平時成績。這種獎勵機(jī)制實現(xiàn)的途徑有很多，學(xué)生可以在科技創(chuàng)新活動、教師科研項目、國內(nèi)汽車創(chuàng)新設(shè)計競賽等實踐環(huán)節(jié)積極參與，應(yīng)用有限元類課程所學(xué)知識開展工程應(yīng)用和創(chuàng)新設(shè)計。改革后考核評價方式如圖2 所示。

圖2 改革后考核評價方式

4 結(jié)束語

通過有限元類課程的教學(xué)改革，能夠有效精煉相關(guān)課程的核心教學(xué)內(nèi)容，提高所授課程與工程實踐的緊密結(jié)合程度；多種教學(xué)方法的探索，能有效克服學(xué)生學(xué)習(xí)時所遇到的困難，加強(qiáng)了對課程所學(xué)理論與技能的掌握；多樣化的考核方式，為學(xué)生的課程應(yīng)用提供了更多可行途徑和考察方式，促進(jìn)了課程所學(xué)與工程應(yīng)用相結(jié)合，能有效促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力和工程技術(shù)能力的培養(yǎng)。