“機(jī)械有限元分析”課程在本科教學(xué)中的改革探討

周華祥，陶 晶

(湖北理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 黃石 435003)

0 引言

有限元法是解決機(jī)械類復(fù)雜工程問題的一種數(shù)值分析工具，有著復(fù)雜而龐大的理論體系[1]。“機(jī)械有限元分析”是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生需要學(xué)習(xí)和掌握的一門專業(yè)課程，涉及彈性力學(xué)、材料力學(xué)、斷裂力學(xué)、線性代數(shù)、數(shù)值分析等多學(xué)科的知識。ANSYS有限元分析軟件模塊眾多，每個(gè)模塊分析的基本步驟差別很大，要求學(xué)生學(xué)習(xí)大量的專業(yè)術(shù)語和命令，同時(shí)具備一定的軟件程序編寫基礎(chǔ)[2]。

當(dāng)前學(xué)生普遍反映有限元理論晦澀難懂，雖然在規(guī)定課時(shí)內(nèi)完成了“機(jī)械有限元分析”課程的學(xué)習(xí)，但仍對所學(xué)有限元分析的理論知識處于似懂非懂的狀態(tài)，更無法使用有限元法去解決實(shí)際工程問題，不利于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)[3]。因此，在機(jī)械工程專業(yè)本科教學(xué)過程中，如何平衡有限元理論教學(xué)的難度與深度，以及軟件工具的專業(yè)適用性和應(yīng)用性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，從而提高教學(xué)效果，是“機(jī)械有限元分析”課程教學(xué)改革的核心任務(wù)。

結(jié)合筆者近年來對“機(jī)械有限元分析”課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以湖北理工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院2016級機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的本科生為研究對象，分析該課程在機(jī)械工程專業(yè)本科教學(xué)中存在的問題，并以培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和社會(huì)適應(yīng)能力的高級應(yīng)用型人才為目標(biāo),探討該課程在本科教學(xué)中的改革思路和措施。

1 “機(jī)械有限元分析”課程在本科教學(xué)中存在的主要問題

1.1 教學(xué)內(nèi)容專業(yè)性過強(qiáng)

傳統(tǒng)“機(jī)械有限元分析”理論課程教學(xué)前期對數(shù)學(xué)和力學(xué)知識要求高，涉及的力學(xué)和數(shù)學(xué)等復(fù)雜知識點(diǎn)需要教師花費(fèi)大量時(shí)間向?qū)W生講解，且其教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容更加適合力學(xué)或數(shù)學(xué)專業(yè)的學(xué)生。因此，對于其他專業(yè)大多數(shù)的學(xué)生來講，特別是專升本的學(xué)生，由于力學(xué)基礎(chǔ)差、線性代數(shù)知識薄弱，學(xué)生普遍感到該課程知識枯燥乏味，深?yuàn)W抽象，難于理解[4]。

1.2 教材針對性不強(qiáng)

能夠利用有限元方法定量地分析復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，是機(jī)械工程專業(yè)本科生應(yīng)該具備的一項(xiàng)非常重要的工程應(yīng)用技能。然而，目前該課程的相關(guān)教材主要分為2種，一種是有限元法的理論知識，一種是有限元軟件ANSYS應(yīng)用的學(xué)習(xí)手冊，缺少專門針對高等院校非力學(xué)或數(shù)學(xué)專業(yè)本科生編寫的教材[5]。

1.3 理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)

傳統(tǒng)課堂教學(xué)多采用以教師講授為主，學(xué)生被動(dòng)接受為輔的教學(xué)模式，理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相分離。這樣就造成有限元的理論知識講授與ANSYS有限元分析軟件的應(yīng)用缺乏有效地滲透和融合。在實(shí)踐教學(xué)中，教師提供的大多是一些相對簡單的分析對象，對實(shí)際的工程應(yīng)用案例涉足不多，導(dǎo)致學(xué)生掌握的理論知識無法得到應(yīng)用和延伸；學(xué)生在有限元分析過程中對模型材料屬性的設(shè)置和參數(shù)選擇不知所措，也不懂得如何利用分析結(jié)果進(jìn)行工程中的輔助設(shè)計(jì)。這就使得學(xué)生無法充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性去解決有限元應(yīng)用中遇到的問題，不利于培養(yǎng)和提高學(xué)生利用有限元思想獨(dú)立解決實(shí)際工程問題的能力[6]。

1.4 學(xué)生相關(guān)CAE建模軟件基礎(chǔ)薄弱

ANSYS軟件的建模功能較弱，為了提高建模速度，通常會(huì)采用其他三維建模軟件(如UG，CATIA，Pro/E及SolidWorks)進(jìn)行建模，而學(xué)生一般采用自學(xué)的方式學(xué)習(xí)三維建模軟件，缺乏必要的軟件操作技能培訓(xùn)，導(dǎo)致學(xué)生建模軟件基礎(chǔ)薄弱、操作水平參差不齊，影響ANSYS軟件操作的連續(xù)性。

1.5 考核方式單一

僅以期末考試這樣單一的途徑評價(jià)學(xué)生對課程的掌握程度存在許多弊端。千篇一律的考核方式難以客觀、全面地評價(jià)學(xué)生的實(shí)際水平，不利于學(xué)生個(gè)性和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，導(dǎo)致學(xué)生缺乏發(fā)展性思維和靈活性；不利于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，導(dǎo)致學(xué)生對所學(xué)知識不能學(xué)以致用。

2 “機(jī)械有限元分析”課程改革的具體措施

2.1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

在規(guī)定的學(xué)時(shí)內(nèi)，針對機(jī)械類本科階段大多數(shù)學(xué)生存在相關(guān)理論基礎(chǔ)知識薄弱的問題，提出在理論講授時(shí)摒棄繁瑣的公式推導(dǎo)過程，主要介紹公式的物理意義，從學(xué)科的專業(yè)性出發(fā)，選擇合適的講授內(nèi)容。以專業(yè)領(lǐng)域中的工程結(jié)構(gòu)對象為基礎(chǔ)來講解有限元法理論知識可以達(dá)到事半功倍的效果。

2.2 選擇合適的教材

由于沒有專門針對機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生的“機(jī)械有限元分析”教材，目前該課程優(yōu)先選擇由西北工業(yè)大學(xué)出版社出版，趙汝嘉、曹巖主編的《機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析及應(yīng)用軟件》。該教材前面部分介紹有限元法的基本理論與方法；后面部分介紹ANSYS軟件的操作及工程應(yīng)用，較適合機(jī)械工程專業(yè)本科生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)。教師授課過程中，以機(jī)械部件為例進(jìn)行理論講解和實(shí)例分析效果較好[7]。

2.3 注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研一體化建設(shè)

在ANSYS有限元軟件應(yīng)用教學(xué)中穿插講授相應(yīng)的理論知識，例如在ANSYS單元材料的選擇中，同時(shí)鞏固與單元相關(guān)的知識節(jié)點(diǎn)、自由度的概念、材料特性等理論知識[8]。在學(xué)習(xí)施加約束和載荷知識點(diǎn)時(shí)，復(fù)習(xí)單元位移、剛度矩陣的推導(dǎo)過程，使學(xué)生充分理解有限元理論和軟件應(yīng)用的相互關(guān)聯(lián)[9]，有利于學(xué)生在理論學(xué)習(xí)中了解實(shí)踐，在實(shí)踐過程中鞏固理論知識。

實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研一體化，帶領(lǐng)學(xué)生參與到教師的課題研究中，如讓學(xué)生參與教師與企業(yè)開展的動(dòng)車?yán)鋮s系統(tǒng)失效分析項(xiàng)目，輔助教師進(jìn)行機(jī)械部件的仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，以生產(chǎn)實(shí)際問題為導(dǎo)向，將理論知識與實(shí)踐密切結(jié)合起來，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力；鼓勵(lì)學(xué)生申報(bào)與有限元分析相關(guān)的畢業(yè)設(shè)計(jì)，如讓學(xué)生開展以“裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)橋優(yōu)化”為題的畢業(yè)設(shè)計(jì)，來提高學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的能力；同時(shí)指導(dǎo)學(xué)生參加各類大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐活動(dòng)，利用有限元分析進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和應(yīng)用仿真，在比賽中鍛煉和提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2.4 開展相關(guān)三維建模軟件技能培訓(xùn)

ANSYS軟件建模功能較弱，通常要與其他三維建模軟件聯(lián)合使用，因此在高校開展相關(guān)軟件(如UG，CATIA，Pro/E及SolidWorks)的操作技能培訓(xùn)有一定的現(xiàn)實(shí)意義[10]。湖北理工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院多年來積極開展三維建模軟件操作技能培訓(xùn)，不僅有助于提高學(xué)生三維建模軟件的操作技能，還能加深學(xué)生對相關(guān)理論知識的理解，為學(xué)生后期采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行仿真分析打下良好的基礎(chǔ)[11]。

2.5 實(shí)行多元化的考核方式

建立多元化的考核方式。目前“機(jī)械有限元分析”課程大多采用的是“平時(shí)+實(shí)驗(yàn)+閉卷/開卷”的考核方式，為了體現(xiàn)課程考核內(nèi)容的多樣性、專業(yè)性和綜合性，將傳統(tǒng)的以期末考試為核心的考核方式轉(zhuǎn)變?yōu)椤捌綍r(shí)+實(shí)驗(yàn)+閉卷/開卷+課程設(shè)計(jì)”的考核方式。其中課程設(shè)計(jì)是考查學(xué)生對各軟件模塊掌握的熟練程度[12-13]，與教學(xué)目標(biāo)相匹配，考察學(xué)生在面對問題時(shí)，如何進(jìn)行簡化問題、設(shè)置參數(shù)、施加載荷求解和后處理分析，最終完成有限元分析報(bào)告[14-15]。通過評估各小組完成的有限元分析報(bào)告質(zhì)量和小組各成員的答辯情況，真實(shí)詳細(xì)地反映每個(gè)學(xué)生對知識的掌握程度。新考核方式的具體成績分配為平時(shí)考勤、作業(yè)及課堂表現(xiàn)占20%，上機(jī)實(shí)驗(yàn)占20%，期末考試卷面成績占40%，課程設(shè)計(jì)占20%。2016級機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生成績考核表見表1。

表1 2016級機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生成績考核表

3 教學(xué)改革后的初步成效

對2016級機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)共計(jì)127名本科學(xué)生進(jìn)行課程滿意度調(diào)查，調(diào)查結(jié)果顯示，有108名同學(xué)對課程教學(xué)的滿意度評分在80分以上，學(xué)生滿意度達(dá)到85%。其中有60名學(xué)生能夠較好地應(yīng)用“機(jī)械有限元分析”課程中的理論知識，運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件對機(jī)械部件進(jìn)行建模和仿真分析，在大學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新大賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目、飛思卡爾智能汽車大賽和機(jī)械成圖比賽中獲獎(jiǎng)，取得良好的成績，其中多名同學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)或論文被評為校級優(yōu)秀論文。通過對“機(jī)械有限元分析”課程的改革和創(chuàng)新，改變了學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

4 結(jié)束語

“機(jī)械有限元分析”是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的一門重要專業(yè)課程，有限元分析法是解決工程問題的重要工具。通過探索和分析湖北理工學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)“機(jī)械有限元分析”課程本科教學(xué)中存在的問題，從教學(xué)內(nèi)容、教材、理論與實(shí)踐、軟件操作技能培訓(xùn)、考核方式等方面提出改革的思路和措施。實(shí)施教學(xué)改革后成效顯著，學(xué)生對課程的滿意度達(dá)到85%。通過課程教學(xué)改革和創(chuàng)新，鍛煉和提高了學(xué)生借助有限元軟件解決具體工程實(shí)際問題的能力，同時(shí)提升了學(xué)生的就業(yè)能力，為學(xué)生畢業(yè)后順利適應(yīng)專業(yè)技術(shù)工作打下良好的基礎(chǔ)[15]。這與培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和社會(huì)適應(yīng)能力的高級應(yīng)用型人才的目標(biāo)相一致。在后期課程教學(xué)中，應(yīng)加大與企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合的力度，在工程實(shí)際應(yīng)用中強(qiáng)化理論知識，鼓勵(lì)學(xué)生積極參加各類大學(xué)生科技競賽，以比賽促教學(xué)，以證書促就業(yè)，全方位推進(jìn)畢業(yè)設(shè)計(jì)的質(zhì)量，提高畢業(yè)生的就業(yè)率。