“疲勞設(shè)計(jì)與應(yīng)用”課堂教學(xué)改革

谷曉嬌，魏永合，賈 磊

（沈陽理工大學(xué)，遼寧 沈陽 110159）

“疲勞設(shè)計(jì)與應(yīng)用”是機(jī)械工程和車輛工程專業(yè)研究生的一門專業(yè)課程，主要研究各類典型的疲勞破壞形式，產(chǎn)生機(jī)理和工程中的設(shè)計(jì)方法。隨著疲勞設(shè)計(jì)與應(yīng)用前沿科技的發(fā)展，課程內(nèi)容也在不斷更新，相關(guān)的理論知識(shí)也逐漸增多。目前“疲勞設(shè)計(jì)與應(yīng)用”的課程內(nèi)容尚缺乏與熱點(diǎn)學(xué)術(shù)成果和工程實(shí)際的緊密結(jié)合，為了更好地培養(yǎng)研究生，對(duì)課程進(jìn)行了基于學(xué)術(shù)新進(jìn)展和仿真實(shí)驗(yàn)案例的教學(xué)改革，根據(jù)課程理論知識(shí)結(jié)合學(xué)術(shù)新進(jìn)展進(jìn)行教學(xué)，并設(shè)計(jì)了仿真實(shí)驗(yàn)案例，使學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)建立工程實(shí)踐意識(shí)和學(xué)術(shù)創(chuàng)新意識(shí)。同時(shí)，在疲勞設(shè)計(jì)發(fā)展史的教學(xué)內(nèi)容中融入了課程思政元素，使學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)同時(shí)建立社會(huì)責(zé)任感和使命感。

1 “疲勞設(shè)計(jì)與應(yīng)用”課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

“疲勞設(shè)計(jì)與應(yīng)用”課程的主要內(nèi)容可以分為4個(gè)方面：（1）機(jī)械疲勞與可靠性的概念、機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞特性和影響因素；（2）材料與零件的疲勞分析方法和設(shè)計(jì)方法；（3）典型分析方法的基本理論和數(shù)據(jù)的選取，即與設(shè)計(jì)理論公式相關(guān)的參數(shù)選擇方法及應(yīng)用；（4）用幾種較為典型的案例對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)。主要教學(xué)任務(wù)是使研究生對(duì)典型機(jī)械結(jié)構(gòu)零件的疲勞壽命具有初步分析和設(shè)計(jì)的能力，為機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)與學(xué)術(shù)研究打下理論基礎(chǔ)。

疲勞設(shè)計(jì)的前沿科技發(fā)展較快，這使得“疲勞設(shè)計(jì)與應(yīng)用”課程內(nèi)容也需要不斷更新。本課程還具有相關(guān)理論知識(shí)龐大，需要在一定程度上培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力的特點(diǎn)。受場地、設(shè)備、時(shí)間等條件的限制，目前能夠通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)的理論和案例非常有限，大部分理論和案例只能通過播放視頻的形式使學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用有一些感性認(rèn)識(shí)。但這種學(xué)習(xí)形式缺乏對(duì)學(xué)生的實(shí)踐訓(xùn)練，很難真正實(shí)現(xiàn)對(duì)研究生工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)[1]。

為進(jìn)一步提高培養(yǎng)研究生的質(zhì)量，必須打破傳統(tǒng)的教學(xué)模式。因此，對(duì)“疲勞設(shè)計(jì)與應(yīng)用”課程進(jìn)行基于學(xué)術(shù)新進(jìn)展和仿真實(shí)驗(yàn)案例的課堂教學(xué)改革，將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相互融合，從而使研究生通過學(xué)習(xí)和實(shí)踐把理論知識(shí)應(yīng)用于工程實(shí)際。基于學(xué)術(shù)新進(jìn)展的相關(guān)研究成果培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識(shí)和科學(xué)的思維方法，進(jìn)一步地提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力[2]。

2 課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

首先，重新整理“疲勞設(shè)計(jì)與應(yīng)用”的課程內(nèi)容，根據(jù)當(dāng)下的發(fā)展需要對(duì)基礎(chǔ)理論部分進(jìn)行更新、整合和優(yōu)化，使授課內(nèi)容與科技進(jìn)步的新成果、新理論和新技術(shù)相輔相成，尤其對(duì)于本課程相關(guān)的學(xué)術(shù)研究前沿性、熱點(diǎn)性成果要在課程內(nèi)容中有所體現(xiàn)。同時(shí)，還要注重提煉課程內(nèi)容中的思政元素，通過專業(yè)知識(shí)的傳授幫助學(xué)生樹立積極健康的人生觀和價(jià)值觀。

其次，根據(jù)課程相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，為仿真實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備?！捌谠O(shè)計(jì)與應(yīng)用”既包含理論性較強(qiáng)的知識(shí)點(diǎn)，如機(jī)械疲勞與可靠性的概念、機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞特性和影響因素、材料與零件的疲勞分析方法和設(shè)計(jì)方法，又包含了與實(shí)踐緊密聯(lián)系的相關(guān)內(nèi)容，如典型分析方法的基本理論和數(shù)據(jù)的選取、機(jī)械零件典型案例的疲勞設(shè)計(jì)。根據(jù)各個(gè)部分內(nèi)容的特點(diǎn)，將本門課程的主要內(nèi)容分為重理論知識(shí)點(diǎn)和重實(shí)踐知識(shí)點(diǎn)兩部分。

最后，根據(jù)重理論知識(shí)特點(diǎn)篩選出學(xué)術(shù)研究前沿成果，根據(jù)重實(shí)踐知識(shí)內(nèi)容特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出合理的仿真實(shí)驗(yàn)案例。對(duì)于重理論知識(shí)中難理解的部分，對(duì)應(yīng)的匹配學(xué)術(shù)前沿比較有影響力的成果結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，幫助學(xué)生更實(shí)際的理解理論知識(shí)；對(duì)于重實(shí)踐知識(shí)部分，基于Matlab GUI等軟件對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)案例進(jìn)行設(shè)計(jì)，并讓學(xué)生舉一反三，提出問題，思考并設(shè)計(jì)[3]。

3 教學(xué)案例設(shè)計(jì)

3.1 學(xué)術(shù)成果教學(xué)案例設(shè)計(jì)

針對(duì)課程理論知識(shí)中在不斷發(fā)展與創(chuàng)新的部分，設(shè)計(jì)學(xué)術(shù)成果教學(xué)案例。

通過查找總結(jié)近幾年有影響力的相關(guān)學(xué)術(shù)成果，使學(xué)生能夠更好地了解本專業(yè)課程的應(yīng)用及趨勢，同時(shí)加深對(duì)重點(diǎn)知識(shí)和前沿知識(shí)的理解。

（1）查找國內(nèi)外本課程相關(guān)的論文成果，包括但不限于通過SCI，EI，中國知網(wǎng)，獲取相關(guān)論文。

（2）對(duì)論文所屬相關(guān)章節(jié)內(nèi)容進(jìn)行分類，基于查找的近年論文成果，對(duì)應(yīng)匹配理論知識(shí)。

（3）通過在講授課程理論知識(shí)的課程中和課程后，要求學(xué)生對(duì)比論文進(jìn)行學(xué)習(xí)，并通過小組討論和總結(jié)等方式加深理解。

（4）由學(xué)生根據(jù)自己感興趣的一個(gè)或幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)，查找相關(guān)論文成果，并進(jìn)行總結(jié)和分享。

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例設(shè)計(jì)

針對(duì)重實(shí)踐知識(shí)點(diǎn)部分，提煉出重點(diǎn)理論知識(shí)并根據(jù)內(nèi)容體系設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例。通過仿真實(shí)驗(yàn)，能夠使學(xué)生更直接的了解專業(yè)知識(shí)原理及其應(yīng)用，從而加深對(duì)這部分內(nèi)容的理解，并通過學(xué)習(xí)具備一定的工程實(shí)踐能力[4]。根據(jù)理論部分的教學(xué)內(nèi)容制定的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：

（1）基于Matlab GUI軟件設(shè)計(jì)機(jī)械零件疲勞過程描述的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例。采用Matlab GUI作為可視化交互式設(shè)計(jì)的工具，通過靜態(tài)文本、列表框、滾動(dòng)條、按鈕、按鈕組、檢查框、彈出式菜單、坐標(biāo)軸、控件控制以及面板等功能快速生成圖形操作界面，且完成回調(diào)函數(shù)的程序編寫操作。將疲勞設(shè)計(jì)理論中講授的影響機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的多種因素，包括形狀因素、尺寸因素、表面狀況、平均應(yīng)力、復(fù)合應(yīng)力、加載頻率、應(yīng)力波形、停歇情況、腐蝕介質(zhì)和溫度變化等以直觀的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，并將Matlab GUI文件編譯成可獨(dú)立執(zhí)行的exe文件程序，方便學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)理解和操作，解決了理論疲勞設(shè)計(jì)影響因素的工程實(shí)踐應(yīng)用難理解、枯燥抽象的問題。

（2）基于Matlab GUI軟件設(shè)計(jì)機(jī)械零件疲勞壽命計(jì)算的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例。零件疲勞壽命計(jì)算的仿真實(shí)驗(yàn)案例系統(tǒng)輸入?yún)?shù)分為材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)三個(gè)部分，方便了研究生在相應(yīng)的理論知識(shí)中查詢材料和結(jié)構(gòu)的參數(shù)。其中工況參數(shù)是關(guān)于工作需要的參數(shù)，由學(xué)生根據(jù)實(shí)際情況給定，使學(xué)生在操作的過程中有自主思考的空間。仿真實(shí)驗(yàn)案例軟件系統(tǒng)通過計(jì)算能夠得到目標(biāo)機(jī)械零件的疲勞壽命，計(jì)算結(jié)果的輸出方式分為界面顯示、文件和表格3種形式，研究生可以根據(jù)需要選擇輸出形式，輸出計(jì)算結(jié)果文件。零件疲勞壽命計(jì)算仿真實(shí)驗(yàn)案例系統(tǒng)的顯示界面更加直觀，輸入物理量和輸出計(jì)算結(jié)果均可被顯示查找，且結(jié)果輸出的多種形式可供學(xué)生保存并做后續(xù)處理。通過仿真實(shí)驗(yàn)考慮結(jié)構(gòu)、材料和工況三方面的影響因素，學(xué)生能夠較為實(shí)際地理解疲勞設(shè)計(jì)的應(yīng)用特點(diǎn)，直接通過此仿真實(shí)驗(yàn)案例系統(tǒng)對(duì)疲勞壽命的計(jì)算進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的建立，解決了聯(lián)系實(shí)際抽象的問題。

（3）基于Matlab GUI設(shè)計(jì)機(jī)械零件疲勞設(shè)計(jì)參數(shù)選擇的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例。疲勞壽命受許多因素的影響，為了探究某個(gè)或某些參數(shù)對(duì)機(jī)械零件疲勞設(shè)計(jì)的影響，把其中典型的對(duì)疲勞壽命影響較大的羅列出來，并制作成參數(shù)選擇的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例。例如，滾動(dòng)軸承的疲勞壽命受很多因素的影響，其中接觸特性對(duì)疲勞壽命的影響較大，制作通過接觸疲勞這一參數(shù)反映軸承疲勞壽命的參數(shù)選擇仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例。即對(duì)某型號(hào)軸承的接觸疲勞壽命進(jìn)行計(jì)算并編程，再將其集成到基于Matlab GUI設(shè)計(jì)的疲勞設(shè)計(jì)參數(shù)選擇仿真實(shí)驗(yàn)案例中。通過設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生基于在工程設(shè)計(jì)過程中的實(shí)際案例使用系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，再根據(jù)計(jì)算結(jié)果判斷是否符合設(shè)計(jì)精度，是否滿足技術(shù)要求，使參數(shù)變化對(duì)疲勞過程的影響一目了然，幫助學(xué)生深刻理解設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)疲勞過程的影響。

（4）提出實(shí)際問題，由學(xué)生根據(jù)相關(guān)的理論及仿真工具自行分析解決。通過多次仿真實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，學(xué)生學(xué)習(xí)了知識(shí)，增加了工程實(shí)踐的意識(shí)，但是還缺乏自身的實(shí)踐過程，因此要求學(xué)生打開思維，2～3人為一個(gè)小組，分組訓(xùn)練并分析解決工程問題。學(xué)生可以通過查找資料獨(dú)立設(shè)置問題。也可以通過課程設(shè)置的已有題目練習(xí)解決。根據(jù)問題目標(biāo)，查找所學(xué)習(xí)的理論知識(shí)，通過問題分析、確定方法流程、理論計(jì)算、編程和計(jì)算機(jī)計(jì)算，得到最終結(jié)果。對(duì)于某一工程問題，引導(dǎo)學(xué)生多方案分析、對(duì)比和確定，避免學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的過程中產(chǎn)生思維定式，解決了疲勞設(shè)計(jì)理論講授內(nèi)容多、實(shí)踐環(huán)節(jié)少的問題，為學(xué)生參與工程實(shí)踐打下基礎(chǔ)。

以上教學(xué)過程的靈活性較強(qiáng)，機(jī)械零件疲勞過程描述的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例、機(jī)械零件疲勞壽命計(jì)算的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例和機(jī)械零件疲勞設(shè)計(jì)參數(shù)選擇的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例旨在通過已經(jīng)建立的仿真軟件，理解和體驗(yàn)理論知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用范圍及方法，并增加學(xué)生對(duì)工程實(shí)際案例的學(xué)習(xí)興趣。要求學(xué)生根據(jù)相關(guān)的理論及仿真工具自行分析解決，旨在基于本門課程并根據(jù)研究生所參與的科研課題需要進(jìn)行自主創(chuàng)新，從而培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力和科研創(chuàng)新的意識(shí)，達(dá)到學(xué)以致用的學(xué)習(xí)效果。

4 考核方式改革

在改革教學(xué)模式的同時(shí)，也必須改革考核體系，需要根據(jù)改革后的教學(xué)模式制定出與之匹配的考核體系。改變單一的期末考核形式，從多方面增加過程考核，使對(duì)學(xué)生的考核更全面、充分。除了已經(jīng)納入考核范圍內(nèi)的出勤，作業(yè)和期末考試成績?nèi)矫嬖u(píng)價(jià)指標(biāo)，還需增加學(xué)術(shù)成果案例和仿真實(shí)驗(yàn)案例的學(xué)習(xí)情況評(píng)價(jià)指標(biāo)。

課程考核可被分為過程考核和期末考核兩部分，每種評(píng)價(jià)指標(biāo)在總評(píng)成績中的比重也應(yīng)根據(jù)新教學(xué)模式做出相應(yīng)的調(diào)整。在大方向上，側(cè)重過程考核，弱化期末考核，且把學(xué)術(shù)成果案例和仿真實(shí)驗(yàn)案例的學(xué)習(xí)情況作為重要的考核指標(biāo)。具體為：過程考核共占總評(píng)成績的70%，其中，考勤占總評(píng)成績的10%、作業(yè)占總評(píng)成績的10%，課堂參與度占總評(píng)成績的10%，學(xué)術(shù)成果案例學(xué)習(xí)和自主總結(jié)占比20%，仿真實(shí)驗(yàn)案例學(xué)習(xí)和自主設(shè)計(jì)占比20%；期末考核占總評(píng)成績的30%。

5 改革效果

（1）基于理論知識(shí)的重難點(diǎn)內(nèi)容，設(shè)計(jì)了疲勞性能試驗(yàn)研究新進(jìn)展，粗糙度、溫度、應(yīng)力集中等因素對(duì)疲勞性能的影響等7個(gè)學(xué)術(shù)成果教學(xué)案例，使研究生更好的理解理論知識(shí)，提高了研究生的學(xué)習(xí)熱情。

（2）整理了疲勞設(shè)計(jì)軟件制作的指導(dǎo)教程，鼓勵(lì)研究生自主學(xué)習(xí)。編寫Matlab GUI的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)指導(dǎo)及基于Matlab的疲勞特性分析教程，從而解決學(xué)生因缺乏理論指導(dǎo)不愿自主學(xué)習(xí)的問題，同時(shí)給學(xué)生一些思考的空間，使學(xué)生更好的理解理論知識(shí)并掌握學(xué)習(xí)方法，為自主學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

（3）設(shè)計(jì)了學(xué)生可以在授課過程中完成的仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?；贛atlab GUI開設(shè)了機(jī)械零件疲勞過程描述、機(jī)械零件疲勞壽命計(jì)算、機(jī)械零件疲勞設(shè)計(jì)參數(shù)選擇3個(gè)基礎(chǔ)實(shí)踐項(xiàng)目。3個(gè)訓(xùn)練完成后，提出問題，要求研究生進(jìn)一步做自主設(shè)計(jì)，以完成一個(gè)疲勞設(shè)計(jì)相關(guān)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)為目標(biāo)，培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

在后續(xù)的教學(xué)中，應(yīng)該注重在課程階段為研究生創(chuàng)造更多實(shí)踐學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，如課程設(shè)計(jì)訓(xùn)練，培養(yǎng)研究生獨(dú)立完成綜合性更強(qiáng)的疲勞設(shè)計(jì)，更為深入地加強(qiáng)研究生解決工程實(shí)踐問題的能力。

6 結(jié)語

通過對(duì)“疲勞設(shè)計(jì)與應(yīng)用”開展基于學(xué)術(shù)成果和仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例的教學(xué)改革，將學(xué)術(shù)最新成果和基于Matlab GUI的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例融合到教學(xué)過程中，突破了傳統(tǒng)理論教學(xué)的限制，實(shí)現(xiàn)了理論源于實(shí)踐的學(xué)習(xí)理念，提高了研究生的學(xué)習(xí)效果。也在教學(xué)過程中，激發(fā)了研究生的創(chuàng)新思維，訓(xùn)練了研究生的實(shí)踐能力，為研究生從事科學(xué)研究工作打下了基礎(chǔ)。