《有限元分析及應用》課程的教學改革與探索

錢茹，李永梅，王石莉

（東南大學成賢學院機械工程系，江蘇南京210088）

《有限元分析及應用》課程的教學改革與探索

錢茹，李永梅，王石莉

（東南大學成賢學院機械工程系，江蘇南京210088）

在應用型本科學生《有限元分析及應用》課程的教學中，筆者根據多年的教學實踐經驗，結合該課程理論和實踐性強的特點，對教學內容、教學方法、實踐環(huán)節(jié)、考核方法的改革進行了探討。實踐證明：通過教學改革，對學生理論基礎與實際操作能力的提高起到了積極的作用。

應用型人才；有限元；教學改革

隨著生產技術的發(fā)展，有限元分析以及在企業(yè)產品設計和生產過程發(fā)揮越來越重要的地位［1］。因此有限元分析也列入了應用型本科學生的教學課程，成為機械專業(yè)學生進行機械設計、解決工程實際問題必不可少的工具之一。而有限元法具有龐大而又復雜的理論體系，這對于學生在一定時間內掌握有限元法還是比較困難的。故如何提高有限元法的教學效果成為一個急需解決的問題。

1　教學內容

許多機械類非力學專業(yè)均開設有限元法課程，但是其教學組織和教學內容一般直接沿用力學專業(yè)的模式，即使有少量改動，也是主體不變，僅在內容和課時上稍有改動［2］。各高校的有限元分析課程所使用的教材，大多也是大篇幅介紹有限元的力學原理，課堂花了大量時間進行力學的推導。對于培養(yǎng)研究型人才，教學偏重理論學習能夠進一步加強學生對力學知識的理解。應用型本科教學偏重工程應用，是以培養(yǎng)工程技術人才為目標。因此，針對應用型本科學生的有限元課程教學，其內容應該偏重有限元模型的建立、單元的選擇、網格的劃分、邊界條件的處理以及數值計算方法的選擇。而有限元軟件的具備，實驗室條件的改善，為該課程的教學改革提供了可能。

2　教學方法

首先，單純講有限元理論有可能會因為繁瑣的力學計算而對有限元產生望而生畏的感覺，而通過實踐環(huán)節(jié)解決工程實際問題也能加深對理論的理解。因此加強實踐教學，不僅可以使學生切身體會有限元解決實際問題的能力，也能激發(fā)學生的興趣，培養(yǎng)學生利用有限元分析解決具體問題的能力。其次在教學過程中，采用多媒體演示和軟件操作相結合的方法可以提高教學效果。

其次，從深層次上說有限元的理論學習和軟件學習是相輔相成的。掌握了有限元理論，可以加快軟件應用的學習；而使用軟件解決工程實際問題，也反過來可以加深理論的理解。對于我校機械專業(yè)的學生來說，理論內容不必講得過深，把重點放在軟件的應用上，讓學生解決一些實際的問題，自然能夠加深對基本理論的理解。給予現有教學模式存在的弊端，本文提出培養(yǎng)應用有限元分析軟件解決實際工程問題能力的教學模式。在具體的教學過程中，根據每一章節(jié)的理論內容盡可能挑選一些實際工程案例，在教師的指導下由學生自己動手完成，最大限度地提供學生使用軟件解決實際工程問題的能力。

第三，在授課過程中，采用互動式教學，教師可以有意識選擇一些章節(jié)，讓學生通過看書，檢索資料，將學生在課堂討論有限元課程的看法和體會，教師正確引導，啟發(fā)學生開拓思維，充分發(fā)揮學生的學習積極性和主動性。課后教師根據學生的學習情況針對性安排習題，做到能夠對所學知識及時理解、消化。

3　實踐環(huán)節(jié)

有限元課程本身是一門實踐性很強的課程，實驗內容本身就是教學內容的重要組成部分［3］。實踐環(huán)節(jié)分兩個方面。第一，上機環(huán)節(jié)。上機環(huán)節(jié)應該針對每一章節(jié)的內容設置相應的上機習題，以求學生能夠理解并掌握有限元建模和分析的一般過程。第二，零部件靜強度試驗。在有限元教學課程教學過程中，根據學?，F有的實驗室條件，開設減速器箱體的靜強度試驗，并通過ANSYS軟件進行靜強度分析，并對比試驗數據，鍛煉學生分析問題、解決問題的能力。

有限元方法課程的目標是讓學生掌握和應用有限元方法，為今后用該方法分析和解決工程實際問題打下一個良好的基礎。顯然，該課程的教學與實際工程是緊密相關的。為此，筆者設計了模擬減速器箱體靜載作用的實驗裝置，對箱體施加位移載荷以以求結構的抗壓能力。該實給定不同的輸入載荷，可以測得不同的響應，且材料在彈性變形范圍內多次實驗都不會破壞，適合教學實驗。

4　考核方式

該課程屬于應用技術類課程，起內容涉及面較廣，既有基本理論又有大量的計算環(huán)節(jié)，且計算必須借助于計算機來完成。多年來均采用閉卷考試和上機考試相結合的考核方式［4］。但由于受到考試時間的限制，這種考核方式很難全面考核學生的學習情況。而采用大作業(yè)的考核方法是適合該課程特點的一種較好的考試方法。它可以促進學生掌握有限元法的基本內容，增強學生解決實際工程問題的能力。具體方法有：（1）在開始講課時，首先講清楚該課程的學習要求以及考試方法。（2）給學生提供一些題目或者學生自擬題目。（3）學生根據確定的題目進行建模與計算分析，并整體一份詳盡的計算說明書。（4）完成作業(yè)后，經口試答辯，再最終評定考試成績。

5　結束語

綜上所述，通過幾年的教學實踐，在《有限元分析及應用》課程的教學過程中，學生通過掌握工程分析軟件ANSYS使用，具備了獨立分析、解決問題的能力，培養(yǎng)了具有良好力學基礎知識、面向工程、全面發(fā)展的高素質創(chuàng)造性人才，為走上工作崗位從事機械結構設計與分析相關工作打好基礎。

［1］曹建樹.應用型本科“CAD/CAM”課程的教學改革與實踐［J］.實驗室研究與探索，2010，29（5）：105-107.

［2］張治勇，楊麗紅，李鴻.非力學專業(yè)“有限元法”課程教學改革研究［J］科教文化，2011，（36）：257.

［3］高廣軍.車輛強度有限單元法課程的教學改革［J］科技信息，2009，（16）：45.

［4］向家偉.“有限元方法及程序設計”課程教學實踐［J］重慶工學院學報，2007，7（21）：171-173.

Teaching Reform and Exploration of Finite Element Analysis and Application Courese

QIAN Ru，LI Yong-mei，WANG Shi-li
（Southeast University Chengxian College，Nanjing Jiangsu 210088，China）

During the teaching practice on the course of Finite Element Analysis and Application for applicationoriented undergraduate，this paper combines the characteristics of the strong theorization and practicality with teaching practice experience for many years，and discusses innovation in the teaching processes，including teaching contents，teaching methods，practical part and evaluation methods.

applied talents；FEM；teaching reform

G642.0

A

1672-545X（2016）08-0255-02

2016-05-20

東南大學成賢學院教學研究項目（1101300331）

錢茹（1980-），女，江蘇常州人，講師，碩士，研究方向：機械設計制造及其自動化，機械產品的數字化模擬與仿真。