基于計算機輔助工程分析課程的大學生實踐能力培養(yǎng)探析

陳　玲　徐進友　牛興華

（1.天津市先進機電單位設計與智能控制重點實驗室，天津300384；2.天津理工大學，天津300384）

基于計算機輔助工程分析課程的大學生實踐能力培養(yǎng)探析

陳玲1，2徐進友1，2牛興華1，2

（1.天津市先進機電單位設計與智能控制重點實驗室，天津300384；2.天津理工大學，天津300384）

本文從工程認證要求出發(fā)，通過講授計算機輔助工程分析課程，結合指導全國大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目、學生課外科技活動、畢業(yè)設計等取得的成果和經(jīng)驗，闡述了改進教學方法、制定可行教材的重要性；探索出了將課堂理論教學、實踐教學和課外科技活動有機結合后使學生快速掌握現(xiàn)代設計方法并付諸應用的有效途徑。

計算機輔助工程分析；創(chuàng)新意識；實踐能力

一、前言

機械工程專業(yè)是我校建校伊始就創(chuàng)建的理工類專業(yè)之一，并且是全校重點專業(yè)。為適應現(xiàn)代工業(yè)和社會快速發(fā)展的需要，根據(jù)當前的工科專業(yè)的發(fā)展趨勢，學校積極準備申請國際工程聯(lián)盟認證。國際工程聯(lián)盟（IEA）中的華盛頓協(xié)議是一個工程教育本科學歷的國際互認的協(xié)議，我國教育部計劃推動工程專業(yè)總數(shù)的25%-30%完成工程教育專業(yè)認證。工程認證要求之一就是：大學生畢業(yè)后應具有社會適應能力與就業(yè)競爭力。根據(jù)該要求，我校將機械工程專業(yè)的培養(yǎng)目標定位在面向京津冀和周邊地區(qū)的制造業(yè)，培養(yǎng)學生具有工程實踐能力和創(chuàng)新精神，使他們具備解決復雜工程問題的基本素質。其中，認證的目標和達成度又要求學生能夠對復雜機械工程問題進行分析和提煉，通過對課程的學習能對一些機械系統(tǒng)提出設計解決方案，經(jīng)過對解決方案的可行性進行初步分析與論證來體現(xiàn)創(chuàng)新意識。我校開設的現(xiàn)代設計方法之一的計算機輔助工程分析課程是符合工程認證指標標準的。

該課程理論性較強，雖然能滿足以上認證要求和工作需求，但學生學起來較生澀。本文從理論教學、實踐教學、教材編寫、專業(yè)設計、畢業(yè)設計到加強學生課外科技活動等多個環(huán)節(jié)，探討出計算機輔助工程分析課程的教學、實踐和應用的方法，這有助于激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)新能力，為教學改革提供思路和方法。

二、學習計算機輔助工程分析的必要性

現(xiàn)代設計方法包括CAE、CAD、模塊設計、可靠性設計等，相對傳統(tǒng)設計方法而言有了質的飛躍。其中的CAE（計算機輔助工程分析）是以有限元法為代表的工程中的數(shù)值方法，是在工程中復雜條件下求解各種數(shù)學問題的普遍方法。對于復雜的非線性問題、瞬態(tài)問題、多學科交叉問題等，需要對若干物理量或參數(shù)進行定量的分析，這使得傳統(tǒng)設計及方法顯得有些不能勝任。因此，如果學生在有限的在校學習期間，仍采用傳統(tǒng)設計方法完成專業(yè)課程設計和畢業(yè)設計，勢必導致他們沒有成就感，制約了學生創(chuàng)造性思維的建立，也不利于激發(fā)他們的學習興趣和創(chuàng)新能力。機械類的本科生通過該課程的系統(tǒng)學習和訓練后，可以使用它解決工程問題，對于提高學生的工程實踐能力和創(chuàng)新精神具有重要意義。

三、教學上采取的措施

計算機輔助工程分析課程共計48學時，其中32學時理論課，上機實踐16學時。該課程的開設經(jīng)過多年的實踐和畢業(yè)生的反饋，滿足工程認證的第三條指標，也滿足了學生畢業(yè)后工作的需要。然而，這門課理論性很強，對于現(xiàn)有知識水平的本科生而言學習起來具有一定的難度；對于任課教師來講，在有限的時間內(nèi)使學生能夠盡快地掌握各知識點并能達到靈活應用就要采用適當?shù)慕虒W方法。根據(jù)筆者幾十年的教學工作經(jīng)驗認為：首先要有好的適應本科學生學習該課程的教材；其次要改進教學方法，提高學生學習興趣；第三，充分利用有限的實踐教學學時，激發(fā)他們的創(chuàng)新意識；第四，要加強大學生課外科技活動和畢設環(huán)節(jié)，為走向社會奠定一定的現(xiàn)代設計基礎。

1.選擇適合的計算機輔助工程分析教材

目前，我機械學院現(xiàn)有ANSYS、NASTRAN、ABAQUS等正版軟件多達十幾種，這些軟件功能強大，涉及的知識面廣，市場上與之有關的教材和說明書眾多。然而符合本科生知識背景的，與工程實際結合，又能提高學生興趣的卻很少甚至沒有。要想讓學生在有限的學時里基本理解它，并會初步應用，一本好的教材是必不可少的。編寫好教材需要編者有好的力學、數(shù)值方法、計算機知識基礎，需要消化有關軟件的6000多頁的原文說明書中的主要部分。筆者所在的科研團隊長期工作在教學第一線，深知學生的需求，為彌補上述缺憾，編寫了適合工科學生教學使用的教材。在廣泛調(diào)研和多年教學工作經(jīng)驗的基礎上，構建了教材框架，精選了講授內(nèi)容，在內(nèi)容組織、知識講解和問題表述上，努力貼近本科知識背景，然后結合教材內(nèi)容與工程實際，精選教學中使用的典型工程實例，結合機械類專業(yè)特點，在解決上述問題上下功夫，建設理論課程和實踐環(huán)節(jié)教材的同時，整合已有課程的學時安排，使本課程在專業(yè)知識更新中真正起到應有的作用。

為了上好這門課，課題組分工合作編寫了兩卷教材。其卷Ⅰ是《計算機輔助工程分析之有限元法概論》，內(nèi)容有彈性力學基本方程，彈性力學平面問題有限元法，彈性力學空間問題的有限元法及矩陣代數(shù)。卷Ⅱ為《計算機輔助工程分析之工程應用》，目的是讓學生上機實踐，初步學會使用軟件解決實際問題。這兩卷已經(jīng)印刷成書為教學所用。

2.深入淺出地講好計算機輔助工程分析的理論部分

雖然經(jīng)過多年的努力，我們編寫出來了表達清楚，層次分明，易懂易學，并有適當例題可以模仿的教材，但對于我校機械專業(yè)本科生的知識基礎，要掌握和理解還有一定的難度，這將在一定程度上消減學生們學習的興趣并增加學習的難度。教育心理學指出在信息傳播過程中，教師與學生向對方發(fā)出的信息具有融合性的特點。課堂教學的效果與其說是教師傳授了多少知識，不如說學生獲得了多少知識。從這個意義上說，提高學生學習的積極性和主動性是組織好教學、提高教學質量的關鍵。

怎樣調(diào)動學生的學習積極性和主動性呢？一方面借助多媒體課件可以大大活躍課堂氣氛，起到了寓教于樂的效果；另一方面，在課堂教學時結合筆者多年的科研成果和各種企業(yè)實例，圖文并茂使學生充分了解先進的設計方法和技術并產(chǎn)生學習興趣。以計算機輔助工程分析課程中的有限元法為例：該方法不僅能用于工程中復雜的非線性問題、非穩(wěn)態(tài)問題的求解，還可用于復雜結構的靜態(tài)和動力分析。學生了解了有限元基本原理，掌握了有限元結構分析過程，然后熟悉有限元軟件的使用方法，結合學生已經(jīng)做過的設計中遇到的問題，經(jīng)過軟件計算和后處理結果，使以前看不到摸不著的應力應變等數(shù)字曲線以彩色圖像展現(xiàn)在眼前，使學生具有了成就感。因此，要掌握基本原理、設計思想、設計步驟及上機操作要領這些關鍵問題必須以課堂教學為依托。

3.有效利用實驗課培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識

對學生進行機械設計的創(chuàng)新培養(yǎng)，就要將計算機輔助工程分析的方法和技術引入教學的各個環(huán)節(jié)：如課堂教學、實驗教學、綜合設計作業(yè)、專業(yè)設計、教學實習、畢業(yè)設計、產(chǎn)學研結合等，多年來我們致力于在理論教學的基礎上，不斷加大實踐教學，努力培養(yǎng)學生運用、開發(fā)現(xiàn)代機械設計方法和技術的興趣及能力。在講解計算機輔助工程分析中的有限元等相關理論后，在實驗教學中以有限元分析軟件對機械零件分析為主線，培養(yǎng)學生運用現(xiàn)代設計軟件進行工程設計分析的實踐操作能力、創(chuàng)造性思維及創(chuàng)新能力。比如，為更好地理解機械動態(tài)設計法，在實驗室指導學生建立飛機機翼結構的動態(tài)模型，從選擇要定義的單元類型、輸入材料屬性、劃分網(wǎng)格把幾何模型變成有限元模型、確定分析的邊界條件、直至求解完成進入后處理。通過以上模態(tài)分析仿真分析過程，學生可看到機翼結構振動的頻率和振型，從感性層面上認識到何謂動態(tài)設計方法，這會比單純的理論教學起到更好的作用，也進一步鞏固并延展了力學和材料學等方面的專業(yè)知識，為工科本科畢業(yè)生打下更好的專業(yè)基礎。

4.通過大學生課外科技活動和畢業(yè)設計進一步培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維

為補充學生課堂知識和實驗課的學時不足，在大二、大三學生中大力開展大學生課外科技實踐活動，鼓勵并組織學生申報國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目以及學校組織的各類科技活動。這些活動既培養(yǎng)了大學生對計算機輔助工程分析的進一步應用，又提高了學生的開發(fā)能力和科研綜合素質能力，還能夠讓學生盡早了解企業(yè)需求，提高他們畢業(yè)后適應工作的能力。另外，教師在指導學生時，要注重學生的個性發(fā)展，充分調(diào)動教師參與教學改革的積極性，努力提高教學質量。同時，參加課外科技活動的學生往往在這個過程中對活動產(chǎn)生濃厚的興趣，并由此有可能激發(fā)他們的創(chuàng)新能力，從而取得一些成績。因此，作為課堂教學的有力補充，大學生課外科技活動的開展，是必要的也是必需的。

二十幾年來，計算機輔助工程分析從單純的課堂教學開始，已經(jīng)將該設計方法引入到專業(yè)設計和畢業(yè)設計中，因此，大四學生的畢業(yè)設計過程是一次進一步培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維的機會。通過讓學生參與縱向課題和橫向課題的研究，他們逐漸具有了用現(xiàn)代設計方法完成各種分析計算的能力。我們所指導的畢業(yè)論文涉及的內(nèi)容有：拖拉機限動鏈右支架、拖拉機前軸、回轉軸后支架、半軸從動齒輪的分析等（與天津拖拉機廠合作）、齒輪嚙合過程的接觸應力分析；汽車后橋殼的有限元數(shù)值模擬、西氣東輸工程用到的各種閥門設計校核；門式鋼框架和8層5跨鋼結構的整體結構抗火設計（中英高等合作項目）、臺灣地震對我國上海影響的研究（中國地震局合作的項目）；鑄件充型過程流動模擬和鑄造溫度場的數(shù)值模擬及縮孔縮松以及熱裂紋預測、鑄造凝固過程中鑄型與鑄件之間界面換熱系數(shù)的研究（天津市科委基金）；還有關于人體腰椎受拉壓彎扭后對間盤影響研究和種植牙的材料、螺紋、冠跟比的研究（國家自然科學基金）等等。完成的學生科技活動項目有國家教育部的大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目、天津市創(chuàng)新計劃項目、天津理工大學的科技創(chuàng)新基金項目、理工大學機械學院的基金項目、還有自擬的項目等等。僅筆者近幾年指導的畢業(yè)設計的學生中，參與發(fā)表論文14篇，EI檢索6篇，重點期刊4篇，有一些還被天津市和學校評為優(yōu)秀。

這些成就都是學生參與課外科技活動和畢業(yè)設計過程中取得的，并且從學生的反饋中可以發(fā)現(xiàn)，畢業(yè)生從求職過程到進入企業(yè)，都離不開計算機輔助工程分析課程的學習和各種實踐的鍛煉，這是他們能在眾多大學生中脫穎而出的一個堅實基礎。

四、結束語

綜上所述，學校的各種理論和實踐教學是培養(yǎng)適應能力強、高素質的復合型機械專業(yè)人才的基礎。計算機輔助工程分析在本科教學中的實施和應用，是在先進教育、教學思想指導下的結果，是與工程認證的要求相適應的。從課上、課后、畢業(yè)設計以及他們工作后情況反饋來看，學生們能較好地掌握CAE的基本理論，并能運用相應的計算機軟件很好地完成設計與分析，同時激發(fā)了學生的創(chuàng)新創(chuàng)造意識。

［1］陳玲，華巖，雒秀華，等.創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與《機械設計》教學［J］.天津職業(yè)技術師范學院學報，2002，12（3）：61-63.

［2］陳玲，牛興華，韓奕倢.以科技活動為載體，提高大學生的創(chuàng)新能力［A］.2010 Third International Conference on Education Technology and Training［C］.Wuhan：Institute of Electrical and Engineers，Inc，2010：314-316.

（責任編輯：姚歆燁）

Cultivating Undergraduates’Practical Abilities Based on Computer Aided Engineering Analysis Course

CHEN Ling1，2，XU Jinyou1，2，NIU Xinghua1，2
（1.Tianjin key Laboratory of the Design and Intelligent Control of the Aduanced Mechatrorical System，Tianjin 300384，China；2.Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China）

Based on engineering accreditation requirements，personal CAE course teaching experience，as well as experiences in national college students’innovation and entrepreneurship training，this thesis expounds first on the importance of improving teaching methods and materials，and then put forward some effective ways to help the students to quickly grasp the modern design method and put theories into application by combining classroom teaching with practice teaching and extracurricular activities.

Computer Aided Engineering Analysis；innovation；practical ability

G642.0

陳玲（1964—），女，教授，研究方向：CAE、機械設計。

天津理工大學教學基金項目（YB12-33）；天津市普通高等學校本科教學質量與教學改革研究重點項目（B01-0802）。