對《車輛CAE技術(shù)》的教學(xué)改革與實(shí)踐

劉燕霞，李　美，張少波，李勁松

(海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，海南 ?？?570228)

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對《車輛CAE技術(shù)》的教學(xué)改革與實(shí)踐

劉燕霞，李美，張少波，李勁松

(海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，海南 海口 570228)

摘要：以車輛CAE技術(shù)的教學(xué)改革與實(shí)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(shí)，分析了目前課程所存在的問題，即課程學(xué)時(shí)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(shí)踐方法，取得了一定的效果.

關(guān)鍵詞：車輛CAE技術(shù)； 教學(xué)改革； 互動(dòng)式教學(xué)； 啟發(fā)式教學(xué)

據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計(jì)，2013年中國汽車產(chǎn)銷量超過2000萬輛，居全球第一.汽車工業(yè)的高速發(fā)展使得汽車人才缺口較大，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、動(dòng)力總成技術(shù)、關(guān)鍵零部件及汽車電控技術(shù)等汽車關(guān)鍵技術(shù)人才尤為緊缺[1-3].根據(jù)海南大學(xué)車輛工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案，學(xué)生應(yīng)接受車輛工程師基本訓(xùn)練，掌握汽車設(shè)計(jì)與制造的基本理論、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)等知識，以使學(xué)生能夠綜合分析和解決車輛產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)、技術(shù)升級改造與創(chuàng)新.在此背景下，我校開設(shè)了車輛CAE(Computer Aided Engineering)課程，在學(xué)生學(xué)習(xí)了工程力學(xué)、熱工基礎(chǔ)等課程的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)學(xué)習(xí)有限元的基本原理、模態(tài)分析、靜力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、熱分析及相應(yīng)的ANSYS操作.

有限元技術(shù)能夠在提高產(chǎn)品可靠性的前提下，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，節(jié)省產(chǎn)品的開發(fā)成本，因而它被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)中.在汽車設(shè)計(jì)過程中，有限元分析主要應(yīng)用于整車或零部件的剛度、強(qiáng)度分析，載荷作用下汽車結(jié)構(gòu)的響應(yīng)分析，汽車結(jié)構(gòu)溫度場、流場分析，NVH分析及車輛部件的優(yōu)化分析[4-8].為滿足汽車企業(yè)對于人才專業(yè)方向的需求，提高學(xué)生所學(xué)知識與專業(yè)能力方向的契合度，海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院以有限元分析法(Finite Element Method)及ANSYS軟件為載體，開設(shè)了車輛CAE課程.

通過多年的探索和發(fā)展，作者發(fā)現(xiàn)該課程在教學(xué)過程中存在一定不足.文章分析了車輛CAE課程在“教”與“學(xué)”過程中存在的問題，提出了解決方案，并通過課程的改革實(shí)踐，取得了一定的效果.

1車輛CAE課程在教學(xué)中存在的問題

1.1課程特點(diǎn)總結(jié)我校開設(shè)的車輛CAE課程，主要呈現(xiàn)以下三個(gè)特點(diǎn)：(1)理論性強(qiáng).有限元方法的核心思想是離散與分片插值，其基本理論涉及到矩陣?yán)碚?、?shù)值分析、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及各應(yīng)用領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論[9].這些基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)均要求學(xué)生具有較強(qiáng)的力學(xué)與數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ).同時(shí)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中普遍反映基礎(chǔ)理論深?yuàn)W、晦澀難懂；(2)知識覆蓋面廣.有限元技術(shù)又涉及到數(shù)力理論、單元技術(shù)、分析軟件及應(yīng)用對象等四個(gè)方面的內(nèi)容，涉及面較廣[10]，而學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中由于沒有開設(shè)部分基礎(chǔ)課程，如結(jié)構(gòu)力學(xué)，因而分知識脫節(jié)，學(xué)習(xí)難度較大；(3)軟件難以掌握.由于ANSYS軟件是全英文版，沒有針對車輛工程的漢化版，加之工科學(xué)生的英語程度普遍稍顯薄弱，學(xué)生在軟件學(xué)習(xí)過程中，不能讀懂用戶手冊、界面和工具，亦使用不熟，難以掌握軟件.

1.2課程存在的問題

1.2.1課程學(xué)時(shí)少、內(nèi)容多課程開設(shè)總學(xué)時(shí)為32學(xué)時(shí)，其中理論學(xué)時(shí)為20，實(shí)驗(yàn)(即上機(jī))學(xué)時(shí)為12，學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容有靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、熱及流體力學(xué)分析，如圖1所示.從圖1可以看出，本課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容較多，此外，有限元的理論基礎(chǔ)、軟件的操作及工程應(yīng)用等都需要占用一定的學(xué)時(shí)，如何合理地分配學(xué)時(shí)及把握學(xué)習(xí)重點(diǎn)是教授該門課程的一大難點(diǎn).

1.2.2教學(xué)手段與方法不合理課程的教學(xué)一般采用多媒體的方式，在講解軟件時(shí)也進(jìn)行實(shí)際操作，如將課件投影到屏幕供學(xué)生學(xué)習(xí)，但這仍然屬于灌輸式教育，教學(xué)效果不理想.例如，給出一個(gè)工程實(shí)際問題，教師可以一邊講解思路，一邊進(jìn)行操作，這個(gè)過程是比較順利的，且不考慮其他無需注意的事項(xiàng)，而學(xué)生在解決一個(gè)實(shí)際問題的時(shí)候，要么沒有頭緒而無從下手，要么千頭萬緒而無從選擇，結(jié)果就是課堂所學(xué)的知識不能運(yùn)用到解決問題上，感覺很茫然.

圖1　“ 車輛CAE技術(shù)”的課程內(nèi)容

1.2.3考核方式不合理車輛CAE技術(shù)課程采用傳統(tǒng)的“70%+30%”考核方式，即期末考試(閉卷筆試)占總評成績70%，平時(shí)成績(考勤+課堂表現(xiàn))占總評成績30%.試卷內(nèi)容和課堂學(xué)習(xí)及上機(jī)練習(xí)緊密練習(xí)，對于其中的有限元基礎(chǔ)理論部分，學(xué)生普遍覺得難以掌握，而ANSYS軟件操作和實(shí)際案例雖占有一定比例，但在從電腦轉(zhuǎn)換到試卷，由操作轉(zhuǎn)換成選擇時(shí)，則出現(xiàn)了會操作但不會答題的情況，考試成績非常不理想.這種考核方式使得平時(shí)練習(xí)和考試脫節(jié)，加大了學(xué)生的負(fù)擔(dān)，不僅不能全面考查學(xué)生對于CAE分析的掌握程度，也讓學(xué)生有畏難心理，從而降低了學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的積極性.

2車輛CAE課程教學(xué)的改革與實(shí)踐

2.1 明確教學(xué)目的與內(nèi)容CAE的教學(xué)分為有限元基礎(chǔ)理論與ANSYS軟件操作兩部分，學(xué)生普遍對操作更感興趣而忽視理論知識的學(xué)習(xí)，一是由于有限元理論涉及學(xué)科多，對數(shù)學(xué)的要求也高，學(xué)習(xí)難度較大，二是由于理論相對枯燥，不容易調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性.但是，理論學(xué)習(xí)是必要的，實(shí)際操作往往受限于理論水平的高低，學(xué)習(xí)越深入就越能體會出理論的重要性.所以，在課堂上必須強(qiáng)調(diào)理論學(xué)習(xí)的重要性，并在后面的實(shí)際操作中不斷強(qiáng)化這個(gè)觀點(diǎn)，讓學(xué)生從思想上重視起來.

因此，在學(xué)習(xí)內(nèi)容上，首先應(yīng)該重視有限元方法的基本理論與思想.在綜合理解有限元方法的基本理論與思想的前提下，結(jié)合ANSYS軟件平臺，重點(diǎn)對有限元集合建模、有限元的網(wǎng)格劃分等內(nèi)容進(jìn)行強(qiáng)化.通過實(shí)際案例分析，使學(xué)生在實(shí)體建模、求解及分析的過程中，進(jìn)一步深入理解有限元思想和掌握有限元分析方法.

2.2“產(chǎn)、學(xué)、研”相結(jié)合以豐富教學(xué)為了改善教學(xué)手段與方法，作者引入了“產(chǎn)、學(xué)、研”式教學(xué)模式來提升教學(xué)效果.“產(chǎn)、學(xué)、研”不僅可以增加案例和實(shí)現(xiàn)教材和教案的實(shí)用化和通俗易懂，而且還可以在“產(chǎn)、學(xué)、研”過程中積累知識和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，豐富教學(xué)資源，充實(shí)和完善教材，提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)實(shí)用性.作者通過以我校與海南某汽車零部件企業(yè)所建立的“產(chǎn)、學(xué)、研”合作基地為依托，以共同承擔(dān)的海南省“產(chǎn)、學(xué)、研”一體化專項(xiàng)基金項(xiàng)目為切入點(diǎn)，以實(shí)際研發(fā)中的各子項(xiàng)為案例，使科研與生產(chǎn)融入教學(xué)，更好地提升了教學(xué)效果.圖2為“產(chǎn)、學(xué)、研”教學(xué)案例—汽車某零部件的振動(dòng)屬性分析正視圖.

圖2　“產(chǎn)、學(xué)、研”教學(xué)案例—汽車某零部件振動(dòng)屬性分析的正視圖

在教學(xué)中，不僅可以充分結(jié)合自己的科研項(xiàng)目，有效發(fā)揮科研對于教學(xué)的幫助作用，而且還可以鼓勵(lì)學(xué)生針對“產(chǎn)、學(xué)、研”背景，思考一些具體的問題，考慮理論與實(shí)踐銜接的問題.同時(shí)，從車輛工程專業(yè)高年級本科生中擇優(yōu)挑選出一部分積極性高、動(dòng)手能力強(qiáng)的學(xué)生，實(shí)行導(dǎo)師負(fù)責(zé)制，以小組的形式加入科研項(xiàng)目中.從實(shí)際科研項(xiàng)目中，激發(fā)創(chuàng)新能力，鞏固學(xué)習(xí)知識.

2.3與工程實(shí)驗(yàn)相結(jié)合以提高教學(xué)“產(chǎn)、學(xué)、研”式教學(xué)模式實(shí)現(xiàn)了案例的應(yīng)用化與實(shí)用化.為使學(xué)生進(jìn)一步透徹理解有限元思想及應(yīng)用，還需在分析優(yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行工程實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證優(yōu)化的可行性.與有限元分析相比，實(shí)驗(yàn)周期長，實(shí)施難度大.因此，在有限元分析時(shí)需要更加全面地考慮，這增強(qiáng)了學(xué)生的責(zé)任心，并且最大限度地激發(fā)了學(xué)生的積極性.

以本人承擔(dān)的科研課題為載體，部分學(xué)生參與了課題中的鼓式制動(dòng)器的噪聲研究，同時(shí)利用CAD與CAE軟件建立了三維模型并進(jìn)行了模態(tài)分析，確定了各部件的固有頻率，如通過增加制動(dòng)鼓的厚度以及對制動(dòng)蹄采取添加質(zhì)量塊、加強(qiáng)肋以及提高其材料密度，對制動(dòng)底板采取添加質(zhì)量塊，提高制動(dòng)底板的彈性模量等方法來提高其固有振動(dòng)頻率，從而錯(cuò)開800 Hz左右的道路噪聲頻率，達(dá)到了降噪效果，通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比對，驗(yàn)證了措施的可行性.研究過程中還提出了可以通過在制動(dòng)底板與制動(dòng)蹄的支撐面之間添加阻尼墊片以及在制動(dòng)鼓表面粘貼阻尼材料的方法來進(jìn)一步降低噪聲.

2.4互動(dòng)式與啟發(fā)式引導(dǎo)教學(xué)互動(dòng)式教學(xué)不僅可以集中學(xué)生的注意力，還可以提升學(xué)生在教學(xué)過程中的參與度.以互動(dòng)式教學(xué)代替老師單方面的講授，可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中更加主動(dòng)，從而加深了學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容的印象，提高了他們學(xué)習(xí)的效率.

鑒于課程互動(dòng)教學(xué)模式單一的問題，即僅限于學(xué)生提問、老師回答的一問一答互動(dòng)，筆者提出基于案例分析的互動(dòng)式教學(xué).在教學(xué)過程中，設(shè)置2-4個(gè)學(xué)時(shí)的時(shí)間，讓學(xué)生針對自己在課程作業(yè)、ANSYS上機(jī)課程中遇到的實(shí)際案例進(jìn)行交流與討論.主要方法為：以小組為單位，小組成員總結(jié)課程作業(yè)與課程學(xué)習(xí)中遇到的問題，以PPT答辯的形式，上臺講解與交流.

啟發(fā)式教學(xué)即在教師的適當(dāng)引導(dǎo)下，通過一系列問題或情景的設(shè)置，來引發(fā)學(xué)生的聯(lián)想，從來達(dá)到學(xué)習(xí)的目的.啟發(fā)式教學(xué)替代一味的知識灌輸不僅可以促進(jìn)學(xué)生思維，提高教學(xué)質(zhì)量，而且還可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，這有助于學(xué)生培養(yǎng)學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性.

例如，學(xué)生中有很多都會彈吉他或?qū)W習(xí)過吉他，在學(xué)習(xí)完結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析后，筆者給出某一吉他弦的幾何尺寸和物理參數(shù)，要求學(xué)生自行完成其動(dòng)力學(xué)分析.學(xué)生在看到這類題目時(shí)，表現(xiàn)出了較大的學(xué)習(xí)興趣，在進(jìn)一步的研究中表現(xiàn)出了主觀能動(dòng)性.在確定分析類型的步驟中，學(xué)生參與度高，各抒己見，在模態(tài)、諧響應(yīng)和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)這三個(gè)類型中各有偏向，通過查找資料及回顧課程，最終確定做諧響應(yīng)分析.這個(gè)案例就是典型的啟發(fā)式教學(xué)，由教師提出問題，結(jié)合實(shí)際引起學(xué)生注意，繼而引發(fā)其思考，最終有所領(lǐng)悟，達(dá)到較好的教學(xué)效果.

2.5改革考核方式以鞏固教學(xué)將傳統(tǒng)的“70%+30%”考核方式改革為“30%+40%+30%”的考核方式，即期末考試占總評成績30%，課程作業(yè)占總評成績40%，平時(shí)成績占總評成績30%.期末考試仍以閉卷筆試為載體，內(nèi)容主要考核學(xué)生對于有限元分析的理論理解與掌握.課程作業(yè)以小組為單位，教師以工程實(shí)際中的有限元分析命題，讓學(xué)生使用ANSYS軟件進(jìn)行分析，主要考核學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、ANSYS軟件的操作以及實(shí)際問題的解決能力.平時(shí)成績?nèi)砸钥记诤驼n堂表現(xiàn)為主，旨在考查學(xué)生的組織紀(jì)律及課堂積極性.

3車輛CAE課程改革取得的效果

通過改革與實(shí)踐，有限元分析課程在教學(xué)上取得了一定的效果.具體表現(xiàn)為學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)中的進(jìn)步，以及畢業(yè)生在深造與工作過程中的反饋.

3.1有限元分析課程在學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用由于畢業(yè)實(shí)習(xí)以及考研等因素的影響，學(xué)生在之前的畢業(yè)設(shè)計(jì)選題中往往選擇一些偏綜述性的畢業(yè)選題，認(rèn)為此類畢業(yè)設(shè)計(jì)難度小、耗時(shí)少.經(jīng)過有限元分析課程的教學(xué)改革，大部分學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中，掌握了基本的有限元理論以及ANSYS軟件操作.這些知識的掌握不僅激發(fā)了學(xué)生對于模擬仿真類畢業(yè)設(shè)計(jì)的興趣，也增加了學(xué)生完成此類畢業(yè)設(shè)計(jì)的前期儲備與信心.

車輛工程專業(yè)2012—2014屆畢業(yè)論文中模擬仿真類選題所占比例如表1所示.2013屆、2014屆畢業(yè)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)選題中，涉及模擬仿真類選題的分別占畢業(yè)設(shè)計(jì)選題的42.31%、48.65%，分別較上一屆增加了4.81%、6.34%.多名學(xué)生直接以汽車零部件的有限元分析作為畢業(yè)選題，如：“基于ANSYS的汽車輪胎有限元分析研究”、“基于ANSYS的汽車水箱支架熱力耦合分析”等.這些學(xué)生均以較好的成績通過了畢業(yè)答辯，部分論文被評為了校級優(yōu)秀畢業(yè)論文.圖 3為2013屆作者指導(dǎo)的某畢業(yè)設(shè)計(jì)中發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的模態(tài)分析結(jié)果截圖.

表1　模擬仿真類選題占畢業(yè)設(shè)計(jì)題目比例

圖3　發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸模態(tài)分析結(jié)果截圖

3.2有限元分析課程對學(xué)生深造與就業(yè)的影響經(jīng)統(tǒng)計(jì)，海南大學(xué)車輛工程專業(yè)2013屆畢業(yè)生有69.70%的畢業(yè)去向?yàn)槠囌囍圃鞆S，大都從事汽車整車、零部件的設(shè)計(jì)與研發(fā)工作.其中，有22.60%的畢業(yè)生日常工作中涉及到CAE分析.同時(shí)，繼續(xù)深造的畢業(yè)生中也有從事車輛結(jié)構(gòu)分析、汽車空氣動(dòng)力學(xué)流場分析等研究方向的.有限元分析課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生理解了有限元分析的基礎(chǔ)理論、掌握了ANSYS軟件的操作，提高了學(xué)生模擬仿真分析的應(yīng)用能力，為從事CAE研究和工作打下了基礎(chǔ).

4結(jié)語

有限元技術(shù)在提高產(chǎn)品可靠性的前提下，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)省了產(chǎn)品開發(fā)成本，在汽車工業(yè)備受關(guān)注.掌握《車輛CAE技術(shù)》相關(guān)知識，能夠使學(xué)生在后續(xù)的深造與工作中具備一定的優(yōu)勢.要想在有限的課時(shí)內(nèi)，使學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握車輛CAE技術(shù)的相關(guān)知識，需在教與學(xué)的過程中進(jìn)行改革與實(shí)踐，推陳出新.作者總結(jié)多年實(shí)際教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，在明確教學(xué)目的的前提下，通過“產(chǎn)、學(xué)、研”結(jié)合來豐富教學(xué)內(nèi)容，通過與工程實(shí)驗(yàn)結(jié)合來提高教學(xué)質(zhì)量，以互動(dòng)式與啟發(fā)式教學(xué)來增強(qiáng)教學(xué)效果，同時(shí)以改革考核方式來鞏固教學(xué)成果.通過這一系列的舉措，取得了一定的實(shí)際教學(xué)效果，為車輛工程專業(yè)該課程的教學(xué)提供了一定的思路.當(dāng)然，對于該課程的改革與實(shí)踐，仍有很多問題有待發(fā)現(xiàn)與解決，更需要在今后的教學(xué)工作中不斷地吸收國內(nèi)外的先進(jìn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際工作中不斷地完善與突破.

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Teaching Reformation and Practice on the Course of Automotive CAE Technology

Liu Yanxia, Li Mei, Zhang Shaobo, Li Jinsong

(College of mechanical and electrical engineering, Hainan University, Haikou 570228, China)

Abstract：Focused on the teaching reformation and practice on the course of automotive CAE technology, the importance of the course was emphasized and the characteristics of the course were described. The problems in the course of automotive CAE technology including limited teaching period, a wide range of contents, and unreasonable teaching and appraisal methods, were analyzed. Aimed at the problems, the methods of teaching reformation and practice were proposed, and the teaching effectiveness was improved.

Keywords：automotive CAE technology; teaching reform; interactive teaching; heuristic teaching

收稿日期：2015-10-26

基金項(xiàng)目：海南大學(xué)2015年度教育教學(xué)改革研究課題(hdjy1510)

作者簡介：劉燕霞(1980-)，女，山西壽陽人，講師，研究方向：汽車CAE技術(shù)、CAE課程實(shí)踐教學(xué)改革，E-mail: 13976443569@163.com

文章編號：1004-1729(2016)01-0090-05

中圖分類號：G 642.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2016.0014