基于工程教育認證的機械結(jié)構(gòu)ANSYS課程教學(xué)改革與實踐

李樹森+任毅

摘要：應(yīng)企業(yè)需求反饋，基于工程教育專業(yè)認證的理念，對《機械結(jié)構(gòu)有限元分析》課程制定了新的教學(xué)體系。從機械專業(yè)人才培養(yǎng)目標出發(fā)進行教學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化，以學(xué)生為中心，學(xué)習(xí)成果達成為目標，進行教學(xué)指導(dǎo)、管理建設(shè)及自我評價，形成一套不斷自我完善的可持續(xù)發(fā)展教學(xué)改進機制。并對近三年《機械結(jié)構(gòu)有限元分析》課程的改革實踐情況進行了分析總結(jié)，實踐結(jié)果表明：教學(xué)內(nèi)容的選擇設(shè)計、教學(xué)手段和考核方法的改進以及加強實踐環(huán)節(jié)訓(xùn)練等方面，使課程體系和教學(xué)內(nèi)容進一步體現(xiàn)基礎(chǔ)性、科學(xué)性和前瞻性。建立健全科學(xué)合理的考核評價體系，形成可持續(xù)發(fā)展機制，可以激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣，提高掌握知識點和ANSYS軟件學(xué)習(xí)效果，以實現(xiàn)培養(yǎng)分析實際工程問題的能力。

關(guān)鍵詞：工程教育認證；有限元分析課程；教學(xué)指導(dǎo)；管理建設(shè)；評價機制

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）51-0233-03

工程教育專業(yè)認證是國際通行的工程教育質(zhì)量保障制度，也是實現(xiàn)工程教育·國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎(chǔ)[1]。工程教育專業(yè)認證通過建立同現(xiàn)實工程師制度相匹配的教育評價體系，實現(xiàn)教育與工程界的接軌，確保工科專業(yè)畢業(yè)生達到行業(yè)認可的素質(zhì)要求。通過對該理念的學(xué)習(xí)，我們認識到基于工程教育專業(yè)認證，將以教師傳播知識為主要特征的傳授型教學(xué)模式，向以培養(yǎng)學(xué)生認知能力和實踐能力為主要特征的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變，滿足社會對應(yīng)用型人才的需求已成為我國高等工程教育界的研究熱點。

有限元法是當今科學(xué)技術(shù)發(fā)展和工程分析中獲得廣泛應(yīng)用的數(shù)值方法之一[2-4]。通過有限元分析軟件，可以在產(chǎn)品設(shè)計階段進行性能分析、預(yù)測與精確計算，縮短了產(chǎn)品研發(fā)及生產(chǎn)周期。對于復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)靜態(tài)、動態(tài)與熱態(tài)線性與非線性或穩(wěn)定性計算分析，采用有限元借助計算機運算，均可獲得滿意的結(jié)果。

近年來，有限元法已經(jīng)發(fā)展成為機械工程技術(shù)人員必須具備的知識[5，6]。國內(nèi)高校從90年代后期開始，就逐步展開有關(guān)有限元分析及應(yīng)用課程體系的改革與實踐，以滿足機械類專業(yè)教學(xué)需求。我校綜合大部分企業(yè)對機械專業(yè)畢業(yè)生的反饋信息，發(fā)現(xiàn)機械專業(yè)對有限元法專業(yè)技能要求掌握得不夠理想。本文基于工程教育專業(yè)認證的新理念，對有限元法課程理論與實踐教學(xué)環(huán)節(jié)進行了形成性教學(xué)改革與實踐，這對提升學(xué)生獨立運用有限元法從事機械設(shè)計的能力、課程教學(xué)水平和學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力等方面具有重要的意義。

一、教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化情況

教科書是課堂教學(xué)內(nèi)容的整體框架，教學(xué)內(nèi)容選擇的適合與否直接影響教學(xué)效果的好壞。現(xiàn)在的大多數(shù)教材內(nèi)容是在前人基礎(chǔ)上做出的二次開發(fā)，即依葫蘆畫瓢，這就讓學(xué)生的學(xué)習(xí)成了“傻瓜型”，對于學(xué)生的創(chuàng)新不利。其內(nèi)容應(yīng)更注重創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，不僅授人以“魚”，更著重授人以“漁”[7，8]。同時，要求有限元課程側(cè)重課程內(nèi)容的深度、廣度與應(yīng)用，在教學(xué)內(nèi)容上強調(diào)“少、精、寬、新”，實行課程模塊化和小型化。因此，應(yīng)本著教材的先進性、學(xué)術(shù)性和適用性出發(fā)，合理選取教材。

豐富教學(xué)內(nèi)容，將多媒體、網(wǎng)絡(luò)、幻燈片和實物展示臺等教學(xué)儀器引入課堂。對于有限元分析課程，借助多媒體設(shè)備，進行直觀的交互式教學(xué)更凸顯其優(yōu)勢。處理好基礎(chǔ)性和先進性、經(jīng)典與現(xiàn)代的關(guān)系，保證傳授知識的先進性、實用性，使學(xué)生學(xué)有所獲，學(xué)有所用。融合知識要點，理清知識結(jié)構(gòu)，經(jīng)過組織、加工，最終有效地轉(zhuǎn)化為學(xué)生所掌握的知識。

二、教學(xué)指導(dǎo)與考核管理情況

1.教學(xué)指導(dǎo)方式先進。在經(jīng)過大量調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，借鑒國內(nèi)外大學(xué)研究型教學(xué)模式改革方面經(jīng)驗，結(jié)合機械專業(yè)特點，采用“啟發(fā)式”、“互動式”和“項目式”相結(jié)合的教學(xué)模式，營造研究型課程教學(xué)環(huán)境，以著重培養(yǎng)學(xué)生認知能力和實踐能力。

“啟發(fā)式”教學(xué)方法研究：教學(xué)過程中根據(jù)教學(xué)任務(wù)和學(xué)習(xí)的客觀規(guī)律，從學(xué)生的實際出發(fā)，采用多種方式，以啟發(fā)學(xué)生的思維為核心，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)主動性和積極性，促使他們生動活潑地學(xué)習(xí)。針對有限元分析及應(yīng)用課程邏輯性強，要求數(shù)學(xué)力學(xué)基礎(chǔ)較高的特點，研究如何有效結(jié)合計算結(jié)果與恰當?shù)奈锢斫忉?，以增強學(xué)生對深奧理論知識的感性認識。

“互動式”教學(xué)方法研究：以學(xué)生的自主分析和設(shè)計為主體，在教師給出特定情境下，研究基于有限元分析軟件ANSYS的工程實際問題，使學(xué)生針對具體工程實例充分認識掌握各知識要點的本質(zhì)，自主提出問題解決方案。

“項目式”教學(xué)方法研究：一種工學(xué)結(jié)合、任務(wù)驅(qū)動和項目導(dǎo)向的教學(xué)模式。項目式教學(xué)法嘗試通過實施一系列完整的教學(xué)項目，將理論和實踐有機地結(jié)合，它以任務(wù)為導(dǎo)向進行教學(xué)活動，在老師的指導(dǎo)下，將一個相對獨立的項目交由學(xué)生自己處理，信息的采集、方案的設(shè)計、項目實施及最終評價，都由學(xué)生自己負責(zé)，學(xué)生通過該項目的進行，了解并把握整個過程及每個環(huán)節(jié)中的基本要求。其最顯著的特點是“以項目為主線、教師為引導(dǎo)、學(xué)生為主體”，是師生共同完成項目，共同取得進步的教學(xué)方法。

教學(xué)方法上逐漸向以學(xué)生為中心的方式靠攏，實現(xiàn)從“一言堂”到“啟發(fā)式、互動式、項目式”的教學(xué)方法的轉(zhuǎn)變。以提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、實踐能力、獨立思考能力和觀察能力等，滿足社會對應(yīng)用型人才的需求。

實踐表明，這種教學(xué)方式的應(yīng)用，從課前重點和難點問題的提出，到課上重點和難點問題的討論和小組討論；從教師課題項目問題的提出，到學(xué)生對項目問題的分析、研究和解決，始終以各種問題為導(dǎo)向，引發(fā)學(xué)生思考，并將科學(xué)研究的眾多要素滲透到教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中，讓學(xué)生和科研小組在教學(xué)環(huán)節(jié)中體驗科學(xué)研究的全過程，從而使學(xué)生自身的問題分析能力、理論分析能力、編程能力、動手實踐能力、科學(xué)創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作能力得到鍛煉和發(fā)展。

2.知識點模塊化、合理實施考核。為了改變應(yīng)試教育給學(xué)生學(xué)習(xí)帶來的消極作用，我們也相應(yīng)地改變了考核形式。以往都是單純以卷面的形式來考查學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，這樣會造成學(xué)生為了考試而學(xué)習(xí)的弊端[9，10]。為了調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，能使考試成績更加真實地反映學(xué)生學(xué)習(xí)的效果，我們采用多元化的考核制度，即：階段性考試實驗設(shè)計考核成績和期末考試成績結(jié)合模式。（1）階段性實驗設(shè)計。主要是對學(xué)生掌握知識內(nèi)容和知識結(jié)構(gòu)，并靈活運用的檢測。我們將教學(xué)內(nèi)容模塊化，結(jié)合知識要點分為幾個考核項目，從實際問題中出發(fā)，挑選出能反映所學(xué)知識且難度適中的習(xí)題。由學(xué)生自己獨立地完成上機建模與模擬分析，并依據(jù)有限元規(guī)范格式書寫分析求解過程的報告。實驗設(shè)計分數(shù)的給出依據(jù)以創(chuàng)新性、實用性為主要標準，并參考學(xué)生的實際情況，進行客觀評分。這種以學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力為考核重點的成績評價方式，激發(fā)了學(xué)生平時創(chuàng)新的自覺性和主動性，促進了學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新品格的培養(yǎng)。通過實驗設(shè)計的考核，相對單純的卷面考試，更能體現(xiàn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和獨立思考的能力。（2）期末考試考核。還是以卷面的形式考核，但在考試內(nèi)容和形式上做了改變。在考試內(nèi)容方面，提倡以解決復(fù)雜問題分析和設(shè)計為主的題型，合理布局試卷的難易度、深廣度、區(qū)分度。

通過以階段考核、期中考核和期末考核、上機實踐和作業(yè)以及教研討論和專題等有機結(jié)合，實施過程化、多元化的考核方式，激發(fā)了學(xué)生平時創(chuàng)新的自覺性和主動性，促進了學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新品格的能力培養(yǎng)。

三、教學(xué)改革實踐成果

針對設(shè)定的培養(yǎng)目標，結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，以之為導(dǎo)向，學(xué)生為中心，建立了“評價—反饋—改進”的閉環(huán)持續(xù)改進機制。以下是以成果為導(dǎo)向《機械結(jié)構(gòu)有限元分析》課程教學(xué)實踐。

通過對2014年學(xué)生學(xué)習(xí)成果的達成情況分析，發(fā)現(xiàn)學(xué)生應(yīng)用結(jié)構(gòu)有限元方法分析工程中實際問題的能力不足，獨立解決問題的能力欠缺。針對這些問題，2015年在課程講解的過程中，增加了更多貼近工程實際的案例分析；在課程章節(jié)性總結(jié)中進行相似案例的歸納比較，加強貫穿性的對比分析認識；并在課程的考核過程中要求學(xué)生獨立完成實際問題的分析與解決，有效地增強了學(xué)生運用有限元方法的獨立工作能力，提高了學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量。2015年，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對軟件上機課程不夠重視，上機操作不熟練，隨即在后期的教學(xué)過程中加強上機操作實踐環(huán)節(jié)的管理，加大上機操作考核評分的比重，提高學(xué)生的綜合能力。表1為2016年上半年課程目標各項能力達成度評價情況。

從表1可以看出，近3年機械結(jié)構(gòu)有限元課程教學(xué)改革取得了顯著效果，學(xué)生的各項能力水平都達到了很高的標準。同時，通過對所設(shè)定的各個知識目標和能力目標的學(xué)習(xí)結(jié)果分析，可以評價本課程的實際學(xué)習(xí)成果。通過持續(xù)改進機制，保證持續(xù)改進培養(yǎng)目標，始終符合社會需求；持續(xù)改進畢業(yè)要求，始終符合培養(yǎng)目標；持續(xù)改進教學(xué)活動，始終符合畢業(yè)要求，為該課程在進行工程教育專業(yè)認證建設(shè)中課程體系的改革建設(shè)提供了一定的參考依據(jù)。

四、結(jié)束語

本文結(jié)合機械結(jié)構(gòu)ANSYS課程的教學(xué)實踐，針對教學(xué)中存在的弊端，從教學(xué)內(nèi)容、教材及參考書選用、教學(xué)方法、考核方式等方面進行了探索和改革。通過上述的教學(xué)改革和實踐，作為校重點課程的《機械結(jié)構(gòu)有限元分析》教學(xué)取得了明顯效果，提高了學(xué)生應(yīng)對實際問題的綜合能力，實現(xiàn)了互動教學(xué)中“教”與“學(xué)”的有機結(jié)合，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，建立了“新的觀念、新的教學(xué)模式、新的管理機制”。

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Teaching Reform and Practice of Mechanical Structure ANSYS Course Based on Engineering Education Certification

LI Shu-sen，REN Yi

（College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin，Heilongjiang 150040，China）

Abstract：In response to enterprise demand feedback，based on the concept of Engineering Education Accreditation，the mechanical finite element analysis program develop a new teaching system. Optimize teaching system from mechanical professional training target and carry through teaching guide，construction management and self-evaluation based on student-centered and the goal of learning outcomes to achieve. Which form a continuous self-improvement and sustainable development of teaching improved mechanism. Practice of reform in recent years mechanical finite element analysis programs were analyzed and summarized. And the results show that improve the design of teaching content，teaching methods and assessment methods，and strengthen the practice training to make curriculum system and teaching content further embody the fundamental，scientific nature and prospective with the concept of students' learning outcomes based on engineering education professional accreditation. Establish and improve a scientific and reasonable evaluation system，and form sustainable development mechanism to stimulate students' interest in independent study and improve the grasp of the knowledge point and ANSYS software learning effect；Innovative excellent teaching environment to realize the ability of analyzing practical engineering problems.

Key words：engineering education accreditation；finite element analysis course；teaching guide；construction manag-

ement；evaluation mechanism