面向動(dòng)力機(jī)械專業(yè)的CAE應(yīng)用基礎(chǔ)課程教學(xué)的思考與改革

邵珊珊　王軍

摘要：計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）是動(dòng)力機(jī)械專業(yè)學(xué)生一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。本人在CAE教學(xué)過程中的實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)，分析了理論講解過于枯燥、上機(jī)實(shí)踐目的性不明顯、教學(xué)模式古板、考核方式不夠完善等多方面的問題，并提出調(diào)整理論教學(xué)與上級(jí)操作的課時(shí)比例、采用案例分析教學(xué)模式、更新與完善上機(jī)操作案例、增加上機(jī)操作案例分析成績等改革措施，為CAE應(yīng)用基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革提供了思路與參考。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力機(jī)械專業(yè)；CAE；教學(xué)；思考；改革

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）25-0079-02

CAD（Computer Aided Design）指利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行幾何設(shè)計(jì)、幾何實(shí)體建模、繪圖等，CAE（Computer Aided Design）指利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬分析計(jì)算，CAM指的是工藝設(shè)計(jì)、NC變成、機(jī)器人變成等生產(chǎn)準(zhǔn)備過程。利用CAD進(jìn)行產(chǎn)品的幾何實(shí)體建模，為CAE所用；利用CAE對(duì)產(chǎn)品的幾何實(shí)體模型進(jìn)行性能分析、強(qiáng)度分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析等方面的數(shù)值模擬計(jì)算；利用CAD輸出產(chǎn)品的三維圖紙、工程圖紙等，并保存所有產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息為CAM所用。目前，通過該課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生具備一定的理論基礎(chǔ)，掌握相關(guān)應(yīng)用軟件，培養(yǎng)學(xué)生利用相關(guān)CAE軟件分析問題、解決問題的能力，為日后從事相關(guān)工作打好基礎(chǔ)。

本人教學(xué)“CAE應(yīng)用基礎(chǔ)”課程，是面對(duì)動(dòng)力機(jī)械專業(yè)的學(xué)生專門開設(shè)的一門課程，為學(xué)生們將來從事內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)及研發(fā)相關(guān)方面的工作奠定一定基礎(chǔ)。

一、課程內(nèi)容

本門課程所用教材為《CAD/CAE/CAM技術(shù)與應(yīng)用》，選擇性地重點(diǎn)講授了CAD和CAE兩個(gè)部分的內(nèi)容，對(duì)CAM只做簡單介紹。從CAD/CAE/CAM概述出發(fā)，首先講解了圖形技術(shù)、產(chǎn)品造型和設(shè)計(jì)及等基礎(chǔ)理論，然后介紹了CAD技術(shù)的應(yīng)用（重點(diǎn)分析Solidworks軟件），再次介紹了CAE技術(shù)的基礎(chǔ)理論及ANSYS軟件的操作，最后簡要分析了CAD/CAE/CAM系統(tǒng)集成技術(shù)。

二、教學(xué)方法

本門課程共計(jì)30個(gè)學(xué)時(shí)，其中20個(gè)學(xué)時(shí)為課堂教學(xué)，10個(gè)學(xué)時(shí)為上機(jī)操作，各章的課時(shí)數(shù)見圖1。其中CAD技術(shù)應(yīng)用和CAE技術(shù)應(yīng)用采用課堂教學(xué)和上機(jī)操作相結(jié)合的方式。CAD應(yīng)用只針對(duì)Solidworks軟件，上機(jī)課內(nèi)容主要為SolidWorks基本操作和草圖繪制、SolidWorks輔助零件設(shè)計(jì)及SolidWorks軟件裝配體設(shè)計(jì)；CAE應(yīng)用只針對(duì)ANSYS軟件，上機(jī)課內(nèi)容為ANSYS基本操作和網(wǎng)格劃分、ANSYS應(yīng)用實(shí)例操作。

考核方式：最終評(píng)定成績由平時(shí)成績和考試成績之和，其中平時(shí)成績占比30%，由課堂及上機(jī)表現(xiàn)情況綜合決定，考試成績占比70%，由考試卷面成績?yōu)闇?zhǔn)。

三、目前存在問題

CAE是動(dòng)力機(jī)械專業(yè)學(xué)生非常重要的一門專業(yè)技術(shù)課，在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上對(duì)學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備等方面要求較高，同時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)操作能力要求也比較高，其中包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、常規(guī)畫圖操作等，為CAE軟件的上機(jī)實(shí)踐做好準(zhǔn)備。在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)如下若干問題：

1.理論講解過于枯燥。本課程安排了20個(gè)課時(shí)進(jìn)行理論講解，其中圖形技術(shù)基礎(chǔ)、產(chǎn)品造型及設(shè)計(jì)與CAE技術(shù)基礎(chǔ)理論分別為SolidWorks和ANSYS軟件上機(jī)操作提供理論支持。實(shí)際上，在對(duì)軟件絲毫沒有接觸的基礎(chǔ)上講解理論知識(shí)，對(duì)于學(xué)生來說是非常枯燥且難以理解的。

2.上機(jī)實(shí)踐目的性不明顯。上機(jī)操作僅介紹了SolidWorks和ANSYS軟件的基本操作，以及部分簡單的案例示范，如單元梁的受力分析等。事實(shí)上，上述操作主要針對(duì)所有工科專業(yè)，并沒有具體涉及到內(nèi)燃機(jī)各零部件，和動(dòng)力機(jī)械專業(yè)關(guān)聯(lián)性不夠，即上機(jī)操作的目的性不明顯。

3.教學(xué)模式古板。本課程采用課堂教學(xué)和上機(jī)操作相結(jié)合的方式實(shí)施教學(xué)，是非常合適的。但是其實(shí)本課程更應(yīng)該是偏于實(shí)踐的，10個(gè)課時(shí)的上機(jī)時(shí)間是不夠的。而且上機(jī)操作僅針對(duì)小型案例分析，如彈簧受拉受力分析等，案例過于簡單，不能夠完全鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力。

4.考核方式不夠完善。目前的考核方式更加側(cè)重于卷面考試成績，而對(duì)于上機(jī)操作的成績并沒有考慮。對(duì)于CAE應(yīng)用基礎(chǔ)這樣一類偏重于實(shí)踐的課程，上機(jī)操作的案例分析成績應(yīng)該是考核必不可少的部分，且其所占比例應(yīng)該較大。

四、改革措施

1.調(diào)整理論教學(xué)與上級(jí)操作的課時(shí)比例。筆者在教學(xué)過程中嘗試以實(shí)踐為主，理論為輔的教學(xué)模式，即打破理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)分開進(jìn)行的傳統(tǒng)授課方式。將CAD和CAE技術(shù)應(yīng)用的課時(shí)一分為三，第一部分采用理論教學(xué)，第二部分則針對(duì)性地上機(jī)實(shí)踐，第三部分回歸到理論知識(shí)和上機(jī)操作的總結(jié)上，一方面對(duì)上機(jī)操作有一個(gè)回顧和總結(jié)的過程，另一方面有利于對(duì)理論知識(shí)的進(jìn)一步理解。

通過上機(jī)操作可以很好地鞏固上節(jié)課所學(xué)的理論知識(shí)，這樣就將理論教學(xué)與上機(jī)實(shí)踐有機(jī)地銜接了起來，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)于CAE基礎(chǔ)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)與理解，學(xué)懂了，自然就有了興趣，而興趣則是最好的老師。

2.采用案例分析教學(xué)模式。以工程實(shí)例為主線設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容和組織課堂教學(xué)，采用“案例教學(xué)+實(shí)踐反思+知識(shí)總結(jié)”的教學(xué)模式，以案例為基礎(chǔ)，把所有要教授的知識(shí)鑲嵌在案例中，再借由案例的情境進(jìn)行闡釋。

上述教學(xué)改革模式的關(guān)鍵是構(gòu)建一個(gè)具有教學(xué)案例知識(shí)獲取、存儲(chǔ)、傳遞、共享、轉(zhuǎn)化、創(chuàng)新和應(yīng)用功能的教學(xué)案例知識(shí)管理系統(tǒng)。因此，我們將基于案例推理的技術(shù)引入到CAD教學(xué)案例知識(shí)管理中，以期解決教學(xué)中存在的理論知識(shí)講授枯燥單薄、理論知識(shí)與上機(jī)操作脫節(jié)等問題。

3.更新與完善上機(jī)操作案例。本人所在的動(dòng)力機(jī)械系以內(nèi)燃機(jī)為對(duì)象，研究如何把燃料的化學(xué)能和流體動(dòng)能安全、高效、低污染地轉(zhuǎn)換成動(dòng)力的基本規(guī)律和過程。所以本學(xué)科的相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課程均應(yīng)與內(nèi)燃機(jī)密切相關(guān)。以汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為例，一般由機(jī)體、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)燃料供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、起動(dòng)系統(tǒng)組成。

上機(jī)操作時(shí)，案例不應(yīng)該只是簡單地單元梁的受力分析，與本專業(yè)關(guān)聯(lián)度不大。應(yīng)該讓學(xué)生嘗試針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)某一組成系統(tǒng)（曲軸連桿、搖臂等）進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性分析，一方面幫助學(xué)生對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)有深入認(rèn)識(shí)，另一方面加強(qiáng)學(xué)生的造型與仿真能力。建議從發(fā)動(dòng)機(jī)組成系統(tǒng)中某一零部件著手，逐步加大難度。

4.增加上機(jī)操作案例分析成績。在掌握基本操作的基礎(chǔ)上，建議采用分組的形式進(jìn)行具體案例分析。以曲柄連桿機(jī)構(gòu)為例，將學(xué)生分為兩組，一組學(xué)生負(fù)責(zé)曲軸飛輪組，另一組學(xué)生負(fù)責(zé)活塞連桿組，各組分配4人，最終以團(tuán)隊(duì)成果計(jì)入成績。

最終評(píng)定成績?nèi)杂善綍r(shí)成績和考試成績之和，其中平時(shí)成績占比20%，由課堂及上機(jī)出勤情況綜合決定；考試成績占比80%，由考試卷面成績和團(tuán)隊(duì)案例成績組成，各自占比50%。

五、結(jié)束語

目前，CAE已成為工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域必不可少的分析手段。加強(qiáng)CAE課程教學(xué)方法的改革與創(chuàng)新，是目前各大高校教學(xué)改革過程中的重要環(huán)節(jié)之一。經(jīng)過近年來對(duì)于CAE教學(xué)的思考與探索，提出目前的CAE課程教學(xué)中存在的若干問題，提出部分改革方案，旨在提高CAE課程的教學(xué)質(zhì)量，同時(shí)也為今后進(jìn)一步的CAE課程教學(xué)改革與創(chuàng)新提供了參考和思路。

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