《有限元分析與應(yīng)用》課程教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革——任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)

趙秀婷

(貴州理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550003)

0 引言

工程教育專業(yè)認(rèn)證即是對(duì)工科專業(yè)的畢業(yè)生提出的質(zhì)量要求，是一種綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)，是以培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求為導(dǎo)向(OBE)的合格性評(píng)價(jià)?；趯W(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式(Outcomes-based Education，縮寫為OBE)，在OBE教育系統(tǒng)中，教育者必須對(duì)學(xué)生畢業(yè)時(shí)應(yīng)達(dá)到的能力及其水平有清楚的構(gòu)想，然后尋求設(shè)計(jì)適宜的教育結(jié)構(gòu)來(lái)保證學(xué)生達(dá)到這些預(yù)期目標(biāo)[1]。為了適應(yīng)高等學(xué)校教育模式的改革，本文針對(duì)《有限元分析與應(yīng)用》課程在教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革方面進(jìn)行初步探索[2]。

1 改革思路與構(gòu)想

《有限元分析與應(yīng)用》課程的教學(xué)總起來(lái)應(yīng)該分為理論教學(xué)和理論加實(shí)踐教學(xué)兩部分，對(duì)于研究型大學(xué)來(lái)說(shuō)，他們主要培養(yǎng)的是對(duì)有限元理論進(jìn)行深入研究的學(xué)生，課程主要開設(shè)在本科生和研究生階段。對(duì)于應(yīng)用型大學(xué)來(lái)說(shuō)，他們培養(yǎng)的是應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)工程項(xiàng)目分析的能力，要求學(xué)生知道部分簡(jiǎn)單的理論，更注重的是實(shí)際應(yīng)用軟件能力的培養(yǎng)。對(duì)于其中的有限元理論知識(shí)和分析推導(dǎo)方程等知識(shí)，需要涉及到變分、積分、插值函數(shù)等知識(shí)，這些知識(shí)對(duì)沒(méi)有更多數(shù)學(xué)基礎(chǔ)工科生來(lái)說(shuō)，學(xué)起來(lái)比較困難，如果單純的講解數(shù)學(xué)推導(dǎo)計(jì)算會(huì)造成課程枯燥乏味，從而也達(dá)不到學(xué)習(xí)本課程的目的。

為了避免只學(xué)軟件不懂一點(diǎn)理論的困局，因此提出改進(jìn)課程教學(xué)思路，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)為導(dǎo)向，通過(guò)課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生最終達(dá)到知道基本理論，熟練操作軟件解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。

2 教學(xué)內(nèi)容和課程體系

有限元法通常是根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定合適的單元類型，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，并按一定規(guī)則列出節(jié)點(diǎn)序號(hào)、單元序號(hào)，通過(guò)計(jì)算單元?jiǎng)偠染仃嚭徒Y(jié)構(gòu)的總體剛度矩陣以及邊界條件，然后求解整體結(jié)構(gòu)的力位移方程，得到各節(jié)點(diǎn)位移，最后計(jì)算出單元應(yīng)力[3]。通常只給學(xué)生介紹桿系結(jié)構(gòu)有限元這部分理論知識(shí)。只講各方程的物理意義和出處，不講復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)過(guò)程。整個(gè)課程主要介紹軟件如何使用。

1)首先根據(jù)課程安排介紹ANSYS的基本使用，包括圖形用戶界面講解、數(shù)據(jù)庫(kù)和文件類型介紹，通過(guò)1個(gè)二維平面模型的簡(jiǎn)單實(shí)例讓學(xué)生了解ANSYS的典型分析過(guò)程。同時(shí)布置相應(yīng)的課后作業(yè)，讓學(xué)生課后加深對(duì)軟件的使用步驟和分析過(guò)程的理解與掌握。

2)介紹如何運(yùn)用軟件進(jìn)行實(shí)體模型創(chuàng)建，這部分內(nèi)容對(duì)于學(xué)生的要求是會(huì)創(chuàng)建實(shí)體模型，會(huì)幾何圖元的操作運(yùn)算、編輯即可。因?yàn)锳NSYS軟件具有很好的與建模軟件無(wú)縫連接的功能，能與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD，(computer Aided design)軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Creo，UG、SolidWorks、AutoCAD等。

3)實(shí)體模型的網(wǎng)格劃分，有限元定義了多種單元類型，要求學(xué)生會(huì)選擇單元類型，能正確的劃分網(wǎng)格。通過(guò)課堂講授介紹ANSYS常用的單元類型及網(wǎng)格劃分方法，利用實(shí)例上機(jī)練習(xí)，讓學(xué)生會(huì)定義單元類型，能正確的劃分網(wǎng)格。

4)施加載荷與有限元求解，通過(guò)課上老師實(shí)際上機(jī)操作介紹載荷的類型，載荷步與求解預(yù)設(shè)置，利用具體的實(shí)例演示給學(xué)生看，載荷如何定義，載荷步控制操作及常用有限元求解方法，要求學(xué)生自己會(huì)施加載荷及求解設(shè)置。

5)通用后處理，主要介紹如何讀取結(jié)果文件，結(jié)果的顯示和列表，結(jié)果瀏覽器，結(jié)果數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，POST1中其他后處理功能。使學(xué)生對(duì)于求解出的結(jié)果，會(huì)使用通用后處理顯示結(jié)果，能正確判斷分析結(jié)果是否正確。這部分內(nèi)容主要通過(guò)老師講和學(xué)生練習(xí)結(jié)合完成。

6)ANSYS應(yīng)用菜單介紹，主要對(duì)照軟件逐一演示講解文件，選擇，列表顯示，繪圖顯示，繪圖控制，工作平面，參數(shù)，宏命令，菜單控制，幫助等菜單項(xiàng)的操作功能。要求學(xué)生會(huì)使用應(yīng)用菜單。

7)應(yīng)用實(shí)例，分別安排夾具支架的強(qiáng)度分析，衛(wèi)星的受力分析，傳熱結(jié)構(gòu)的熱分析， 熱—結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)實(shí)例。這4個(gè)實(shí)例分別安排在上述內(nèi)容中進(jìn)行訓(xùn)練。

通過(guò)上述全部?jī)?nèi)容的學(xué)習(xí)，對(duì)本課程提出了如何使學(xué)生達(dá)到應(yīng)有的能力，如何使學(xué)生通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)就能夠解決實(shí)際工程問(wèn)題，這些問(wèn)題也正是工程教育專業(yè)認(rèn)證所要求的內(nèi)容。因此，本課程采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法，以大型通用有限元軟件應(yīng)用為基礎(chǔ)，以有限元基礎(chǔ)理論為支撐，來(lái)分析不同工程案例的有限元求解過(guò)程，使學(xué)生建立起使用有限元法求解工程問(wèn)題的整體思路。

3 教學(xué)改革

采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法改革，改變以往的按章節(jié)逐一講解的方式進(jìn)行，將應(yīng)用實(shí)例這部分內(nèi)容貫穿整個(gè)課程，4個(gè)應(yīng)用實(shí)例分別安排在不同的章節(jié)進(jìn)行實(shí)際上機(jī)訓(xùn)練，讓學(xué)生通過(guò)具體的實(shí)例練習(xí)來(lái)加深對(duì)每部分所講內(nèi)容的理解與掌握，通過(guò)這種方法授課，使學(xué)生不會(huì)感到乏味難學(xué)，將教師的“講”和學(xué)生的“練”有機(jī)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)練習(xí)中遇到問(wèn)題并解決問(wèn)題從而達(dá)到事半功倍的效果，使學(xué)生對(duì)課程產(chǎn)生濃厚的興趣。

1)基本操作方法訓(xùn)練

理論課程安排在機(jī)房上，有助于基本操作方法理論知識(shí)講解的同時(shí)進(jìn)行基本操作方法訓(xùn)練，結(jié)合具體實(shí)例完成。

對(duì)于上機(jī)過(guò)程中學(xué)生遇到的問(wèn)題，老師及時(shí)幫助解決，同時(shí)老師將大多數(shù)學(xué)生遇到的問(wèn)題，在課上再演示操作并講解。對(duì)教學(xué)內(nèi)容和課程體系中涉及的內(nèi)容全部采用“講”和“練”結(jié)合的方式。

2)綜合能力的培養(yǎng)

教師制定一個(gè)具體的工程實(shí)例，讓學(xué)生獨(dú)立完成有限元分析過(guò)程，可以了解學(xué)生模型創(chuàng)建、網(wǎng)格劃分、有限元求解及結(jié)果輸出等環(huán)節(jié)的掌握程度，采用上機(jī)輔導(dǎo)的方式完成，對(duì)于不懂的地方老師幫助解決，這樣可以培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用 ANSYS 軟件的能力。對(duì)ANSYS軟件的操作過(guò)程有一個(gè)全面的了解和掌握。

3)實(shí)踐能力的培養(yǎng)

有限元技術(shù)已經(jīng)在眾多行業(yè)領(lǐng)域得到了深入的應(yīng)用，并取得了很好的效果，尤其在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中，大大地縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)周期，降低了成本，改變以往的設(shè)計(jì)必須制造出樣品才能驗(yàn)證設(shè)計(jì)開發(fā)產(chǎn)品是否合理的弊端。如果應(yīng)用型大學(xué)本科畢業(yè)生能熟練掌握此軟件，將為他們的就業(yè)提供了極大的幫助。因此基于OBE的教育理念，最后要求學(xué)生根據(jù)自己的認(rèn)知選擇不同的現(xiàn)代工程實(shí)際問(wèn)題，建立有限元分析求解方案，通過(guò)模型創(chuàng)建、材料定義、網(wǎng)格劃分、施加載荷和邊界條件、有限元求解及結(jié)果輸出等環(huán)節(jié)，獨(dú)立完成工程分析任務(wù)。此項(xiàng)要求作為學(xué)生最后的課程考核項(xiàng)目，最后一次課學(xué)生將課下準(zhǔn)備好的任務(wù)上機(jī)操作完成，同時(shí)提交數(shù)據(jù)庫(kù)文件及結(jié)果文件，教師給出成績(jī)。

4 結(jié)語(yǔ)

有限元分析與應(yīng)用課程對(duì)于應(yīng)用型本科院校學(xué)生不講授復(fù)雜的有限元法理論，而是將軟件應(yīng)用作為教學(xué)的重點(diǎn)。課程通過(guò)在機(jī)房上課，將“講”和“練”有機(jī)結(jié)合起來(lái)，極大的鍛煉了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)，以分析工程實(shí)際問(wèn)題為目標(biāo)來(lái)學(xué)習(xí)有限元的知識(shí)，在實(shí)例中掌握有限元分析的主要步驟。通過(guò)課程體系的改革，將以前難于理解和掌握的知識(shí)，在實(shí)際操作訓(xùn)練中使學(xué)生有了更加深入的理解及應(yīng)用，提高了學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，從而實(shí)現(xiàn)有限元理論和工程實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，為學(xué)生以后在工作中解決實(shí)際工程問(wèn)題奠定良好的基礎(chǔ)。