“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)”教學(xué)方法在“有限元分析”課程教學(xué)中的應(yīng)用

鐘志賢 張烈平 任亞明

（桂林理工大學(xué)機(jī)械與控制工程學(xué)院 廣西·桂林 541006）

0 前言

威特羅克認(rèn)為學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者主動(dòng)構(gòu)建內(nèi)部心理結(jié)構(gòu)的過(guò)程，學(xué)習(xí)不僅包括結(jié)構(gòu)性的知識(shí)，也包括大量的非結(jié)構(gòu)性的經(jīng)驗(yàn)背景。[1-5]眾多教育理論的研究者認(rèn)為，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式的基本思想就是將學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)與實(shí)際的工程項(xiàng)目相結(jié)合，師生通過(guò)共同實(shí)施一個(gè)完整的“項(xiàng)目”而逐步深入、全面展開(kāi)教學(xué)活動(dòng)，通過(guò)探究問(wèn)題和解決問(wèn)題來(lái)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而樹(shù)立他們的信心和培養(yǎng)他們的能力。[6]項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)與任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)（Task based Teaching）及問(wèn)題驅(qū)動(dòng)式學(xué)習(xí)（Problem basedlearning）方法的本質(zhì)是一樣的，都是以實(shí)踐為導(dǎo)向的，只不過(guò)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)更加強(qiáng)調(diào)所布置的任務(wù)或呈現(xiàn)的問(wèn)題來(lái)源于實(shí)際工程項(xiàng)目，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式尤其適用于各類(lèi)實(shí)踐性和操作性較強(qiáng)的知識(shí)和技能。[7]徐雅斌在其項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式的研究與實(shí)踐中提出，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)貴在通過(guò)教師的激發(fā)和引導(dǎo)，貴在讓學(xué)生在“做”的過(guò)程中進(jìn)行“學(xué)”。在“做”的過(guò)程中主動(dòng)地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并共同分析問(wèn)題，根據(jù)需要并帶著問(wèn)題主動(dòng)去“學(xué)”，最終有效地解決問(wèn)題，同時(shí)獲得最有價(jià)值的知識(shí)，并使學(xué)生原有的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和技能得到進(jìn)一步的充實(shí)和提升，進(jìn)而培養(yǎng)他們主動(dòng)探索的創(chuàng)新精神。[8]

本文以“有限元分析”的課程教學(xué)改革為目標(biāo)，結(jié)合課程的理論性和操作性特點(diǎn)，采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法，以參考教材作為學(xué)習(xí)的載體，以項(xiàng)目任務(wù)的實(shí)現(xiàn)作為學(xué)習(xí)過(guò)程，以實(shí)時(shí)作為學(xué)習(xí)過(guò)程的反饋方式，將以傳授知識(shí)為主的傳統(tǒng)教學(xué)理念轉(zhuǎn)變?yōu)榻處熤贫?xiàng)目，學(xué)生完成項(xiàng)目的教學(xué)活動(dòng)過(guò)程，將再現(xiàn)式教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)樘骄渴綄W(xué)習(xí)，使學(xué)生能靈活運(yùn)用“有限元分析”的基本理論和建模優(yōu)化方法解決基本工程問(wèn)題。

1 “有限元分析”的教學(xué)現(xiàn)狀

“有限元分析”是機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)的核心課程之一，該課程與機(jī)械工程實(shí)際結(jié)合極為緊密，知識(shí)面廣、信息量大、綜合性強(qiáng)。課程教學(xué)的現(xiàn)有模式主要采用課堂講授+上機(jī)操作的傳統(tǒng)教學(xué)方法，在課堂上按章節(jié)順序講授有限元分析的基本概念和通過(guò)商用軟件的操作過(guò)程，并通過(guò)仿真實(shí)例讓學(xué)生熟悉有限元軟件Ansys的基本操作步驟，采用上機(jī)操作+平時(shí)成績(jī)的考核辦法來(lái)激勵(lì)學(xué)生自覺(jué)學(xué)習(xí)。

現(xiàn)有教學(xué)模式的主要問(wèn)題有：（1）課程當(dāng)前所采用的軟件一般為Ansys的MechnicalAPDL，該軟件建模困難、網(wǎng)格劃分難度大、軟件操作上手不易，因此很容易讓學(xué)生喪失學(xué)習(xí)興趣，導(dǎo)致課程學(xué)習(xí)困難。（2）仿真案例脫離實(shí)際。對(duì)于商用仿真軟件而言，能進(jìn)行多種仿真，如靜力學(xué)仿真、模態(tài)分析、熱分析、流體分析、電磁場(chǎng)分析等，然而學(xué)生沒(méi)有相應(yīng)理論基礎(chǔ)卻被要求進(jìn)行如流體分析、熱分析、模態(tài)分析等的仿真。雖然學(xué)生能按部就班的按書(shū)上的操作進(jìn)行仿真，但卻無(wú)法判斷仿真結(jié)果的正確性。最終的結(jié)果就變成了教師講得累，學(xué)習(xí)收獲卻很小。（3）仿真缺乏工程實(shí)踐的驗(yàn)證。教學(xué)大綱里并沒(méi)有設(shè)置相應(yīng)環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生的仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。在沒(méi)有工程實(shí)踐驗(yàn)證的情況下，學(xué)生很難深刻理解仿真操作過(guò)程中每一步設(shè)置對(duì)仿真結(jié)果的影響，很難提高自己的仿真能力。因此在現(xiàn)有教學(xué)模式下，一旦脫離仿真案例，學(xué)生沒(méi)有任何經(jīng)驗(yàn)判斷其仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，更不用說(shuō)用于解決實(shí)際工程問(wèn)題了。

圖1 “項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)”流程圖

2 “項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)”的教學(xué)方法

“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)”教學(xué)模式的教學(xué)流程如圖1所示。在項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)中，結(jié)合實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)，對(duì)學(xué)生“做項(xiàng)目”的過(guò)程進(jìn)行持續(xù)觀察、記錄、反思而做出的發(fā)展性評(píng)價(jià)。通過(guò)實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)及時(shí)掌握學(xué)生所學(xué)知識(shí)的程度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的不足，修改或調(diào)整“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”教學(xué)活動(dòng)中的不足，以期獲得更加理想的教學(xué)效果，同時(shí)還能夠增強(qiáng)師生之間的交流，激勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。將“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”與“實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)”兩種教學(xué)模式有機(jī)結(jié)合起來(lái)，以“做項(xiàng)目”為教學(xué)活動(dòng)主線，以“實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)”為激勵(lì)手段，將“有限元分析”課程中的知識(shí)點(diǎn)貫穿起來(lái)，幫助學(xué)生系統(tǒng)掌握有限元分析的基本理論和軟件操作基本方法，并促進(jìn)學(xué)生學(xué)會(huì)將課程中的基本理論和方法綜合應(yīng)用于專(zhuān)業(yè)實(shí)踐中。

3 “項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)”的教學(xué)實(shí)踐

在“有限元分析”的課程教學(xué)中，將教學(xué)活動(dòng)與科研項(xiàng)目相結(jié)合，學(xué)生在本課程學(xué)習(xí)過(guò)程中能緊密結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，在工程能力方面得到更好的鍛煉和提高。項(xiàng)目任務(wù)為對(duì)某企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化，要求學(xué)生以2～3人組成項(xiàng)目小組，采用Ansys Workbench有限元仿真軟件，完成該產(chǎn)品的電磁場(chǎng)仿真分析和設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化，并撰寫(xiě)仿真報(bào)告。整個(gè)項(xiàng)目訓(xùn)練的教學(xué)過(guò)程如下：分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)→采用Ansys建立有限元模型，圖2所示→仿真分析→輸出仿真分析結(jié)果，圖3所示（教師實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)）→根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)包括網(wǎng)格單元的選擇，網(wǎng)格大小、邊界條件、求解器的設(shè)置等重新進(jìn)行仿真（教師實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)），直到仿真結(jié)果與實(shí)際工程目標(biāo)參數(shù)誤差在5%內(nèi)（教師最終評(píng)價(jià)）。

圖3 優(yōu)化仿真結(jié)果

項(xiàng)目任務(wù)涉及到“有限元分析”中的建模、網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)定、載荷施加、求解器設(shè)置、后處理等，并以教師實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)手段來(lái)驗(yàn)證仿真參數(shù)設(shè)置是否合理，仿真結(jié)果是否正確，真正做到項(xiàng)目結(jié)合工程實(shí)踐，實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)反應(yīng)工程問(wèn)題的實(shí)際處理方法。通過(guò)項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動(dòng)和實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)，將“有限元分析”課程的重要知識(shí)點(diǎn)串并在一個(gè)工程實(shí)踐過(guò)程中，學(xué)生在完成學(xué)習(xí)任務(wù)過(guò)程中，不僅能直接體會(huì)到每個(gè)仿真參數(shù)的設(shè)置意義，還可得到很好的工程實(shí)踐訓(xùn)練。

4 結(jié)論

“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)”的教學(xué)模式，是以“項(xiàng)目”為主線，教師主導(dǎo)、學(xué)生為主體，將“有限元分析”中的建模、網(wǎng)格劃分、邊界條件施加、求解、后處理等知識(shí)點(diǎn)和分析能力的培養(yǎng)隱含在項(xiàng)目任務(wù)之中，學(xué)生通過(guò)對(duì)所分配的“項(xiàng)目”進(jìn)行分析、討論，結(jié)合教材以及文獻(xiàn)資料，并在老師的指導(dǎo)、幫助下完成；教師通過(guò)實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)及時(shí)掌握學(xué)生的項(xiàng)目任務(wù)完成情況、知識(shí)點(diǎn)的掌握程度和有限元分析法的運(yùn)用能力，并通過(guò)教學(xué)過(guò)程中的不斷反饋與修正，教師和學(xué)生都能夠不斷的發(fā)現(xiàn)教與學(xué)中的問(wèn)題，取得教學(xué)相長(zhǎng)的良好效果，提升學(xué)生采用有限元理論分析工程問(wèn)題的能力。