“車(chē)輛有限元法分析”課程創(chuàng)新教學(xué)的設(shè)計(jì)與開(kāi)展

姚 嘉，盧 偉，匡 兵

（桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院車(chē)輛工程系，廣西 桂林 541004）

汽車(chē)行業(yè)是高速發(fā)展的行業(yè)，激烈競(jìng)爭(zhēng)的汽車(chē)市場(chǎng)也對(duì)汽車(chē)的開(kāi)發(fā)周期和產(chǎn)品性能提出了高要求，因此就需要采用有限元分析的方法進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)與評(píng)估。有限元分析的作用就在于它能驅(qū)動(dòng)精益設(shè)計(jì)和加速汽車(chē)開(kāi)發(fā)流程，可以節(jié)省開(kāi)發(fā)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期。然而，作為近幾年工科專(zhuān)業(yè)的必修課程“車(chē)輛有限元法分析”，其往往只重視有限元理論知識(shí)的介紹，忽略了有限元法思維在工程上的應(yīng)用的實(shí)踐與工程案例求解[1-3]，因此局限了學(xué)生的學(xué)習(xí)深度。筆者認(rèn)為，“車(chē)輛有限元法分析”課程改革應(yīng)緊密結(jié)合專(zhuān)業(yè)背景開(kāi)展，嘗試新方法、新思路、新模式，使課程的開(kāi)設(shè)能夠在完善汽車(chē)專(zhuān)業(yè)知識(shí)體系建設(shè)和工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)中起到應(yīng)有的作用。

1 “車(chē)輛有限元法分析”課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

總結(jié)現(xiàn)有的“車(chē)輛有限元法分析”課程教學(xué)，存在的主要問(wèn)題如下[4]：

第一，有限元方法基礎(chǔ)理論教學(xué)環(huán)節(jié)與實(shí)操環(huán)節(jié)的融合問(wèn)題。有限元方法的本質(zhì)是借助計(jì)算機(jī)技術(shù)解決各類(lèi)工程問(wèn)題[5]，現(xiàn)有教學(xué)過(guò)程僅注重應(yīng)用技能的培養(yǎng)，而忽略了有限元基本理論的教學(xué)，或者只注重實(shí)際操作，而沒(méi)有基本理論支撐的學(xué)習(xí)。例如，學(xué)生只掌握單元、節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格劃分等簡(jiǎn)單有限元概念，而無(wú)法根據(jù)工程問(wèn)題本身選用最優(yōu)化的設(shè)置。再如，發(fā)動(dòng)機(jī)部分的有限元分析，一定要考核溫度場(chǎng)的變化，才能進(jìn)行有效的有限元結(jié)構(gòu)分析。

第二，原有考核方式與教學(xué)目標(biāo)沖突。原教學(xué)方案采用閉卷筆試的考核方式，僅能考查學(xué)生對(duì)有限元基本概念、主要步驟、基本操作流程等知識(shí)的掌握情況，無(wú)法真實(shí)評(píng)估學(xué)生應(yīng)用有限元工具解決具體工程問(wèn)題的能力。

2 “車(chē)輛有限元法分析”課程創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì)

“車(chē)輛有限元法分析”課程力求使學(xué)生掌握通用有限元軟件ANSYS workbench 的應(yīng)用方法和技巧，并在此基礎(chǔ)上深刻理解和掌握有限元基本概念，包括幾何非線性、材料非線性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性等概念；通過(guò)汽車(chē)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工程案例的講解，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題和培養(yǎng)科研能力。針對(duì)“車(chē)輛有限元法分析”課程的教學(xué)特點(diǎn)，主要采用線上線下混合教學(xué)的方法進(jìn)行教學(xué)改革，教學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)具體總結(jié)為以下三點(diǎn)。

（1）通過(guò)線上教學(xué)手段的有效利用，拓展教學(xué)的深度與維度

由于課程教學(xué)學(xué)時(shí)的限制（24 學(xué)時(shí)的理論課堂教學(xué)+12 學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)），本課程進(jìn)行線上教學(xué)資源建設(shè)，教師錄制課程教學(xué)視頻，教學(xué)視頻錄制不少于30 個(gè)實(shí)際的工程案例。借助愛(ài)課程的平臺(tái)進(jìn)行課程網(wǎng)絡(luò)資源的發(fā)布，確保學(xué)生有足夠的時(shí)間完成實(shí)操練習(xí)。學(xué)生通過(guò)線上的課程的學(xué)習(xí)，逐步熟練軟件的應(yīng)用，通過(guò)線下的課堂反饋，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)課程設(shè)置中的實(shí)時(shí)問(wèn)題，進(jìn)行教學(xué)反饋調(diào)控并調(diào)整課堂教學(xué)內(nèi)容。

（2）線下課堂授課內(nèi)容動(dòng)態(tài)設(shè)置與學(xué)生分組協(xié)作

線下課堂授課部分內(nèi)容的設(shè)置包括的基本內(nèi)容如下：①案例實(shí)操問(wèn)題的反饋（由學(xué)生的操作過(guò)程遇到的問(wèn)題決定講解的內(nèi)容）；②案例分析的結(jié)論和反思；③類(lèi)比案例的舉例和解決思路梳理；④下一個(gè)工程案例有限元分析的導(dǎo)入。另外，進(jìn)行分組式的學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)協(xié)作設(shè)置，實(shí)行組長(zhǎng)負(fù)責(zé)制，通過(guò)分組考核和組內(nèi)學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)全體學(xué)生的共同學(xué)習(xí)與進(jìn)步。

（3）理論課與實(shí)驗(yàn)課的不同考核方案的遞進(jìn)實(shí)施

本課程更傾向于對(duì)每個(gè)有限元工程案例的操作與學(xué)習(xí)積累，因此傳統(tǒng)的試卷考核并不適用于對(duì)本課程進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)定。24 學(xué)時(shí)理論課程設(shè)置的理論教學(xué)案例更側(cè)重于實(shí)際軟件操作的技巧和案例完整度學(xué)習(xí)，以平時(shí)的學(xué)業(yè)完成度和課后作業(yè)的挑戰(zhàn)難度的不同，分次計(jì)分。12 學(xué)時(shí)的上機(jī)試驗(yàn)課，要求在老師的當(dāng)堂講解導(dǎo)入的前提下，隨堂完成學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度的車(chē)輛工程案例的實(shí)操，根據(jù)完成度、完成質(zhì)量和對(duì)案例的后處理數(shù)據(jù)分析的結(jié)論給出試驗(yàn)成績(jī)，計(jì)入總評(píng)成績(jī)。上機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)安排在理論教學(xué)結(jié)束后進(jìn)行，上機(jī)實(shí)驗(yàn)案例更具有學(xué)習(xí)挑戰(zhàn)度，能更好的體現(xiàn)出學(xué)生的課程學(xué)習(xí)深度與學(xué)習(xí)主動(dòng)性。課程的創(chuàng)新性考核方式更能體現(xiàn)出教學(xué)深度的逐漸遞進(jìn)特征。

3 “車(chē)輛有限元法分析”課程創(chuàng)新教學(xué)的開(kāi)展

（1）線上教學(xué)案例庫(kù)建設(shè)與愛(ài)課程平臺(tái)的使用

目前，主講教師已完成了教學(xué)平臺(tái)的基本搭建，按照線上線下混合教學(xué)的形式，上傳了課程學(xué)習(xí)的相關(guān)材料，其中包括理論課教學(xué)20 學(xué)時(shí)的案例操作視頻資源，課件資源，拓展閱讀資料，習(xí)題和課后作業(yè)資源。學(xué)生在課前根據(jù)老師在平臺(tái)布置的任務(wù)，可進(jìn)行案例操作的預(yù)習(xí)，進(jìn)行拓展資料的閱讀學(xué)習(xí)，并根據(jù)個(gè)人的實(shí)際情況，準(zhǔn)備好課堂教學(xué)需要解決的問(wèn)題，通過(guò)課堂反饋或者進(jìn)行學(xué)習(xí)小組內(nèi)的互幫互助，最終完成相關(guān)學(xué)習(xí)任務(wù)。

（2）線下課堂教學(xué)與分組學(xué)習(xí)的實(shí)踐

根據(jù)案例的實(shí)際需要，進(jìn)行相關(guān)的理論知識(shí)的課堂教學(xué)，具體包括理論教學(xué)、案例反思、案例導(dǎo)入、學(xué)生課堂分組交流和討論，學(xué)生對(duì)案例分析理解的講授環(huán)節(jié)，課堂教學(xué)與學(xué)生的案例分享。課堂教學(xué)在線上線下的教學(xué)模式中仍然占據(jù)了舉足輕重的地位，根據(jù)學(xué)生對(duì)案例的線上預(yù)習(xí)和操作遇到的問(wèn)題，教師進(jìn)行及時(shí)的解答。同時(shí)，工程案例采用有限元方法進(jìn)行求解時(shí)涉及的理論知識(shí)時(shí)，必須經(jīng)過(guò)課堂教學(xué)的面對(duì)面說(shuō)明得到強(qiáng)化并保證知識(shí)點(diǎn)的掌握。有限元軟件的操作只是工程問(wèn)題的解決的有效手段，并非是工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)的唯一方法，因此，通過(guò)分組討論可以實(shí)現(xiàn)頭腦風(fēng)暴和高階能力培養(yǎng)。

（3）課程過(guò)程性考核與項(xiàng)目完成度考核的融合性設(shè)計(jì)

針對(duì)課程的畢業(yè)要求教學(xué)指標(biāo)點(diǎn)，進(jìn)行有限元的形成性考核，與培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成度一致性。本課程的教學(xué)目標(biāo)可以分解為兩個(gè)：①通過(guò)學(xué)習(xí)，能夠參照科學(xué)的理論模型解釋和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果，并通過(guò)信息綜合得到合理有效的結(jié)論；②能夠針對(duì)車(chē)輛工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題，選擇與使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段和現(xiàn)代有限元仿真工具進(jìn)行建模、預(yù)測(cè)與仿真。針對(duì)各項(xiàng)目標(biāo)的評(píng)價(jià)依據(jù)被確定為案例操作熟練度和準(zhǔn)確度；案例求解后處理能力；對(duì)案例的工程意義評(píng)價(jià)。并通過(guò)平時(shí)作業(yè)、大作業(yè)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的具體成績(jī)?cè)u(píng)定環(huán)節(jié)得以量化。目前的教學(xué)改革實(shí)施下，學(xué)生的課程平均成績(jī)會(huì)達(dá)到良好以上的等級(jí)。通過(guò)學(xué)生教學(xué)過(guò)程參與度評(píng)價(jià)以及各項(xiàng)得分的統(tǒng)計(jì)，獲得學(xué)生的課程掌握程度、學(xué)習(xí)投入與學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)，在后續(xù)的教學(xué)開(kāi)展中，持續(xù)優(yōu)化過(guò)程性考核的相關(guān)內(nèi)容以更好的達(dá)成課程學(xué)習(xí)目標(biāo)與人才培養(yǎng)目標(biāo)。

（4）教學(xué)改革效果的綜合分析

前期的教學(xué)中，完成教學(xué)改革的第一、二輪的教學(xué)實(shí)施，包括在授課中進(jìn)行了16 個(gè)工程案例的實(shí)操學(xué)習(xí)，完成了課程的形成性考核。對(duì)于軟件應(yīng)用，學(xué)生在理論掌握和工程結(jié)論分析方面有了系統(tǒng)化的學(xué)習(xí)。根據(jù)試驗(yàn)環(huán)節(jié)的實(shí)際軟件應(yīng)用操作，30%學(xué)生的考核成績(jī)都能達(dá)到良好的成績(jī)，70%的學(xué)生應(yīng)用能力達(dá)到優(yōu)秀等級(jí)。同時(shí)，學(xué)生調(diào)研結(jié)果反饋對(duì)“以案例分析的模塊化設(shè)計(jì)完成課程學(xué)習(xí)”的改革認(rèn)可度達(dá)到預(yù)期的100%。課程學(xué)習(xí)的效果在后期的畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中的有限元運(yùn)用這部分內(nèi)容中得到了進(jìn)一步實(shí)踐，有限元仿真的整體完成質(zhì)量較高。主講教師對(duì)于網(wǎng)絡(luò)授課的特點(diǎn)和不足有了了解，對(duì)學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)存在的問(wèn)題有正確的認(rèn)識(shí)和解決的方案。后期會(huì)逐步建成課程網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)和慕課，提供更加豐富的案例資源（案例庫(kù)不少于30 個(gè)案例，線上視頻總時(shí)長(zhǎng)不少于300 min，案例庫(kù)的分析實(shí)例涵蓋以Workbench 為主，陸續(xù)拓展ADAMS 等汽車(chē)工程常用有限元軟件分析內(nèi)容），完成具體案例求解時(shí)的難點(diǎn)點(diǎn)撥，完成線上線下混合教學(xué)課程建設(shè)。

4 結(jié)語(yǔ)

車(chē)輛有限元法分析課程通過(guò)建設(shè)線上案例資源庫(kù)和實(shí)施過(guò)程性考核，并通過(guò)線上線下混合教學(xué)解決現(xiàn)有教學(xué)方案未能結(jié)合專(zhuān)業(yè)背景與產(chǎn)業(yè)發(fā)展脫節(jié)的問(wèn)題；解決有限元法基礎(chǔ)理論教學(xué)環(huán)節(jié)與實(shí)操環(huán)節(jié)結(jié)合不完善；克服現(xiàn)有教學(xué)過(guò)程僅注重應(yīng)用技能的培養(yǎng)，或者只注重實(shí)際操作而沒(méi)有基本理論支撐的弊端，真正做到了以學(xué)生培養(yǎng)為中心設(shè)置教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)行教學(xué)創(chuàng)新，對(duì)學(xué)生的知識(shí)體系的建立具有積極作用。