應(yīng)用型本科高校課程教學(xué)探索與實(shí)踐

丁福生　陸俊　倪驍驊　劉基岡

摘 要：為解決“汽車有限元分析”課程教學(xué)中存在的教學(xué)內(nèi)容理論性過(guò)強(qiáng)、學(xué)生們學(xué)習(xí)有限元分析軟件難度較大、考核方式單一等問(wèn)題，以2017級(jí)汽車服務(wù)專業(yè)本科生為研究對(duì)象，從課程的培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)軟件的選擇、教學(xué)方法的改進(jìn)等方面提出了改革措施。實(shí)施教學(xué)改革后，學(xué)生對(duì)該課程的滿意度達(dá)到89%，課程教學(xué)改革效果良好。學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用有限元方法的人數(shù)在增加，畢業(yè)設(shè)計(jì)的質(zhì)量也得到了提高。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用型本科 汽車 有限元分析 教學(xué)探索

1 前言

應(yīng)用技術(shù)型本科，是指以應(yīng)用技術(shù)類型為辦學(xué)定位，而不是以學(xué)術(shù)型為辦學(xué)定位的普通本科院校，是相對(duì)、區(qū)別于學(xué)術(shù)型本科的本科類型。有限元分析技術(shù)能夠在提高產(chǎn)品可靠性的前提下，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，節(jié)省產(chǎn)品的開發(fā)成本，因而它被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)中。在汽車設(shè)計(jì)過(guò)程中，有限元分析應(yīng)用于整車及零部件的剛度和強(qiáng)度分析、舒適性分析、流場(chǎng)分析以及車輛部件的優(yōu)化分析[1]。有限元分析技術(shù)就是一門應(yīng)用型技術(shù)，學(xué)會(huì)這門技術(shù)，將會(huì)提高畢業(yè)生的綜合能力和競(jìng)爭(zhēng)力?！捌囉邢拊治觥弊鳛槠囶悓I(yè)本科生的一門專業(yè)課程，主要講授有限元的基本原理及在軟件中進(jìn)行建模與分析等方面的基本理論與方法。如何培養(yǎng)適應(yīng)企業(yè)需求的應(yīng)用型高素質(zhì)創(chuàng)新型人才，成為當(dāng)前教育改革急需解決的難題。

2 汽車有限元分析課程教學(xué)現(xiàn)狀

有限單元法，是根據(jù)變分原理求解數(shù)學(xué)物理問(wèn)題的數(shù)值計(jì)算方法，是力學(xué)方法和數(shù)學(xué)方法結(jié)合的產(chǎn)品，可廣泛應(yīng)用于汽車設(shè)計(jì)的各個(gè)階段之中。通過(guò)有限單元法的介紹可知，對(duì)力學(xué)知識(shí)和數(shù)學(xué)知識(shí)要求相對(duì)較高，若學(xué)生們的基礎(chǔ)不扎實(shí)，學(xué)習(xí)的難度就會(huì)比較大。

當(dāng)前學(xué)生普遍反映有限元理論晦澀難懂，雖然在規(guī)定課時(shí)內(nèi)完成了“汽車有限元分析”課程的學(xué)習(xí)，但仍對(duì)所學(xué)有限元分析的理論知識(shí)處于似懂非懂的狀態(tài)，更無(wú)法使用有限元法去解決實(shí)際工程問(wèn)題，不利于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)[2]。因此，在汽車工程專業(yè)本科教學(xué)過(guò)程中，如何平衡有限元理論教學(xué)的難度與深度，以及軟件工具的專業(yè)適用性和應(yīng)用性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，從而提高教學(xué)效果，是“汽車有限元分析”課程教學(xué)改革的核心任務(wù)[3]。

結(jié)合筆者近年來(lái)對(duì)“汽車有限元分析”課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以鹽城工學(xué)院汽車工程學(xué)院2017級(jí)汽車服務(wù)工程專業(yè)的本科生為研究對(duì)象，分析該課程在汽車類專業(yè)本科教學(xué)中存在的問(wèn)題，探討該課程在本科教學(xué)中的改革思路和措施。

3 基于新工科背景的課程改革實(shí)踐

3.1 明確該課程的培養(yǎng)目標(biāo)

有限元分析的課程教學(xué)一般有兩種模式，一種是側(cè)重于理論教學(xué)，教學(xué)內(nèi)容偏重于理論學(xué)習(xí)，如各種有限元法的原理、各種單元的理論、方程的數(shù)值解算等;另一種則側(cè)重于工程應(yīng)用教學(xué)，目標(biāo)是培養(yǎng)工程技術(shù)應(yīng)用人才，教學(xué)內(nèi)容偏重于有限元模型的建立、單元的選擇及網(wǎng)格劃分、邊界條件的處理及數(shù)值計(jì)算方法的選擇等在解決實(shí)際工程問(wèn)題中的常用技術(shù)。第一種模式比較適合研究型大學(xué)采用，而第二種模式則適合于應(yīng)用型本科高校采用[4]。鹽城工學(xué)院是一所應(yīng)用型本科高校，側(cè)重于學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力培養(yǎng)。而我校汽車工程學(xué)院汽車服務(wù)工程2017級(jí)的學(xué)生是通過(guò)專升本的方式考入我校，他們?cè)趯？齐A段，沒有系統(tǒng)地學(xué)習(xí)材料力學(xué)的課程，高等數(shù)學(xué)也僅僅學(xué)了相對(duì)比較淺顯易懂的知識(shí)，學(xué)生們的力學(xué)、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)比較薄弱，過(guò)多地講解理論，學(xué)生們易產(chǎn)生厭學(xué)情緒。因此，選用第二種模式進(jìn)行教學(xué)，偏重于教授利用分析軟件解決實(shí)際工程問(wèn)題，是課程的培養(yǎng)目標(biāo)。

3.2 有限元分析教學(xué)軟件的選擇原則

目前的主流有限元分析軟件Ansys、Abaqus、Hyperworks等，它們都是以英語(yǔ)界面來(lái)呈現(xiàn)的，雖然英文界面加大了學(xué)生們學(xué)習(xí)的難度，但目前沒有中文界面的軟件可供選擇，不同的軟件具有不同的特點(diǎn)。Ansys軟件進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)比較早，相關(guān)的書籍資料數(shù)量比較豐富，在全國(guó)高校中應(yīng)用比較廣泛，但該軟件在汽車行業(yè)的企業(yè)中應(yīng)用較少;Abaqus軟件，在國(guó)內(nèi)知名度不如Ansys高，書籍資料數(shù)量一般，但是軟件的計(jì)算結(jié)果可靠性高，得到業(yè)內(nèi)人士的一致認(rèn)可，深受與汽車相關(guān)的企業(yè)歡迎，但是它們操作比較麻煩，入門有點(diǎn)難，尤其是對(duì)于剛接觸軟件的學(xué)生們來(lái)說(shuō)，學(xué)習(xí)比較困難;Hyperworks軟件的計(jì)算結(jié)果的可靠性相對(duì)要差一些，學(xué)習(xí)資源也比Ansys軟件少一些，但是該軟件在有限元模型的建立、單元的選擇及網(wǎng)格劃分、邊界條件的處理能力比較強(qiáng)，相對(duì)于其他幾款軟件來(lái)說(shuō)，操作界面友好，使用方便一些，更加容易入門。我們這門課程的培養(yǎng)目標(biāo)是重軟件操作，輕理論講解和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。綜合考慮各方面的原因，選擇Hyperworks軟件作為教學(xué)軟件。

3.3 有限元課程的教學(xué)改進(jìn)方法

本課程僅有32學(xué)時(shí)，不能在課堂上講解太多理論性較強(qiáng)的知識(shí)，而應(yīng)將重點(diǎn)放在具體案例的使用分析有限元幾何建模、網(wǎng)格的劃分、邊界條件的設(shè)定以及各種分析步驟設(shè)置的原因上。為了達(dá)到更好的教學(xué)效果，教學(xué)方法采用了以下的改進(jìn)措施。（1）課程的內(nèi)容重點(diǎn)突出，從簡(jiǎn)入難。從材料力學(xué)中懸臂梁、簡(jiǎn)支梁等簡(jiǎn)單模型入手，讓學(xué)生們熟悉使用Hyperworks對(duì)懸臂梁、簡(jiǎn)支梁模型的分析流程，并利用材料力學(xué)公式直接計(jì)算出懸臂梁、簡(jiǎn)支梁的理論解，將軟件計(jì)算解與理論計(jì)算解進(jìn)行對(duì)比，分析誤差產(chǎn)生的原因，從中介紹有限單元法計(jì)算的原理和軟件操作的方法來(lái)減少誤差，激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情;再對(duì)平板進(jìn)行分析，最后對(duì)三維模型進(jìn)行分析，循序漸進(jìn)地加深難度。（2）加強(qiáng)專業(yè)名詞學(xué)習(xí)。專升本的學(xué)生的英語(yǔ)水平都比較一般，軟件中很多地方都涉及到英文的專用名詞，在缺乏理論知識(shí)的前提下，專用名詞會(huì)非常難懂，學(xué)習(xí)難度較大。在使用軟件的過(guò)程中，學(xué)生們經(jīng)常遇到一些看不懂的專用詞匯，就會(huì)影響學(xué)生們的學(xué)習(xí)積極性，不知道這一步操作的意義和下一步怎么操作。如何讓學(xué)生們克服專業(yè)詞匯看不懂的難題？讓每一位學(xué)生準(zhǔn)備好一個(gè)單詞本，從最簡(jiǎn)單的懸臂梁例子開始，遇到不認(rèn)識(shí)的單詞的時(shí)候，就把它記錄到本子上。高頻詞匯，會(huì)在課堂上進(jìn)行重點(diǎn)講解;相對(duì)頻率不高的詞匯，引導(dǎo)學(xué)生們?cè)谡n后自己進(jìn)行翻譯，這樣可以很好地解決學(xué)生們由于語(yǔ)言問(wèn)題而對(duì)該課程的恐懼感。（3）精心挑選與汽車相關(guān)的模型進(jìn)行講解。學(xué)生們?cè)诒究茖W(xué)習(xí)階段會(huì)多門與汽車相關(guān)的課程設(shè)計(jì)，因此，選擇一些與汽車相關(guān)的零部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿、活塞、曲軸等零部件進(jìn)行分析，有效地將不同的課程的知識(shí)串聯(lián)起來(lái)，提高學(xué)生們的綜合知識(shí)應(yīng)用能力。（4）錄制教學(xué)視頻，上傳網(wǎng)站?！捌囉邢拊治觥闭n程32課時(shí)，有兩個(gè)班的同學(xué)集中授課，每位學(xué)生的基礎(chǔ)不一樣，有些同學(xué)接受知識(shí)比較快，而有些同學(xué)接受知識(shí)比較慢，課堂上的時(shí)間有限，如何讓所有學(xué)生都學(xué)會(huì)課堂上的講解的知識(shí)呢？現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)比較發(fā)達(dá)，課堂主要講解難點(diǎn)和重點(diǎn)以及軟件操作易出錯(cuò)的地方，并將上課的內(nèi)容，尤其是關(guān)于案例的軟件操作步驟錄成視頻，并上傳到網(wǎng)站，學(xué)生們課后可以隨時(shí)通過(guò)瀏覽視頻進(jìn)行學(xué)習(xí)，這樣可以有效地幫助課堂上沒有掌握講授知識(shí)的學(xué)生們。

3.4 建立合理的評(píng)價(jià)目標(biāo)

汽車有限元分析這門課程的具有應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。課程考核內(nèi)容的選擇力求體現(xiàn)綜合性和多樣性，主要考查學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，解決問(wèn)題的能力。若以考試試卷的方式進(jìn)行考核，只能考查理論知識(shí)，這與課程的培養(yǎng)目標(biāo)不符;若以同一個(gè)案例，讓所有學(xué)生同時(shí)進(jìn)行上機(jī)考試，這樣只能對(duì)學(xué)生們的軟件操作能力以及具體案例的掌握程度進(jìn)行考核，不能全面考查學(xué)生們利用有限元法解決實(shí)際問(wèn)題的能力。根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)的要求，本課程以利用Hyperworks軟件解決具體的案例作為考核的重點(diǎn)，對(duì)有限元的基本理論不進(jìn)行考核。本課程最終以大作業(yè)的形式進(jìn)行考核，大作業(yè)的題目由學(xué)生們自己擬定，他們通過(guò)自己遇到的問(wèn)題、課程設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)資源、圖書館資源自由選擇合適的、難度適中的題目，然后利用軟件進(jìn)行分析，要求學(xué)生自主完成有限元建模與計(jì)算分析，并提交規(guī)范格式編寫的分析報(bào)告。這部分內(nèi)容側(cè)重對(duì)學(xué)生獨(dú)立思考和動(dòng)手能力的考核，這是單純依靠卷面難以體現(xiàn)的。最終成績(jī)采取課堂表現(xiàn)、平時(shí)作業(yè)完成情況以及大作業(yè)的完成情況各占一定比例的綜合方式來(lái)確定。

4 教學(xué)改革后的初步成效

對(duì)2017級(jí)汽車服務(wù)工程專業(yè)共計(jì)118名本科學(xué)生進(jìn)行課程滿意度調(diào)查，調(diào)查結(jié)果顯示，有105名同學(xué)對(duì)課程教學(xué)的滿意度評(píng)分在80分以上，學(xué)生滿意度達(dá)到89%。其中有70名學(xué)生能夠較好地應(yīng)用“汽車有限元分析”課程中的理論知識(shí)，運(yùn)用HyperWorks軟件對(duì)汽車零部件進(jìn)行建模和仿真分析，在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目、大學(xué)生方程式賽車等項(xiàng)目，取得良好的成績(jī);學(xué)生們將有限元分析運(yùn)用到畢業(yè)設(shè)計(jì)中的比例明顯提升，其中多名同學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)被評(píng)為校級(jí)優(yōu)秀論文。通過(guò)對(duì)“汽車有限元分析”課程的改革和創(chuàng)新，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

5 總結(jié)

“汽車有限元分析”是汽車類專業(yè)的一門重要專業(yè)課程，有限元分析法是解決工程問(wèn)題的重要工具。通過(guò)探索和分析鹽城工學(xué)院汽車服務(wù)工程專業(yè)“汽車有限元分析”課程本科教學(xué)中存在的問(wèn)題，從課程的培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)軟件的選擇、教學(xué)方法的改進(jìn)、建立合理的評(píng)價(jià)目標(biāo)等方面提出改革的思路和措施。實(shí)施教學(xué)改革后效果顯著，學(xué)生對(duì)課程的滿意度達(dá)到89%。通過(guò)課程教學(xué)改革和創(chuàng)新，鍛煉和提高了學(xué)生借助有限元軟件解決具體工程實(shí)際問(wèn)題的能力，同時(shí)提升了學(xué)生的就業(yè)能力，為學(xué)生畢業(yè)后順利適應(yīng)專業(yè)技術(shù)工作打下良好的基礎(chǔ)[5]。這與培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和社會(huì)適應(yīng)能力的高級(jí)應(yīng)用型人才的目標(biāo)相一致。在后期課程教學(xué)中，教學(xué)與汽車工程實(shí)例相結(jié)合，運(yùn)用企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中存在的問(wèn)題為案例，在解決工程實(shí)際問(wèn)題中強(qiáng)化理論知識(shí)，培養(yǎng)目標(biāo)與企業(yè)需求一致。

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