基于工程教育認證的機械結構ANSYS課程教學改革與實踐

李樹森+任毅

摘要：應企業需求反饋，基于工程教育專業認證的理念，對《機械結構有限元分析》課程制定了新的教學體系。從機械專業人才培養目標出發進行教學系統優化，以學生為中心，學習成果達成為目標，進行教學指導、管理建設及自我評價，形成一套不斷自我完善的可持續發展教學改進機制。并對近三年《機械結構有限元分析》課程的改革實踐情況進行了分析總結，實踐結果表明：教學內容的選擇設計、教學手段和考核方法的改進以及加強實踐環節訓練等方面，使課程體系和教學內容進一步體現基礎性、科學性和前瞻性。建立健全科學合理的考核評價體系，形成可持續發展機制，可以激發學生的自主學習興趣，提高掌握知識點和ANSYS軟件學習效果，以實現培養分析實際工程問題的能力。

關鍵詞：工程教育認證；有限元分析課程；教學指導；管理建設；評價機制

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）51-0233-03

工程教育專業認證是國際通行的工程教育質量保障制度，也是實現工程教育·國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎[1]。工程教育專業認證通過建立同現實工程師制度相匹配的教育評價體系，實現教育與工程界的接軌，確保工科專業畢業生達到行業認可的素質要求。通過對該理念的學習，我們認識到基于工程教育專業認證，將以教師傳播知識為主要特征的傳授型教學模式，向以培養學生認知能力和實踐能力為主要特征的教學模式轉變，滿足社會對應用型人才的需求已成為我國高等工程教育界的研究熱點。

有限元法是當今科學技術發展和工程分析中獲得廣泛應用的數值方法之一[2-4]。通過有限元分析軟件，可以在產品設計階段進行性能分析、預測與精確計算，縮短了產品研發及生產周期。對于復雜機械結構靜態、動態與熱態線性與非線性或穩定性計算分析，采用有限元借助計算機運算，均可獲得滿意的結果。

近年來，有限元法已經發展成為機械工程技術人員必須具備的知識[5，6]。國內高校從90年代后期開始，就逐步展開有關有限元分析及應用課程體系的改革與實踐，以滿足機械類專業教學需求。我校綜合大部分企業對機械專業畢業生的反饋信息，發現機械專業對有限元法專業技能要求掌握得不夠理想。本文基于工程教育專業認證的新理念，對有限元法課程理論與實踐教學環節進行了形成性教學改革與實踐，這對提升學生獨立運用有限元法從事機械設計的能力、課程教學水平和學生的創新創業能力等方面具有重要的意義。

一、教學內容優化情況

教科書是課堂教學內容的整體框架，教學內容選擇的適合與否直接影響教學效果的好壞。現在的大多數教材內容是在前人基礎上做出的二次開發，即依葫蘆畫瓢，這就讓學生的學習成了“傻瓜型”，對于學生的創新不利。其內容應更注重創新能力的培養，不僅授人以“魚”，更著重授人以“漁”[7，8]。同時，要求有限元課程側重課程內容的深度、廣度與應用，在教學內容上強調“少、精、寬、新”，實行課程模塊化和小型化。因此，應本著教材的先進性、學術性和適用性出發，合理選取教材。

豐富教學內容，將多媒體、網絡、幻燈片和實物展示臺等教學儀器引入課堂。對于有限元分析課程，借助多媒體設備，進行直觀的交互式教學更凸顯其優勢。處理好基礎性和先進性、經典與現代的關系，保證傳授知識的先進性、實用性，使學生學有所獲，學有所用。融合知識要點，理清知識結構，經過組織、加工，最終有效地轉化為學生所掌握的知識。

二、教學指導與考核管理情況

1.教學指導方式先進。在經過大量調研分析的基礎上，借鑒國內外大學研究型教學模式改革方面經驗，結合機械專業特點，采用“啟發式”、“互動式”和“項目式”相結合的教學模式，營造研究型課程教學環境，以著重培養學生認知能力和實踐能力。

“啟發式”教學方法研究：教學過程中根據教學任務和學習的客觀規律，從學生的實際出發，采用多種方式，以啟發學生的思維為核心，調動學生學習主動性和積極性，促使他們生動活潑地學習。針對有限元分析及應用課程邏輯性強，要求數學力學基礎較高的特點，研究如何有效結合計算結果與恰當的物理解釋，以增強學生對深奧理論知識的感性認識。

“互動式”教學方法研究：以學生的自主分析和設計為主體，在教師給出特定情境下，研究基于有限元分析軟件ANSYS的工程實際問題，使學生針對具體工程實例充分認識掌握各知識要點的本質，自主提出問題解決方案。

“項目式”教學方法研究：一種工學結合、任務驅動和項目導向的教學模式。項目式教學法嘗試通過實施一系列完整的教學項目，將理論和實踐有機地結合，它以任務為導向進行教學活動，在老師的指導下，將一個相對獨立的項目交由學生自己處理，信息的采集、方案的設計、項目實施及最終評價，都由學生自己負責，學生通過該項目的進行，了解并把握整個過程及每個環節中的基本要求。其最顯著的特點是“以項目為主線、教師為引導、學生為主體”，是師生共同完成項目，共同取得進步的教學方法。

教學方法上逐漸向以學生為中心的方式靠攏，實現從“一言堂”到“啟發式、互動式、項目式”的教學方法的轉變。以提高學生的創新能力、實踐能力、獨立思考能力和觀察能力等，滿足社會對應用型人才的需求。

實踐表明，這種教學方式的應用，從課前重點和難點問題的提出，到課上重點和難點問題的討論和小組討論；從教師課題項目問題的提出，到學生對項目問題的分析、研究和解決，始終以各種問題為導向，引發學生思考，并將科學研究的眾多要素滲透到教學的各個環節中，讓學生和科研小組在教學環節中體驗科學研究的全過程，從而使學生自身的問題分析能力、理論分析能力、編程能力、動手實踐能力、科學創新能力和團隊協作能力得到鍛煉和發展。

2.知識點模塊化、合理實施考核。為了改變應試教育給學生學習帶來的消極作用，我們也相應地改變了考核形式。以往都是單純以卷面的形式來考查學生的學習效果，這樣會造成學生為了考試而學習的弊端[9，10]。為了調動學生的學習積極性，能使考試成績更加真實地反映學生學習的效果，我們采用多元化的考核制度，即：階段性考試實驗設計考核成績和期末考試成績結合模式。（1）階段性實驗設計。主要是對學生掌握知識內容和知識結構，并靈活運用的檢測。我們將教學內容模塊化，結合知識要點分為幾個考核項目，從實際問題中出發，挑選出能反映所學知識且難度適中的習題。由學生自己獨立地完成上機建模與模擬分析，并依據有限元規范格式書寫分析求解過程的報告。實驗設計分數的給出依據以創新性、實用性為主要標準，并參考學生的實際情況，進行客觀評分。這種以學生的想象力和創造力為考核重點的成績評價方式，激發了學生平時創新的自覺性和主動性，促進了學生創新精神和創新品格的培養。通過實驗設計的考核，相對單純的卷面考試，更能體現學生自主學習和獨立思考的能力。（2）期末考試考核。還是以卷面的形式考核，但在考試內容和形式上做了改變。在考試內容方面，提倡以解決復雜問題分析和設計為主的題型，合理布局試卷的難易度、深廣度、區分度。

通過以階段考核、期中考核和期末考核、上機實踐和作業以及教研討論和專題等有機結合，實施過程化、多元化的考核方式，激發了學生平時創新的自覺性和主動性，促進了學生創新精神和創新品格的能力培養。

三、教學改革實踐成果

針對設定的培養目標，結合學生的學習成果，以之為導向，學生為中心，建立了“評價—反饋—改進”的閉環持續改進機制。以下是以成果為導向《機械結構有限元分析》課程教學實踐。

通過對2014年學生學習成果的達成情況分析，發現學生應用結構有限元方法分析工程中實際問題的能力不足，獨立解決問題的能力欠缺。針對這些問題，2015年在課程講解的過程中，增加了更多貼近工程實際的案例分析；在課程章節性總結中進行相似案例的歸納比較，加強貫穿性的對比分析認識；并在課程的考核過程中要求學生獨立完成實際問題的分析與解決，有效地增強了學生運用有限元方法的獨立工作能力，提高了學生的培養質量。2015年，發現學生對軟件上機課程不夠重視，上機操作不熟練，隨即在后期的教學過程中加強上機操作實踐環節的管理，加大上機操作考核評分的比重，提高學生的綜合能力。表1為2016年上半年課程目標各項能力達成度評價情況。

從表1可以看出，近3年機械結構有限元課程教學改革取得了顯著效果，學生的各項能力水平都達到了很高的標準。同時，通過對所設定的各個知識目標和能力目標的學習結果分析，可以評價本課程的實際學習成果。通過持續改進機制，保證持續改進培養目標，始終符合社會需求；持續改進畢業要求，始終符合培養目標；持續改進教學活動，始終符合畢業要求，為該課程在進行工程教育專業認證建設中課程體系的改革建設提供了一定的參考依據。

四、結束語

本文結合機械結構ANSYS課程的教學實踐，針對教學中存在的弊端，從教學內容、教材及參考書選用、教學方法、考核方式等方面進行了探索和改革。通過上述的教學改革和實踐，作為校重點課程的《機械結構有限元分析》教學取得了明顯效果，提高了學生應對實際問題的綜合能力，實現了互動教學中“教”與“學”的有機結合，激發了學生的學習興趣，促進了學生學習的自主性，建立了“新的觀念、新的教學模式、新的管理機制”。

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Teaching Reform and Practice of Mechanical Structure ANSYS Course Based on Engineering Education Certification

LI Shu-sen，REN Yi

（College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin，Heilongjiang 150040，China）

Abstract：In response to enterprise demand feedback，based on the concept of Engineering Education Accreditation，the mechanical finite element analysis program develop a new teaching system. Optimize teaching system from mechanical professional training target and carry through teaching guide，construction management and self-evaluation based on student-centered and the goal of learning outcomes to achieve. Which form a continuous self-improvement and sustainable development of teaching improved mechanism. Practice of reform in recent years mechanical finite element analysis programs were analyzed and summarized. And the results show that improve the design of teaching content，teaching methods and assessment methods，and strengthen the practice training to make curriculum system and teaching content further embody the fundamental，scientific nature and prospective with the concept of students' learning outcomes based on engineering education professional accreditation. Establish and improve a scientific and reasonable evaluation system，and form sustainable development mechanism to stimulate students' interest in independent study and improve the grasp of the knowledge point and ANSYS software learning effect；Innovative excellent teaching environment to realize the ability of analyzing practical engineering problems.

Key words：engineering education accreditation；finite element analysis course；teaching guide；construction manag-

ement；evaluation mechanism