面向動力機械專業的CAE應用基礎課程教學的思考與改革

邵珊珊　王軍

摘要：計算機輔助工程（CAE）是動力機械專業學生一門重要的專業基礎課。本人在CAE教學過程中的實踐和經驗，分析了理論講解過于枯燥、上機實踐目的性不明顯、教學模式古板、考核方式不夠完善等多方面的問題，并提出調整理論教學與上級操作的課時比例、采用案例分析教學模式、更新與完善上機操作案例、增加上機操作案例分析成績等改革措施，為CAE應用基礎課程的教學改革提供了思路與參考。

關鍵詞：動力機械專業；CAE；教學；思考；改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）25-0079-02

CAD（Computer Aided Design）指利用計算機進行幾何設計、幾何實體建模、繪圖等，CAE（Computer Aided Design）指利用計算機進行數值模擬分析計算，CAM指的是工藝設計、NC變成、機器人變成等生產準備過程。利用CAD進行產品的幾何實體建模，為CAE所用；利用CAE對產品的幾何實體模型進行性能分析、強度分析、運動學分析等方面的數值模擬計算；利用CAD輸出產品的三維圖紙、工程圖紙等，并保存所有產品數據信息為CAM所用。目前，通過該課程的學習，要求學生具備一定的理論基礎，掌握相關應用軟件，培養學生利用相關CAE軟件分析問題、解決問題的能力，為日后從事相關工作打好基礎。

本人教學“CAE應用基礎”課程，是面對動力機械專業的學生專門開設的一門課程，為學生們將來從事內燃機設計及研發相關方面的工作奠定一定基礎。

一、課程內容

本門課程所用教材為《CAD/CAE/CAM技術與應用》，選擇性地重點講授了CAD和CAE兩個部分的內容，對CAM只做簡單介紹。從CAD/CAE/CAM概述出發，首先講解了圖形技術、產品造型和設計及等基礎理論，然后介紹了CAD技術的應用（重點分析Solidworks軟件），再次介紹了CAE技術的基礎理論及ANSYS軟件的操作，最后簡要分析了CAD/CAE/CAM系統集成技術。

二、教學方法

本門課程共計30個學時，其中20個學時為課堂教學，10個學時為上機操作，各章的課時數見圖1。其中CAD技術應用和CAE技術應用采用課堂教學和上機操作相結合的方式。CAD應用只針對Solidworks軟件，上機課內容主要為SolidWorks基本操作和草圖繪制、SolidWorks輔助零件設計及SolidWorks軟件裝配體設計；CAE應用只針對ANSYS軟件，上機課內容為ANSYS基本操作和網格劃分、ANSYS應用實例操作。

考核方式：最終評定成績由平時成績和考試成績之和，其中平時成績占比30%，由課堂及上機表現情況綜合決定，考試成績占比70%，由考試卷面成績為準。

三、目前存在問題

CAE是動力機械專業學生非常重要的一門專業技術課，在數學基礎上對學生的知識儲備等方面要求較高，同時對計算機操作能力要求也比較高，其中包括計算機系統、常規畫圖操作等，為CAE軟件的上機實踐做好準備。在教學中發現如下若干問題：

1.理論講解過于枯燥。本課程安排了20個課時進行理論講解，其中圖形技術基礎、產品造型及設計與CAE技術基礎理論分別為SolidWorks和ANSYS軟件上機操作提供理論支持。實際上，在對軟件絲毫沒有接觸的基礎上講解理論知識，對于學生來說是非?？菰锴译y以理解的。

2.上機實踐目的性不明顯。上機操作僅介紹了SolidWorks和ANSYS軟件的基本操作，以及部分簡單的案例示范，如單元梁的受力分析等。事實上，上述操作主要針對所有工科專業，并沒有具體涉及到內燃機各零部件，和動力機械專業關聯性不夠，即上機操作的目的性不明顯。

3.教學模式古板。本課程采用課堂教學和上機操作相結合的方式實施教學，是非常合適的。但是其實本課程更應該是偏于實踐的，10個課時的上機時間是不夠的。而且上機操作僅針對小型案例分析，如彈簧受拉受力分析等，案例過于簡單，不能夠完全鍛煉學生的實踐能力。

4.考核方式不夠完善。目前的考核方式更加側重于卷面考試成績，而對于上機操作的成績并沒有考慮。對于CAE應用基礎這樣一類偏重于實踐的課程，上機操作的案例分析成績應該是考核必不可少的部分，且其所占比例應該較大。

四、改革措施

1.調整理論教學與上級操作的課時比例。筆者在教學過程中嘗試以實踐為主，理論為輔的教學模式，即打破理論教學與實踐教學分開進行的傳統授課方式。將CAD和CAE技術應用的課時一分為三，第一部分采用理論教學，第二部分則針對性地上機實踐，第三部分回歸到理論知識和上機操作的總結上，一方面對上機操作有一個回顧和總結的過程，另一方面有利于對理論知識的進一步理解。

通過上機操作可以很好地鞏固上節課所學的理論知識，這樣就將理論教學與上機實踐有機地銜接了起來，增強了學生對于CAE基礎理論知識的認識與理解，學懂了，自然就有了興趣，而興趣則是最好的老師。

2.采用案例分析教學模式。以工程實例為主線設計教學內容和組織課堂教學，采用“案例教學+實踐反思+知識總結”的教學模式，以案例為基礎，把所有要教授的知識鑲嵌在案例中，再借由案例的情境進行闡釋。

上述教學改革模式的關鍵是構建一個具有教學案例知識獲取、存儲、傳遞、共享、轉化、創新和應用功能的教學案例知識管理系統。因此，我們將基于案例推理的技術引入到CAD教學案例知識管理中，以期解決教學中存在的理論知識講授枯燥單薄、理論知識與上機操作脫節等問題。

3.更新與完善上機操作案例。本人所在的動力機械系以內燃機為對象，研究如何把燃料的化學能和流體動能安全、高效、低污染地轉換成動力的基本規律和過程。所以本學科的相關專業基礎課程均應與內燃機密切相關。以汽油發動機為例，一般由機體、曲柄連桿機構、配氣機構燃料供給系統、冷卻系統、潤滑系統、起動系統組成。

上機操作時，案例不應該只是簡單地單元梁的受力分析，與本專業關聯度不大。應該讓學生嘗試針對發動機某一組成系統（曲軸連桿、搖臂等）進行動力學特性分析，一方面幫助學生對發動機各系統的機構有深入認識，另一方面加強學生的造型與仿真能力。建議從發動機組成系統中某一零部件著手，逐步加大難度。

4.增加上機操作案例分析成績。在掌握基本操作的基礎上，建議采用分組的形式進行具體案例分析。以曲柄連桿機構為例，將學生分為兩組，一組學生負責曲軸飛輪組，另一組學生負責活塞連桿組，各組分配4人，最終以團隊成果計入成績。

最終評定成績仍由平時成績和考試成績之和，其中平時成績占比20%，由課堂及上機出勤情況綜合決定；考試成績占比80%，由考試卷面成績和團隊案例成績組成，各自占比50%。

五、結束語

目前，CAE已成為工程設計領域必不可少的分析手段。加強CAE課程教學方法的改革與創新，是目前各大高校教學改革過程中的重要環節之一。經過近年來對于CAE教學的思考與探索，提出目前的CAE課程教學中存在的若干問題，提出部分改革方案，旨在提高CAE課程的教學質量，同時也為今后進一步的CAE課程教學改革與創新提供了參考和思路。

參考文獻：

[1]呂東莉，張濤.以虛擬仿真實驗平臺為基礎的“材料成形CAD/CAE/CAM”課程教學改革[J].教育教學論壇，2017，（8）：263-264.

[2]程德蓉，劉敬強，陳泉，李云松，宋倫斌.案例推理技術在CAD/CAM課程教學改革中的應用[J].中國遠程教育：綜合版，2010，（11）：69-72.

[3]田和強，蘇春建，李桂莉，張金峰，王海霞.基于翻轉課堂的機械類專業CAD/CAE軟件課程教學設計[J].教育教學論壇，2014，（37）：158-159.

[4]吳江霞，梅德清，蔡憶昔.工科專業“CAE應用基礎”課程教學模式探索[J].科教文匯，2015，（4）：69-70.