《有限元分析與應用》課程教學內容和課程體系改革——任務驅動式教學

趙秀婷

(貴州理工學院 機械工程學院，貴州 貴陽 550003)

0 引言

工程教育專業(yè)認證即是對工科專業(yè)的畢業(yè)生提出的質量要求，是一種綜合評價系統(tǒng)，是以培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求為導向(OBE)的合格性評價。基于學習產(chǎn)出的教育模式(Outcomes-based Education，縮寫為OBE)，在OBE教育系統(tǒng)中，教育者必須對學生畢業(yè)時應達到的能力及其水平有清楚的構想，然后尋求設計適宜的教育結構來保證學生達到這些預期目標[1]。為了適應高等學校教育模式的改革，本文針對《有限元分析與應用》課程在教學內容和課程體系改革方面進行初步探索[2]。

1 改革思路與構想

《有限元分析與應用》課程的教學總起來應該分為理論教學和理論加實踐教學兩部分，對于研究型大學來說，他們主要培養(yǎng)的是對有限元理論進行深入研究的學生，課程主要開設在本科生和研究生階段。對于應用型大學來說，他們培養(yǎng)的是應用有限元分析軟件對工程項目分析的能力，要求學生知道部分簡單的理論，更注重的是實際應用軟件能力的培養(yǎng)。對于其中的有限元理論知識和分析推導方程等知識，需要涉及到變分、積分、插值函數(shù)等知識，這些知識對沒有更多數(shù)學基礎工科生來說，學起來比較困難，如果單純的講解數(shù)學推導計算會造成課程枯燥乏味，從而也達不到學習本課程的目的。

為了避免只學軟件不懂一點理論的困局，因此提出改進課程教學思路，以任務驅動為導向，通過課程的學習，使學生最終達到知道基本理論，熟練操作軟件解決工程實際問題的能力。

2 教學內容和課程體系

有限元法通常是根據(jù)結構特點，確定合適的單元類型，并對結構進行有限元網(wǎng)格劃分，并按一定規(guī)則列出節(jié)點序號、單元序號，通過計算單元剛度矩陣和結構的總體剛度矩陣以及邊界條件，然后求解整體結構的力位移方程，得到各節(jié)點位移，最后計算出單元應力[3]。通常只給學生介紹桿系結構有限元這部分理論知識。只講各方程的物理意義和出處，不講復雜的數(shù)學公式推導過程。整個課程主要介紹軟件如何使用。

1)首先根據(jù)課程安排介紹ANSYS的基本使用，包括圖形用戶界面講解、數(shù)據(jù)庫和文件類型介紹，通過1個二維平面模型的簡單實例讓學生了解ANSYS的典型分析過程。同時布置相應的課后作業(yè)，讓學生課后加深對軟件的使用步驟和分析過程的理解與掌握。

2)介紹如何運用軟件進行實體模型創(chuàng)建，這部分內容對于學生的要求是會創(chuàng)建實體模型，會幾何圖元的操作運算、編輯即可。因為ANSYS軟件具有很好的與建模軟件無縫連接的功能，能與計算機輔助設計CAD，(computer Aided design)軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Creo，UG、SolidWorks、AutoCAD等。

3)實體模型的網(wǎng)格劃分，有限元定義了多種單元類型，要求學生會選擇單元類型，能正確的劃分網(wǎng)格。通過課堂講授介紹ANSYS常用的單元類型及網(wǎng)格劃分方法，利用實例上機練習，讓學生會定義單元類型，能正確的劃分網(wǎng)格。

4)施加載荷與有限元求解，通過課上老師實際上機操作介紹載荷的類型，載荷步與求解預設置，利用具體的實例演示給學生看，載荷如何定義，載荷步控制操作及常用有限元求解方法，要求學生自己會施加載荷及求解設置。

5)通用后處理，主要介紹如何讀取結果文件，結果的顯示和列表，結果瀏覽器，結果數(shù)據(jù)的數(shù)學運算，POST1中其他后處理功能。使學生對于求解出的結果，會使用通用后處理顯示結果，能正確判斷分析結果是否正確。這部分內容主要通過老師講和學生練習結合完成。

6)ANSYS應用菜單介紹，主要對照軟件逐一演示講解文件，選擇，列表顯示，繪圖顯示，繪圖控制，工作平面，參數(shù)，宏命令，菜單控制，幫助等菜單項的操作功能。要求學生會使用應用菜單。

7)應用實例，分別安排夾具支架的強度分析，衛(wèi)星的受力分析，傳熱結構的熱分析， 熱—結構耦合場實例。這4個實例分別安排在上述內容中進行訓練。

通過上述全部內容的學習，對本課程提出了如何使學生達到應有的能力，如何使學生通過本課程的學習就能夠解決實際工程問題，這些問題也正是工程教育專業(yè)認證所要求的內容。因此，本課程采用任務驅動式教學方法，以大型通用有限元軟件應用為基礎，以有限元基礎理論為支撐，來分析不同工程案例的有限元求解過程，使學生建立起使用有限元法求解工程問題的整體思路。

3 教學改革

采用任務驅動式教學方法改革，改變以往的按章節(jié)逐一講解的方式進行，將應用實例這部分內容貫穿整個課程，4個應用實例分別安排在不同的章節(jié)進行實際上機訓練，讓學生通過具體的實例練習來加深對每部分所講內容的理解與掌握，通過這種方法授課，使學生不會感到乏味難學，將教師的“講”和學生的“練”有機結合起來，通過練習中遇到問題并解決問題從而達到事半功倍的效果，使學生對課程產(chǎn)生濃厚的興趣。

1)基本操作方法訓練

理論課程安排在機房上，有助于基本操作方法理論知識講解的同時進行基本操作方法訓練，結合具體實例完成。

對于上機過程中學生遇到的問題，老師及時幫助解決，同時老師將大多數(shù)學生遇到的問題，在課上再演示操作并講解。對教學內容和課程體系中涉及的內容全部采用“講”和“練”結合的方式。

2)綜合能力的培養(yǎng)

教師制定一個具體的工程實例，讓學生獨立完成有限元分析過程，可以了解學生模型創(chuàng)建、網(wǎng)格劃分、有限元求解及結果輸出等環(huán)節(jié)的掌握程度，采用上機輔導的方式完成，對于不懂的地方老師幫助解決，這樣可以培養(yǎng)學生綜合應用 ANSYS 軟件的能力。對ANSYS軟件的操作過程有一個全面的了解和掌握。

3)實踐能力的培養(yǎng)

有限元技術已經(jīng)在眾多行業(yè)領域得到了深入的應用，并取得了很好的效果，尤其在產(chǎn)品設計開發(fā)過程中，大大地縮短了產(chǎn)品的設計開發(fā)周期，降低了成本，改變以往的設計必須制造出樣品才能驗證設計開發(fā)產(chǎn)品是否合理的弊端。如果應用型大學本科畢業(yè)生能熟練掌握此軟件，將為他們的就業(yè)提供了極大的幫助。因此基于OBE的教育理念，最后要求學生根據(jù)自己的認知選擇不同的現(xiàn)代工程實際問題，建立有限元分析求解方案，通過模型創(chuàng)建、材料定義、網(wǎng)格劃分、施加載荷和邊界條件、有限元求解及結果輸出等環(huán)節(jié)，獨立完成工程分析任務。此項要求作為學生最后的課程考核項目，最后一次課學生將課下準備好的任務上機操作完成，同時提交數(shù)據(jù)庫文件及結果文件，教師給出成績。

4 結語

有限元分析與應用課程對于應用型本科院校學生不講授復雜的有限元法理論，而是將軟件應用作為教學的重點。課程通過在機房上課，將“講”和“練”有機結合起來，極大的鍛煉了學生的實際動手能力，通過任務驅動式教學，以分析工程實際問題為目標來學習有限元的知識，在實例中掌握有限元分析的主要步驟。通過課程體系的改革，將以前難于理解和掌握的知識，在實際操作訓練中使學生有了更加深入的理解及應用，提高了學生靈活運用所學知識的能力，從而實現(xiàn)有限元理論和工程實踐的有機結合，為學生以后在工作中解決實際工程問題奠定良好的基礎。