“項目驅動、實時評價”教學方法在“有限元分析”課程教學中的應用

鐘志賢 張烈平 任亞明

（桂林理工大學機械與控制工程學院 廣西·桂林 541006）

0 前言

威特羅克認為學習是學習者主動構建內部心理結構的過程，學習不僅包括結構性的知識，也包括大量的非結構性的經驗背景。[1-5]眾多教育理論的研究者認為，項目驅動教學模式的基本思想就是將學生的學習活動與實際的工程項目相結合，師生通過共同實施一個完整的“項目”而逐步深入、全面展開教學活動，通過探究問題和解決問題來提高學生的學習興趣，進而樹立他們的信心和培養他們的能力。[6]項目驅動式教學與任務驅動式教學（Task based Teaching）及問題驅動式學習（Problem basedlearning）方法的本質是一樣的，都是以實踐為導向的，只不過項目驅動更加強調所布置的任務或呈現的問題來源于實際工程項目，項目驅動教學模式尤其適用于各類實踐性和操作性較強的知識和技能。[7]徐雅斌在其項目驅動教學模式的研究與實踐中提出，項目驅動教學貴在通過教師的激發和引導，貴在讓學生在“做”的過程中進行“學”。在“做”的過程中主動地發現問題并共同分析問題，根據需要并帶著問題主動去“學”，最終有效地解決問題，同時獲得最有價值的知識，并使學生原有的知識、經驗和技能得到進一步的充實和提升，進而培養他們主動探索的創新精神。[8]

本文以“有限元分析”的課程教學改革為目標，結合課程的理論性和操作性特點，采用項目驅動的教學方法，以參考教材作為學習的載體，以項目任務的實現作為學習過程，以實時作為學習過程的反饋方式，將以傳授知識為主的傳統教學理念轉變為教師制定項目，學生完成項目的教學活動過程，將再現式教學轉變為探究式學習，使學生能靈活運用“有限元分析”的基本理論和建模優化方法解決基本工程問題。

1 “有限元分析”的教學現狀

“有限元分析”是機械工程專業的核心課程之一，該課程與機械工程實際結合極為緊密，知識面廣、信息量大、綜合性強。課程教學的現有模式主要采用課堂講授+上機操作的傳統教學方法，在課堂上按章節順序講授有限元分析的基本概念和通過商用軟件的操作過程，并通過仿真實例讓學生熟悉有限元軟件Ansys的基本操作步驟，采用上機操作+平時成績的考核辦法來激勵學生自覺學習。

現有教學模式的主要問題有：（1）課程當前所采用的軟件一般為Ansys的MechnicalAPDL，該軟件建模困難、網格劃分難度大、軟件操作上手不易，因此很容易讓學生喪失學習興趣，導致課程學習困難。（2）仿真案例脫離實際。對于商用仿真軟件而言，能進行多種仿真，如靜力學仿真、模態分析、熱分析、流體分析、電磁場分析等，然而學生沒有相應理論基礎卻被要求進行如流體分析、熱分析、模態分析等的仿真。雖然學生能按部就班的按書上的操作進行仿真，但卻無法判斷仿真結果的正確性。最終的結果就變成了教師講得累，學習收獲卻很小。（3）仿真缺乏工程實踐的驗證。教學大綱里并沒有設置相應環節對學生的仿真結果進行驗證。在沒有工程實踐驗證的情況下，學生很難深刻理解仿真操作過程中每一步設置對仿真結果的影響，很難提高自己的仿真能力。因此在現有教學模式下，一旦脫離仿真案例，學生沒有任何經驗判斷其仿真結果的準確性，更不用說用于解決實際工程問題了。

圖1 “項目驅動，實時評價”流程圖

2 “項目驅動，實時評價”的教學方法

“項目驅動、實時評價”教學模式的教學流程如圖1所示。在項目驅動教學中，結合實時評價，對學生“做項目”的過程進行持續觀察、記錄、反思而做出的發展性評價。通過實時評價及時掌握學生所學知識的程度，及時發現學生學習過程中的不足，修改或調整“項目驅動”教學活動中的不足，以期獲得更加理想的教學效果，同時還能夠增強師生之間的交流，激勵學生自主學習。將“項目驅動”與“實時評價”兩種教學模式有機結合起來，以“做項目”為教學活動主線，以“實時評價”為激勵手段，將“有限元分析”課程中的知識點貫穿起來，幫助學生系統掌握有限元分析的基本理論和軟件操作基本方法，并促進學生學會將課程中的基本理論和方法綜合應用于專業實踐中。

3 “項目驅動、實時評價”的教學實踐

在“有限元分析”的課程教學中，將教學活動與科研項目相結合，學生在本課程學習過程中能緊密結合實際應用，在工程能力方面得到更好的鍛煉和提高。項目任務為對某企業的產品設計優化，要求學生以2～3人組成項目小組，采用Ansys Workbench有限元仿真軟件，完成該產品的電磁場仿真分析和設計參數優化，并撰寫仿真報告。整個項目訓練的教學過程如下：分析產品結構→采用Ansys建立有限元模型，圖2所示→仿真分析→輸出仿真分析結果，圖3所示（教師實時評價）→根據實驗結果優化設計參數包括網格單元的選擇，網格大小、邊界條件、求解器的設置等重新進行仿真（教師實時評價），直到仿真結果與實際工程目標參數誤差在5%內（教師最終評價）。

圖3 優化仿真結果

項目任務涉及到“有限元分析”中的建模、網格劃分、邊界條件設定、載荷施加、求解器設置、后處理等，并以教師實時評價手段來驗證仿真參數設置是否合理，仿真結果是否正確，真正做到項目結合工程實踐，實時評價反應工程問題的實際處理方法。通過項目任務驅動和實時評價，將“有限元分析”課程的重要知識點串并在一個工程實踐過程中，學生在完成學習任務過程中，不僅能直接體會到每個仿真參數的設置意義，還可得到很好的工程實踐訓練。

4 結論

“項目驅動、實時評價”的教學模式，是以“項目”為主線，教師主導、學生為主體，將“有限元分析”中的建模、網格劃分、邊界條件施加、求解、后處理等知識點和分析能力的培養隱含在項目任務之中，學生通過對所分配的“項目”進行分析、討論，結合教材以及文獻資料，并在老師的指導、幫助下完成；教師通過實時評價及時掌握學生的項目任務完成情況、知識點的掌握程度和有限元分析法的運用能力，并通過教學過程中的不斷反饋與修正，教師和學生都能夠不斷的發現教與學中的問題，取得教學相長的良好效果，提升學生采用有限元理論分析工程問題的能力。