汽車有限元類課程教學改革研究

周長峰

我國汽車工業的發展已經從引進吸收轉變為以自主創新為主，汽車產品的設計、分析、優化等日益受到重視，汽車有限元類課程的任務，除了使學生掌握有限元基本理論和分析汽車零部件性能外，更重要的是對現有產品以及將來的產品進行優化設計，這就對高等學校汽車有限元類課程的教學提出新的要求，因此有限元類課程的教學內容需要進行精煉，新的理論方法需要進行補充，不同的教學模式需要進行嘗試，多樣化的考核方式需要進行實踐。

1 汽車有限元類課程教學改革研究現狀

目前國內多所高等學校對汽車有限元類課程進行了改革研究，常熟理工學院汽車工程學院胡順安在車輛結構有限元課程教學中成立了教學改革小組，在軟硬件方面大力建設，并積極聯系企業參與教學改革。在教學過程中，有限元分析對象都來自行業內的汽車零部件，通過故障件和臺架對比等方式展開試驗教學。課題組積極規劃和探索教學試驗課程，提高學生學習的興趣，增加學習該課程的樂趣。鄭州輕工業學院曹陽在傳統教學方法的基礎上，針對有限元分析課程兼具理論性和實踐性的特點，對機械類本科專業課程的教學內容和教學方法進行了探討，適當減少理論教學內容比重，并將有限元軟件引入課堂，注重培養學生解決實際工程問題的能力，促進學生對相關理論的理解和吸收。海南大學劉燕霞以車輛CAE 技術的教學改革與實踐為切入點，強調了課程的重要性，闡述了課程的特點，同時，分析了目前課程所存在的問題，即課程學時少、內容多，教學手段、方法及考核方式不合理等。并針對這些問題，提出了改革的措施與實踐方法，取得了一定的效果。廣西工學院韋志林針對汽車現代設計方法進行教學改革研究。該課程是車輛工程專業本科生應掌握的技術，而現代設計法的內容很廣泛，課題組根據企業對人才的需求，將課程的重點內容放在有限元法和優化設計方面，在有限的學時內使學生掌握一定的先進技術，取得了較好的教學效果。中南大學交通運輸學院高廣軍為適應車輛強度有限單元法課程發展的需要，制定了適合該校特點的課程教學大綱和實驗教學大綱，車輛強度有限單元法課程教學團隊制作了該課程的多媒體課件，通過幾年的教學實踐取得了良好的效果。

2 有限元類課程教學過程中的問題

2.1 教學方法單一

目前汽車有限元課程教學，以教師講授理論知識為主、實踐為輔的教學模式，有限元類課程涉及內容廣泛、概念多、公式量大，很多學生跟不上教師的講解，限于進度教師又不能停滯不前，在連續幾堂課學習后，學生易形成課程內容消化不良、實際學習效果差的問題。通過與學生交流得知，學生普遍反映該類課程難度大、理論深、公式多且表述過于抽象，嚴重影響學生的學習欲望和學習效果，不能有效達成預期學習目標，這也反映出單純由老師講授，學生跟隨學習的教學方法，很難滿足有限元類課程的建設要求。

2.2 教學內容未跟蹤先進汽車技術的發展

在傳統的有限元教學實踐當中，主要選擇齒輪、各種軸等零部件的強度和模態進行仿真教學，在新技術方面涉及較少。現在汽車的設計越來越傾向于高性能、輕量化方向發展，汽車零部件的虛擬仿真在汽車零部件開發過程中起著重要的作用，基本的外形設計和強度校核是汽車零部件初步設計的基本步驟，產品外形優化、尺寸優化、形狀優化，才是汽車設計的核心和關鍵。隨著山東省新舊動能轉換、專業對接產業的發展，新形勢下考慮產品最優化的汽車整車及零部件開發流程如圖1 所示，優化將在新產品的開發中扮演著舉足輕重的角色，但當前的教學對于汽車企業最為渴求的零部件優化設計未有涉及，學生工作時接觸到這一類新問題時，往往表現得束手無策。

3 有限元類課程教學改革方案設計

3.1 教學內容的整合與優化

3.1.1 精煉核心教學內容

教學改革并不是對有限元類課程原有教學內容的全盤否定，而是要揚棄，教師要面向企業、同事、已學過的學生進行調研，確定理論和實踐教學的核心內容，并且所確定的內容組成典型教學模塊以利教學實施，精煉教學內容的指導思想就是“能反應有限元法的求解思路，能與車輛工程實踐密切結合，能解釋有限元法應用時的常見問題”。

3.1.2 強化上機實踐教學

圖1 考慮優化的汽車整車及零部件開發流程

教師要深入企業采集分析案例，并引入工程試驗加深對有限元法計算結果的理解。以變速器傳動軸為例，基于傳動軸CAE 模型完成上機操作教學，保證每個學生能在軟件平臺上完成傳動軸的有限元仿真分析，由軟件觀察傳動軸幾個部位的變形量情況，對傳動軸進行加載實驗，通過不同載荷加載并記錄測量點的變形，對仿真與實際加載過程中的測量點變形進行對比分析，加深有限元方法求解過程和求解結果的理解。引入優化案例，精心設計汽車零部件拓撲優化、形狀優化以及尺寸優化的案例，通過上機教學，使學生掌握住相應的優化手段及方法。

3.2 調整教學方法

3.2.1 與學習基礎相銜接

有限元類課程中涉及的方程多為矩陣形式，需要大量推導公式，學生對課堂內容的理解十分有限，需要結合專業特點和本專業學生的前期基礎對課程內容進行調整：比如可以通過回顧材料力學中桿和梁的區別，引出節點自由度的概念，并教會學生如何根據實際工程問題選擇合適的單元。這種教學模式，能使學生更容易理解和接受有限元法的一些基本概念，激發學生的學習興趣。

3.2.2 作業與教學內容互補銜接的探索

有限元類課程教學內容環環相扣，如連續體的有限元法這一章，在講具體的實例前，有六節內容都是抽象的理論公式推導，學生學習難度大，而且感到記憶和應用困難，因此在新的教學設計中，可以將三角形薄極分析實例求解過程分解為六個模塊，將實例的內容凝煉成作業的形式布置給學生，使學生在完成作業的同時，加深對所學課程的理解，并為實例教學內容的學習，奠定基礎。

3.3 教學考核體系的完善創新

3.3.1 平時考核方式多樣化

目前有限元類課程的考核體系，以課程試卷考試為主，考核分為平時考核和期末考核兩部分，平時考核包含考勤和作業，其比重占總成績的30%，期末考核占總成績的70%，因此學生有平時不抓緊期末前突擊的現象。為督促學生學習，讓學生在每個階段都能了解自己對所學知識的掌握情況，增加網絡限時測試、十分鐘單人單桌測試、期末口試這幾個考核環節，實施上述幾種考核方式后要降低考勤所占平時成績比例。

3.3.2 試行平時考核獎勵機制

學生取得職業技能證書或完成復雜的工程應用案例，提交證明則能觸發平時考核獎勵機制，獲得平時成績。平時考核獎勵機制出發點在于鼓勵學生獲得Altair認證工程師證書，具備相應的工程分析技能，或者完成具有較高學術難度的工程應用題目，提交分析報告并參加答辯，獲得相應分值的平時成績。這種獎勵機制實現的途徑有很多，學生可以在科技創新活動、教師科研項目、國內汽車創新設計競賽等實踐環節積極參與，應用有限元類課程所學知識開展工程應用和創新設計。改革后考核評價方式如圖2 所示。

圖2 改革后考核評價方式

4 結束語

通過有限元類課程的教學改革，能夠有效精煉相關課程的核心教學內容，提高所授課程與工程實踐的緊密結合程度；多種教學方法的探索，能有效克服學生學習時所遇到的困難，加強了對課程所學理論與技能的掌握；多樣化的考核方式，為學生的課程應用提供了更多可行途徑和考察方式，促進了課程所學與工程應用相結合，能有效促進學生創新能力和工程技術能力的培養。