“車輛有限元法分析”課程創新教學的設計與開展

姚 嘉，盧 偉，匡 兵

（桂林電子科技大學機電工程學院車輛工程系，廣西 桂林 541004）

汽車行業是高速發展的行業，激烈競爭的汽車市場也對汽車的開發周期和產品性能提出了高要求，因此就需要采用有限元分析的方法進行產品設計與評估。有限元分析的作用就在于它能驅動精益設計和加速汽車開發流程，可以節省開發成本，縮短開發周期。然而，作為近幾年工科專業的必修課程“車輛有限元法分析”，其往往只重視有限元理論知識的介紹，忽略了有限元法思維在工程上的應用的實踐與工程案例求解[1-3]，因此局限了學生的學習深度。筆者認為，“車輛有限元法分析”課程改革應緊密結合專業背景開展，嘗試新方法、新思路、新模式，使課程的開設能夠在完善汽車專業知識體系建設和工程應用型人才培養中起到應有的作用。

1 “車輛有限元法分析”課程教學現狀分析

總結現有的“車輛有限元法分析”課程教學，存在的主要問題如下[4]：

第一，有限元方法基礎理論教學環節與實操環節的融合問題。有限元方法的本質是借助計算機技術解決各類工程問題[5]，現有教學過程僅注重應用技能的培養，而忽略了有限元基本理論的教學，或者只注重實際操作，而沒有基本理論支撐的學習。例如，學生只掌握單元、節點，網格劃分等簡單有限元概念，而無法根據工程問題本身選用最優化的設置。再如，發動機部分的有限元分析，一定要考核溫度場的變化，才能進行有效的有限元結構分析。

第二，原有考核方式與教學目標沖突。原教學方案采用閉卷筆試的考核方式，僅能考查學生對有限元基本概念、主要步驟、基本操作流程等知識的掌握情況，無法真實評估學生應用有限元工具解決具體工程問題的能力。

2 “車輛有限元法分析”課程創新教學設計

“車輛有限元法分析”課程力求使學生掌握通用有限元軟件ANSYS workbench 的應用方法和技巧，并在此基礎上深刻理解和掌握有限元基本概念，包括幾何非線性、材料非線性、結構穩定性、結構振動特性等概念；通過汽車開發設計工程案例的講解，培養學生解決實際工程問題和培養科研能力。針對“車輛有限元法分析”課程的教學特點，主要采用線上線下混合教學的方法進行教學改革，教學的創新設計具體總結為以下三點。

（1）通過線上教學手段的有效利用，拓展教學的深度與維度

由于課程教學學時的限制（24 學時的理論課堂教學+12 學時的實驗學時），本課程進行線上教學資源建設，教師錄制課程教學視頻，教學視頻錄制不少于30 個實際的工程案例。借助愛課程的平臺進行課程網絡資源的發布，確保學生有足夠的時間完成實操練習。學生通過線上的課程的學習，逐步熟練軟件的應用，通過線下的課堂反饋，便于及時發現課程設置中的實時問題，進行教學反饋調控并調整課堂教學內容。

（2）線下課堂授課內容動態設置與學生分組協作

線下課堂授課部分內容的設置包括的基本內容如下：①案例實操問題的反饋（由學生的操作過程遇到的問題決定講解的內容）；②案例分析的結論和反思；③類比案例的舉例和解決思路梳理；④下一個工程案例有限元分析的導入。另外，進行分組式的學習團隊協作設置，實行組長負責制，通過分組考核和組內學習，實現全體學生的共同學習與進步。

（3）理論課與實驗課的不同考核方案的遞進實施

本課程更傾向于對每個有限元工程案例的操作與學習積累，因此傳統的試卷考核并不適用于對本課程進行成績評定。24 學時理論課程設置的理論教學案例更側重于實際軟件操作的技巧和案例完整度學習，以平時的學業完成度和課后作業的挑戰難度的不同，分次計分。12 學時的上機試驗課，要求在老師的當堂講解導入的前提下，隨堂完成學業挑戰度的車輛工程案例的實操，根據完成度、完成質量和對案例的后處理數據分析的結論給出試驗成績，計入總評成績。上機實驗環節安排在理論教學結束后進行，上機實驗案例更具有學習挑戰度，能更好的體現出學生的課程學習深度與學習主動性。課程的創新性考核方式更能體現出教學深度的逐漸遞進特征。

3 “車輛有限元法分析”課程創新教學的開展

（1）線上教學案例庫建設與愛課程平臺的使用

目前，主講教師已完成了教學平臺的基本搭建，按照線上線下混合教學的形式，上傳了課程學習的相關材料，其中包括理論課教學20 學時的案例操作視頻資源，課件資源，拓展閱讀資料，習題和課后作業資源。學生在課前根據老師在平臺布置的任務，可進行案例操作的預習，進行拓展資料的閱讀學習，并根據個人的實際情況，準備好課堂教學需要解決的問題，通過課堂反饋或者進行學習小組內的互幫互助，最終完成相關學習任務。

（2）線下課堂教學與分組學習的實踐

根據案例的實際需要，進行相關的理論知識的課堂教學，具體包括理論教學、案例反思、案例導入、學生課堂分組交流和討論，學生對案例分析理解的講授環節，課堂教學與學生的案例分享。課堂教學在線上線下的教學模式中仍然占據了舉足輕重的地位，根據學生對案例的線上預習和操作遇到的問題，教師進行及時的解答。同時，工程案例采用有限元方法進行求解時涉及的理論知識時，必須經過課堂教學的面對面說明得到強化并保證知識點的掌握。有限元軟件的操作只是工程問題的解決的有效手段，并非是工程技術實現的唯一方法，因此，通過分組討論可以實現頭腦風暴和高階能力培養。

（3）課程過程性考核與項目完成度考核的融合性設計

針對課程的畢業要求教學指標點，進行有限元的形成性考核，與培養目標的達成度一致性。本課程的教學目標可以分解為兩個：①通過學習，能夠參照科學的理論模型解釋和分析實驗數據和結果，并通過信息綜合得到合理有效的結論；②能夠針對車輛工程領域復雜工程問題，選擇與使用恰當的技術手段和現代有限元仿真工具進行建模、預測與仿真。針對各項目標的評價依據被確定為案例操作熟練度和準確度；案例求解后處理能力；對案例的工程意義評價。并通過平時作業、大作業、實驗報告的具體成績評定環節得以量化。目前的教學改革實施下，學生的課程平均成績會達到良好以上的等級。通過學生教學過程參與度評價以及各項得分的統計，獲得學生的課程掌握程度、學習投入與學習效果的評價，在后續的教學開展中，持續優化過程性考核的相關內容以更好的達成課程學習目標與人才培養目標。

（4）教學改革效果的綜合分析

前期的教學中，完成教學改革的第一、二輪的教學實施，包括在授課中進行了16 個工程案例的實操學習，完成了課程的形成性考核。對于軟件應用，學生在理論掌握和工程結論分析方面有了系統化的學習。根據試驗環節的實際軟件應用操作，30%學生的考核成績都能達到良好的成績，70%的學生應用能力達到優秀等級。同時，學生調研結果反饋對“以案例分析的模塊化設計完成課程學習”的改革認可度達到預期的100%。課程學習的效果在后期的畢業設計環節中的有限元運用這部分內容中得到了進一步實踐，有限元仿真的整體完成質量較高。主講教師對于網絡授課的特點和不足有了了解，對學生的網絡學習存在的問題有正確的認識和解決的方案。后期會逐步建成課程網絡學習平臺和慕課，提供更加豐富的案例資源（案例庫不少于30 個案例，線上視頻總時長不少于300 min，案例庫的分析實例涵蓋以Workbench 為主，陸續拓展ADAMS 等汽車工程常用有限元軟件分析內容），完成具體案例求解時的難點點撥，完成線上線下混合教學課程建設。

4 結語

車輛有限元法分析課程通過建設線上案例資源庫和實施過程性考核，并通過線上線下混合教學解決現有教學方案未能結合專業背景與產業發展脫節的問題；解決有限元法基礎理論教學環節與實操環節結合不完善；克服現有教學過程僅注重應用技能的培養，或者只注重實際操作而沒有基本理論支撐的弊端，真正做到了以學生培養為中心設置教學內容，進行教學創新，對學生的知識體系的建立具有積極作用。