應用型本科高校課程教學探索與實踐

丁福生　陸俊　倪驍驊　劉基岡

摘 要：為解決“汽車有限元分析”課程教學中存在的教學內容理論性過強、學生們學習有限元分析軟件難度較大、考核方式單一等問題，以2017級汽車服務專業本科生為研究對象，從課程的培養目標、教學軟件的選擇、教學方法的改進等方面提出了改革措施。實施教學改革后，學生對該課程的滿意度達到89%，課程教學改革效果良好。學生在畢業設計中應用有限元方法的人數在增加，畢業設計的質量也得到了提高。

關鍵詞：應用型本科 汽車 有限元分析 教學探索

1 前言

應用技術型本科，是指以應用技術類型為辦學定位，而不是以學術型為辦學定位的普通本科院校，是相對、區別于學術型本科的本科類型。有限元分析技術能夠在提高產品可靠性的前提下，縮短產品的開發周期，節省產品的開發成本，因而它被廣泛應用于汽車工業中。在汽車設計過程中，有限元分析應用于整車及零部件的剛度和強度分析、舒適性分析、流場分析以及車輛部件的優化分析[1]。有限元分析技術就是一門應用型技術，學會這門技術，將會提高畢業生的綜合能力和競爭力。“汽車有限元分析”作為汽車類專業本科生的一門專業課程，主要講授有限元的基本原理及在軟件中進行建模與分析等方面的基本理論與方法。如何培養適應企業需求的應用型高素質創新型人才，成為當前教育改革急需解決的難題。

2 汽車有限元分析課程教學現狀

有限單元法，是根據變分原理求解數學物理問題的數值計算方法，是力學方法和數學方法結合的產品，可廣泛應用于汽車設計的各個階段之中。通過有限單元法的介紹可知，對力學知識和數學知識要求相對較高，若學生們的基礎不扎實，學習的難度就會比較大。

當前學生普遍反映有限元理論晦澀難懂，雖然在規定課時內完成了“汽車有限元分析”課程的學習，但仍對所學有限元分析的理論知識處于似懂非懂的狀態，更無法使用有限元法去解決實際工程問題，不利于應用型人才的培養[2]。因此，在汽車工程專業本科教學過程中，如何平衡有限元理論教學的難度與深度，以及軟件工具的專業適用性和應用性，提高學生學習興趣，從而提高教學效果，是“汽車有限元分析”課程教學改革的核心任務[3]。

結合筆者近年來對“汽車有限元分析”課程的教學經驗，以鹽城工學院汽車工程學院2017級汽車服務工程專業的本科生為研究對象，分析該課程在汽車類專業本科教學中存在的問題，探討該課程在本科教學中的改革思路和措施。

3 基于新工科背景的課程改革實踐

3.1 明確該課程的培養目標

有限元分析的課程教學一般有兩種模式，一種是側重于理論教學，教學內容偏重于理論學習，如各種有限元法的原理、各種單元的理論、方程的數值解算等;另一種則側重于工程應用教學，目標是培養工程技術應用人才，教學內容偏重于有限元模型的建立、單元的選擇及網格劃分、邊界條件的處理及數值計算方法的選擇等在解決實際工程問題中的常用技術。第一種模式比較適合研究型大學采用，而第二種模式則適合于應用型本科高校采用[4]。鹽城工學院是一所應用型本科高校，側重于學生解決實際工程問題的能力培養。而我校汽車工程學院汽車服務工程2017級的學生是通過專升本的方式考入我校，他們在?？齐A段，沒有系統地學習材料力學的課程，高等數學也僅僅學了相對比較淺顯易懂的知識，學生們的力學、數學基礎比較薄弱，過多地講解理論，學生們易產生厭學情緒。因此，選用第二種模式進行教學，偏重于教授利用分析軟件解決實際工程問題，是課程的培養目標。

3.2 有限元分析教學軟件的選擇原則

目前的主流有限元分析軟件Ansys、Abaqus、Hyperworks等，它們都是以英語界面來呈現的，雖然英文界面加大了學生們學習的難度，但目前沒有中文界面的軟件可供選擇，不同的軟件具有不同的特點。Ansys軟件進入中國市場比較早，相關的書籍資料數量比較豐富，在全國高校中應用比較廣泛，但該軟件在汽車行業的企業中應用較少;Abaqus軟件，在國內知名度不如Ansys高，書籍資料數量一般，但是軟件的計算結果可靠性高，得到業內人士的一致認可，深受與汽車相關的企業歡迎，但是它們操作比較麻煩，入門有點難，尤其是對于剛接觸軟件的學生們來說，學習比較困難;Hyperworks軟件的計算結果的可靠性相對要差一些，學習資源也比Ansys軟件少一些，但是該軟件在有限元模型的建立、單元的選擇及網格劃分、邊界條件的處理能力比較強，相對于其他幾款軟件來說，操作界面友好，使用方便一些，更加容易入門。我們這門課程的培養目標是重軟件操作，輕理論講解和計算結果的準確性。綜合考慮各方面的原因，選擇Hyperworks軟件作為教學軟件。

3.3 有限元課程的教學改進方法

本課程僅有32學時，不能在課堂上講解太多理論性較強的知識，而應將重點放在具體案例的使用分析有限元幾何建模、網格的劃分、邊界條件的設定以及各種分析步驟設置的原因上。為了達到更好的教學效果，教學方法采用了以下的改進措施。（1）課程的內容重點突出，從簡入難。從材料力學中懸臂梁、簡支梁等簡單模型入手，讓學生們熟悉使用Hyperworks對懸臂梁、簡支梁模型的分析流程，并利用材料力學公式直接計算出懸臂梁、簡支梁的理論解，將軟件計算解與理論計算解進行對比，分析誤差產生的原因，從中介紹有限單元法計算的原理和軟件操作的方法來減少誤差，激發學生們的學習熱情;再對平板進行分析，最后對三維模型進行分析，循序漸進地加深難度。（2）加強專業名詞學習。專升本的學生的英語水平都比較一般，軟件中很多地方都涉及到英文的專用名詞，在缺乏理論知識的前提下，專用名詞會非常難懂，學習難度較大。在使用軟件的過程中，學生們經常遇到一些看不懂的專用詞匯，就會影響學生們的學習積極性，不知道這一步操作的意義和下一步怎么操作。如何讓學生們克服專業詞匯看不懂的難題？讓每一位學生準備好一個單詞本，從最簡單的懸臂梁例子開始，遇到不認識的單詞的時候，就把它記錄到本子上。高頻詞匯，會在課堂上進行重點講解;相對頻率不高的詞匯，引導學生們在課后自己進行翻譯，這樣可以很好地解決學生們由于語言問題而對該課程的恐懼感。（3）精心挑選與汽車相關的模型進行講解。學生們在本科學習階段會多門與汽車相關的課程設計，因此，選擇一些與汽車相關的零部件，如發動機的連桿、活塞、曲軸等零部件進行分析，有效地將不同的課程的知識串聯起來，提高學生們的綜合知識應用能力。（4）錄制教學視頻，上傳網站。“汽車有限元分析”課程32課時，有兩個班的同學集中授課，每位學生的基礎不一樣，有些同學接受知識比較快，而有些同學接受知識比較慢，課堂上的時間有限，如何讓所有學生都學會課堂上的講解的知識呢？現在網絡比較發達，課堂主要講解難點和重點以及軟件操作易出錯的地方，并將上課的內容，尤其是關于案例的軟件操作步驟錄成視頻，并上傳到網站，學生們課后可以隨時通過瀏覽視頻進行學習，這樣可以有效地幫助課堂上沒有掌握講授知識的學生們。

3.4 建立合理的評價目標

汽車有限元分析這門課程的具有應用性強的特點。課程考核內容的選擇力求體現綜合性和多樣性，主要考查學生靈活運用所學知識，解決問題的能力。若以考試試卷的方式進行考核，只能考查理論知識，這與課程的培養目標不符;若以同一個案例，讓所有學生同時進行上機考試，這樣只能對學生們的軟件操作能力以及具體案例的掌握程度進行考核，不能全面考查學生們利用有限元法解決實際問題的能力。根據培養目標的要求，本課程以利用Hyperworks軟件解決具體的案例作為考核的重點，對有限元的基本理論不進行考核。本課程最終以大作業的形式進行考核，大作業的題目由學生們自己擬定，他們通過自己遇到的問題、課程設計、網絡資源、圖書館資源自由選擇合適的、難度適中的題目，然后利用軟件進行分析，要求學生自主完成有限元建模與計算分析，并提交規范格式編寫的分析報告。這部分內容側重對學生獨立思考和動手能力的考核，這是單純依靠卷面難以體現的。最終成績采取課堂表現、平時作業完成情況以及大作業的完成情況各占一定比例的綜合方式來確定。

4 教學改革后的初步成效

對2017級汽車服務工程專業共計118名本科學生進行課程滿意度調查，調查結果顯示，有105名同學對課程教學的滿意度評分在80分以上，學生滿意度達到89%。其中有70名學生能夠較好地應用“汽車有限元分析”課程中的理論知識，運用HyperWorks軟件對汽車零部件進行建模和仿真分析，在大學生創新創業訓練項目、大學生方程式賽車等項目，取得良好的成績;學生們將有限元分析運用到畢業設計中的比例明顯提升，其中多名同學畢業設計被評為校級優秀論文。通過對“汽車有限元分析”課程的改革和創新，提高了學生的學習興趣，提升了學生的創新能力。

5 總結

“汽車有限元分析”是汽車類專業的一門重要專業課程，有限元分析法是解決工程問題的重要工具。通過探索和分析鹽城工學院汽車服務工程專業“汽車有限元分析”課程本科教學中存在的問題，從課程的培養目標、教學軟件的選擇、教學方法的改進、建立合理的評價目標等方面提出改革的思路和措施。實施教學改革后效果顯著，學生對課程的滿意度達到89%。通過課程教學改革和創新，鍛煉和提高了學生借助有限元軟件解決具體工程實際問題的能力，同時提升了學生的就業能力，為學生畢業后順利適應專業技術工作打下良好的基礎[5]。這與培養具有創新精神和社會適應能力的高級應用型人才的目標相一致。在后期課程教學中，教學與汽車工程實例相結合，運用企業生產實際中存在的問題為案例，在解決工程實際問題中強化理論知識，培養目標與企業需求一致。

參考文獻：

[1]劉燕霞，李美，張少波，李勁松.對《車輛CAE技術》的教學改革與實踐[J].海南大學學報自然科學版.2016.34（1）：90-94.

[2]張洪偉，席軍，許月梅.基于應用能力培養的本科有限元法課程的教改探討[J].中國現代教育裝備，2016（7）：68-70.

[3]周華祥，陶晶.“機械有限元分析”課程在本科教學中的改革探討[J].湖北理工學院學報，2020（4）：67-70.

[4]章泳健.面向應用的《有限元分析》課程的導入及教學實踐[J].常熟理工學院學報（教育科學），2009（6）：116-118.

[5]程強.卓越機械工程師的有限元分析及應用課程教學改革[J].中國現代教育裝備，2015（12）：231.