“疲勞設計與應用”課堂教學改革

谷曉嬌，魏永合，賈 磊

（沈陽理工大學，遼寧 沈陽 110159）

“疲勞設計與應用”是機械工程和車輛工程專業研究生的一門專業課程，主要研究各類典型的疲勞破壞形式，產生機理和工程中的設計方法。隨著疲勞設計與應用前沿科技的發展，課程內容也在不斷更新，相關的理論知識也逐漸增多。目前“疲勞設計與應用”的課程內容尚缺乏與熱點學術成果和工程實際的緊密結合，為了更好地培養研究生，對課程進行了基于學術新進展和仿真實驗案例的教學改革，根據課程理論知識結合學術新進展進行教學，并設計了仿真實驗案例，使學生在學習理論知識的同時建立工程實踐意識和學術創新意識。同時，在疲勞設計發展史的教學內容中融入了課程思政元素，使學生在學習專業知識同時建立社會責任感和使命感。

1 “疲勞設計與應用”課程教學現狀分析

“疲勞設計與應用”課程的主要內容可以分為4個方面：（1）機械疲勞與可靠性的概念、機械結構疲勞特性和影響因素；（2）材料與零件的疲勞分析方法和設計方法；（3）典型分析方法的基本理論和數據的選取，即與設計理論公式相關的參數選擇方法及應用；（4）用幾種較為典型的案例對機械零件進行疲勞設計。主要教學任務是使研究生對典型機械結構零件的疲勞壽命具有初步分析和設計的能力，為機械結構疲勞設計與學術研究打下理論基礎。

疲勞設計的前沿科技發展較快，這使得“疲勞設計與應用”課程內容也需要不斷更新。本課程還具有相關理論知識龐大，需要在一定程度上培養學生的實踐能力的特點。受場地、設備、時間等條件的限制，目前能夠通過實驗進行教學的理論和案例非常有限，大部分理論和案例只能通過播放視頻的形式使學生對相關知識的實際應用有一些感性認識。但這種學習形式缺乏對學生的實踐訓練，很難真正實現對研究生工程應用能力和創新意識的培養[1]。

為進一步提高培養研究生的質量，必須打破傳統的教學模式。因此，對“疲勞設計與應用”課程進行基于學術新進展和仿真實驗案例的課堂教學改革，將理論教學與實踐教學相互融合，從而使研究生通過學習和實踐把理論知識應用于工程實際?；趯W術新進展的相關研究成果培養學生自主學習的意識和科學的思維方法，進一步地提高學生的創新實踐能力[2]。

2 課程內容設計

首先，重新整理“疲勞設計與應用”的課程內容，根據當下的發展需要對基礎理論部分進行更新、整合和優化，使授課內容與科技進步的新成果、新理論和新技術相輔相成，尤其對于本課程相關的學術研究前沿性、熱點性成果要在課程內容中有所體現。同時，還要注重提煉課程內容中的思政元素，通過專業知識的傳授幫助學生樹立積極健康的人生觀和價值觀。

其次，根據課程相關知識點，為仿真實驗案例設計做準備?！捌谠O計與應用”既包含理論性較強的知識點，如機械疲勞與可靠性的概念、機械結構疲勞特性和影響因素、材料與零件的疲勞分析方法和設計方法，又包含了與實踐緊密聯系的相關內容，如典型分析方法的基本理論和數據的選取、機械零件典型案例的疲勞設計。根據各個部分內容的特點，將本門課程的主要內容分為重理論知識點和重實踐知識點兩部分。

最后，根據重理論知識特點篩選出學術研究前沿成果，根據重實踐知識內容特點，設計出合理的仿真實驗案例。對于重理論知識中難理解的部分，對應的匹配學術前沿比較有影響力的成果結合教學內容，幫助學生更實際的理解理論知識；對于重實踐知識部分，基于Matlab GUI等軟件對仿真實驗案例進行設計，并讓學生舉一反三，提出問題，思考并設計[3]。

3 教學案例設計

3.1 學術成果教學案例設計

針對課程理論知識中在不斷發展與創新的部分，設計學術成果教學案例。

通過查找總結近幾年有影響力的相關學術成果，使學生能夠更好地了解本專業課程的應用及趨勢，同時加深對重點知識和前沿知識的理解。

（1）查找國內外本課程相關的論文成果，包括但不限于通過SCI，EI，中國知網，獲取相關論文。

（2）對論文所屬相關章節內容進行分類，基于查找的近年論文成果，對應匹配理論知識。

（3）通過在講授課程理論知識的課程中和課程后，要求學生對比論文進行學習，并通過小組討論和總結等方式加深理解。

（4）由學生根據自己感興趣的一個或幾個知識點，查找相關論文成果，并進行總結和分享。

3.2 仿真實驗教學案例設計

針對重實踐知識點部分，提煉出重點理論知識并根據內容體系設計仿真實驗教學案例。通過仿真實驗，能夠使學生更直接的了解專業知識原理及其應用，從而加深對這部分內容的理解，并通過學習具備一定的工程實踐能力[4]。根據理論部分的教學內容制定的仿真實驗教學案例設計內容如下：

（1）基于Matlab GUI軟件設計機械零件疲勞過程描述的仿真實驗教學案例。采用Matlab GUI作為可視化交互式設計的工具，通過靜態文本、列表框、滾動條、按鈕、按鈕組、檢查框、彈出式菜單、坐標軸、控件控制以及面板等功能快速生成圖形操作界面，且完成回調函數的程序編寫操作。將疲勞設計理論中講授的影響機械零件疲勞強度的多種因素，包括形狀因素、尺寸因素、表面狀況、平均應力、復合應力、加載頻率、應力波形、停歇情況、腐蝕介質和溫度變化等以直觀的形式呈現給學生，并將Matlab GUI文件編譯成可獨立執行的exe文件程序，方便學生通過實驗系統理解和操作，解決了理論疲勞設計影響因素的工程實踐應用難理解、枯燥抽象的問題。

（2）基于Matlab GUI軟件設計機械零件疲勞壽命計算的仿真實驗教學案例。零件疲勞壽命計算的仿真實驗案例系統輸入參數分為材料參數、結構參數和工況參數三個部分，方便了研究生在相應的理論知識中查詢材料和結構的參數。其中工況參數是關于工作需要的參數，由學生根據實際情況給定，使學生在操作的過程中有自主思考的空間。仿真實驗案例軟件系統通過計算能夠得到目標機械零件的疲勞壽命，計算結果的輸出方式分為界面顯示、文件和表格3種形式，研究生可以根據需要選擇輸出形式，輸出計算結果文件。零件疲勞壽命計算仿真實驗案例系統的顯示界面更加直觀，輸入物理量和輸出計算結果均可被顯示查找，且結果輸出的多種形式可供學生保存并做后續處理。通過仿真實驗考慮結構、材料和工況三方面的影響因素，學生能夠較為實際地理解疲勞設計的應用特點，直接通過此仿真實驗案例系統對疲勞壽命的計算進行實驗，有助于學生知識結構的建立，解決了聯系實際抽象的問題。

（3）基于Matlab GUI設計機械零件疲勞設計參數選擇的仿真實驗教學案例。疲勞壽命受許多因素的影響，為了探究某個或某些參數對機械零件疲勞設計的影響，把其中典型的對疲勞壽命影響較大的羅列出來，并制作成參數選擇的仿真實驗教學案例。例如，滾動軸承的疲勞壽命受很多因素的影響，其中接觸特性對疲勞壽命的影響較大，制作通過接觸疲勞這一參數反映軸承疲勞壽命的參數選擇仿真實驗教學案例。即對某型號軸承的接觸疲勞壽命進行計算并編程，再將其集成到基于Matlab GUI設計的疲勞設計參數選擇仿真實驗案例中。通過設計好的系統進行實驗，學生基于在工程設計過程中的實際案例使用系統進行計算，再根據計算結果判斷是否符合設計精度，是否滿足技術要求，使參數變化對疲勞過程的影響一目了然，幫助學生深刻理解設計參數對疲勞過程的影響。

（4）提出實際問題，由學生根據相關的理論及仿真工具自行分析解決。通過多次仿真實驗的訓練，學生學習了知識，增加了工程實踐的意識，但是還缺乏自身的實踐過程，因此要求學生打開思維，2～3人為一個小組，分組訓練并分析解決工程問題。學生可以通過查找資料獨立設置問題。也可以通過課程設置的已有題目練習解決。根據問題目標，查找所學習的理論知識，通過問題分析、確定方法流程、理論計算、編程和計算機計算，得到最終結果。對于某一工程問題，引導學生多方案分析、對比和確定，避免學生在學習理論知識的過程中產生思維定式，解決了疲勞設計理論講授內容多、實踐環節少的問題，為學生參與工程實踐打下基礎。

以上教學過程的靈活性較強，機械零件疲勞過程描述的仿真實驗教學案例、機械零件疲勞壽命計算的仿真實驗教學案例和機械零件疲勞設計參數選擇的仿真實驗教學案例旨在通過已經建立的仿真軟件，理解和體驗理論知識的實際應用范圍及方法，并增加學生對工程實際案例的學習興趣。要求學生根據相關的理論及仿真工具自行分析解決，旨在基于本門課程并根據研究生所參與的科研課題需要進行自主創新，從而培養學生解決實際問題的能力和科研創新的意識，達到學以致用的學習效果。

4 考核方式改革

在改革教學模式的同時，也必須改革考核體系，需要根據改革后的教學模式制定出與之匹配的考核體系。改變單一的期末考核形式，從多方面增加過程考核，使對學生的考核更全面、充分。除了已經納入考核范圍內的出勤，作業和期末考試成績三方面評價指標，還需增加學術成果案例和仿真實驗案例的學習情況評價指標。

課程考核可被分為過程考核和期末考核兩部分，每種評價指標在總評成績中的比重也應根據新教學模式做出相應的調整。在大方向上，側重過程考核，弱化期末考核，且把學術成果案例和仿真實驗案例的學習情況作為重要的考核指標。具體為：過程考核共占總評成績的70%，其中，考勤占總評成績的10%、作業占總評成績的10%，課堂參與度占總評成績的10%，學術成果案例學習和自主總結占比20%，仿真實驗案例學習和自主設計占比20%；期末考核占總評成績的30%。

5 改革效果

（1）基于理論知識的重難點內容，設計了疲勞性能試驗研究新進展，粗糙度、溫度、應力集中等因素對疲勞性能的影響等7個學術成果教學案例，使研究生更好的理解理論知識，提高了研究生的學習熱情。

（2）整理了疲勞設計軟件制作的指導教程，鼓勵研究生自主學習。編寫Matlab GUI的基礎學習指導及基于Matlab的疲勞特性分析教程，從而解決學生因缺乏理論指導不愿自主學習的問題，同時給學生一些思考的空間，使學生更好的理解理論知識并掌握學習方法，為自主學習打下基礎。

（3）設計了學生可以在授課過程中完成的仿真實驗項目?；贛atlab GUI開設了機械零件疲勞過程描述、機械零件疲勞壽命計算、機械零件疲勞設計參數選擇3個基礎實踐項目。3個訓練完成后，提出問題，要求研究生進一步做自主設計，以完成一個疲勞設計相關的軟件系統設計為目標，培養研究生的創新實踐能力。

在后續的教學中，應該注重在課程階段為研究生創造更多實踐學習機會，如課程設計訓練，培養研究生獨立完成綜合性更強的疲勞設計，更為深入地加強研究生解決工程實踐問題的能力。

6 結語

通過對“疲勞設計與應用”開展基于學術成果和仿真實驗教學案例的教學改革，將學術最新成果和基于Matlab GUI的仿真實驗教學案例融合到教學過程中，突破了傳統理論教學的限制，實現了理論源于實踐的學習理念，提高了研究生的學習效果。也在教學過程中，激發了研究生的創新思維，訓練了研究生的實踐能力，為研究生從事科學研究工作打下了基礎。