MATLAB与ANSYS课程实习的教学改革与实践

谷俊斌

（内蒙古科技大学，包头 014010）

伴随着人类社会的快速发展，生产科技也在不断地进步，计算机的应用已经成为当今社会的必要手段，高校有关计算机专业知识的教育遇到了巨大的挑战，MATLAB与ANSYS的学习对于工程力学专业是必需的。内蒙古科技大学于2005年开设了MATLAB与工程应用、ANSYS程序应用两门课程，分别讲授32个学时完成相应的理论内容，然后两人一组2周内协作完成课程实习（给定具体的工程算例，通过MATLAB与ANSYS软件建立有限元计算模型，对其进行力学分析）。通过实习进一步加强学生操作熟练度，同时培养学生的力学分析能力和团队合作精神。

为了更好地促进学生学习MATLAB与ANSYS的兴趣，2012年学校修改培养计划，MATLAB与ANSYS的教学采用“以学带练”的思想，舍去传统教学，更大程度地激发学生主动学习的热情。

一、MATLAB与ANSYS的特点

ANSYS软件由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，也是现代产品设计中的高级CAE工具之一[2，4]。ANAYS作为大型CAE应用软件在求解力学模型及仿真分析中具有不可替代的优势和作用。学习ANASYS可以提高工程力学专业学生对所学专业知识的应用能力。

特别是在完成毕业论文时，许多问题通过MATLAB与ANSYS软件进行计算分析能得到相对理想的结论[5-6]。MATLAB和ANSYS对工程力学专业的学生来说，是非常重要的两门计算软件，在求解力学模型及仿真分析具有不可替代的优势和作用，同时，学习MATLAB与ANSYS软件可提高工程力学专业学生对工程模型的计算分析能力，进而更好地解决工程实际问题。

我校2012届以前的工程力学专业学生执行旧培养大纲，开设MATLAB与工程应用、ANSYS程序应用、MATLAB与工程应用的实习和ANSYS程序应用的实习四门课程来完成ANSYS和MATLAB两大软件的学习；从2012届开始，工程力学专业的学生执行新培养大纲，四门课程合为“MATLAB与工程应用的实习”和“ANSYS程序应用的实习”两门为期3周的实习。在学时大大缩减的情况下，针对我校工程力学专业的特点和学生的现状，思考与探索如何在有限的学时下保质保量地完成软件实习的教学，同时，保证学生能够很好地掌握软件的应用，是非常有必要的。

二、MATLAB与ANSYS课程实习的改革

MATLAB与ANSYS课程的性质决定了学生自主学习时间较多，所以需要老师激发学生主动学习的兴趣。本次教学改革就是“以练带学”，突破传统思维，对MATLAB与ANSYS软件课程的教学内容、教学方法、考核方式进行系统梳理与全面改革。

1.教学内容的改革

“MATLAB与工程应用实习”课程为期3周，内容包括学习MATLAB软件和利用MATLAB求解振动问题专题，通过实习提高工程力学专业学生应用MATLAB软件解决力学问题的能力，也可以锻炼学生综合应用MATLAB函数、绘图功能、程序设计方法、SIMULINK工具箱以及其他各种工具箱解决振动力学问题，也为其他力学问题的求解打下基础。

“ANSYS程序实习”课程也为期3周，内容包括学习ANSYS软件和利用ANSYS对实际工程问题进行力学分析。通过实习锻炼学生综合应用ANSYS选取合适的材料和单元，建立实际工程构件或结构的力学有限元模型，通过后处理结果分析构件或结构的强度、刚度和位移等，还可以加入塑性和非线性分析。

“MATLAB与工程应用实习”和“ANSYS程序实习”采取学生一人一题来训练学生对MATLAB和ANSYS软件的应用。首先，将MATLAB和ANSYS的教学课件PPT传送到学生电子邮箱，方便大家自由查阅学习；其次，通过典型例题讲解，使学生熟悉MATLAB和ANSYS软件的基本操作。最后，选择难度适宜的工程实践问题，锻炼学生自主学习和独立解决问题的能力，并在此过程中针对性地指导学生遇到的难题，给予学生帮助。

初识国威，了解其产品主要为切纸机，应用范围覆盖纸张、塑料薄片、金属箔片、皮革、包装布等材料，除在国内占有一定市场份额外，还销售到法国、意大利、美国、西班牙等70余个国家；深入了解国威，发现其主攻切纸机，成立25年来从未“移情别恋”, 只是随时代发展以“切纸机”为主题不断衍生出程控切纸机、液压切纸机等产品，可谓“真爱”。

2.教学方法的改革

制订教学大纲和选用了合适教材后，必须采用有效的教学方法，才能达到预期的目标。传统的教学模式以“教”为中心，忽视学生对知识的深入理解和掌握，更不重视对学生创造性思维方式的培养和训练，它只能培养出“循规蹈矩”式的人才，阻碍了学生创新潜力的发挥。“MATLAB与工程应用实习”和“ANSYS程序实习”在教学中，打破传统教学模式，“以练带学”，教师只在实习中穿插讲解一些重点和难点，充分发挥学生在教学活动中的主体作用，激发学生主动参与教学的积极性，创造能够激活学生创新意识的良好环境。

MATLAB和ANSYS的软件教学由以教为主的模式改变为以练为主的模式，即“以练带学”。学生选择一题，通过完成实习报告，自主积极地学习MATLAB和ANSYS软件，从而达到教学目的，使得学习过程积极而轻松。举例如下。

如图1所示，两自由度无阻尼振动系统。选取不同的弹簧刚度、阻尼、应用SIMULINK计算在不同简谐激励下系统的响应。

图1 两自由度无阻尼振动系统

通过SIMULINK工具箱求解如图2所示，求解的过程能够使学生在熟悉振动力学知识的同时，学习将振动问题转化为MATLAB软件SIMULINK工具箱中的基本模块及语言来表达，进而完成求解。

图2 两自由度无阻尼振动系统在不同简谐激励下的响应

如图3所示，一个材料为钢的10cm10cm的薄板，在其中心处有一个半径为1cm的圆孔。材料弹性模量E=210Gpa，泊松比为u=0.3。钢板在200N均布荷载作用下的应力云图，如图4所示。

图3 薄板的计算模型

图4 薄板的Misse应力云图

利用ANSYS分析构件应力应明确材料属于塑性材料，选择Misse应力较为合适。建立ANSYS的计算模型时，需要设定单元模式和材料属性，完成单元网格划分，约束的设置和荷载的施加等，在完成薄板应力分析的过程中便涵盖了ANSYS的基本操作。

3.考核方式的改革

在教学评价上，本课程注重全面考查学生的素质，而不是仅仅考查学生所掌握的知识。考察的内容不仅有所学的知识和技能，还有在平时学习中应用MATLAB与ANSYS的知识解决实际工程问题的能力等。

同时，应加强过程考察，注重分段考察。弱化终端式的考试模式，将教学任务与要求进行分解，分阶段的组织灵活多样的考察方式，如上机考核等，并在最后的考核中酌情要求学生提交过程草稿以督促学生各个阶段的学习。

考核根据实习计算过程中学生的表现和实习计算说明书完成的质量确定成绩。第1-2周，每周按学习进度进行上机实习考核。总成绩由学生在3周内的综合表现评定，包括平时成绩和说明书成绩。

总成绩100分=平时成绩50分（出勤+上机考核）+实习计算说明书成绩50分

三、存在的问题和改进的措施

1.存在的问题

经过几年的MATLAB与ANSYS教学和工程力学专业本科毕业论文的指导，可以发现MATLAB与ANSYS实践教学中存在以下几个问题。

第一，MATLAB与ANSYS实践课程在工程力学专业大四上学期开设，涉及毕业学生找工作或考研究生，学生的精力比较分散，因此导致有一部分同学学习的不够扎实，在做毕业论文的过程中，这些同学需要重新学习软件知识，从而影响到毕业论文的进度。

第二，在应用复杂的MATLAB工具箱时，如神经网络工具箱和优化设计工具箱等，需要新的理论知识支持，对于本科生来说稍有难度。

第三，ANSYS初学时，大部分同学舍弃命令流，选择界面操作的方法，在复杂工程构件建模时，界面操作工作量大，且有些命令不易操作，大大降低了工作效率。

2.改进的措施

第一，授课方式采用“以练带学”，充分调动学生学习的积极性，教师每天到设计教室，随时指导，及时地解决学生的问题，针对MATLAB与ANSYS操作的难点在实习过程中穿插讲解。

第二，在MATLAB实习的过程中，教师选取涉及神经网络工具箱和优化设计工具箱的案例，进行详细讲解，帮助学生攻克学习难点。

第三，在ANSYS实习的过程中，教师有意地培养学生读写命令流的习惯，同时在举例时，突显命令流的优势，激发学生学习命令流的积极性。

四、结束语

MATLAB与ANSYS是功能强大的数值计算软件，能有效地计算工程构件的强度和刚度问题。目前各个工科行业发展迅速，对应用型的力学人才需求量大，针对这一现状，在继承以往教学改革成果的基础上，“以练带学”，在工程力学专业的教学中加强MATLAB与ANSYS课程实习，能提高学生解决实际工程问题的能力。

[1]Edward B.Magrab.An Engineer’s Guide to MATLAB（MATLAB 原理与工程应用）[M].高会生，译.北京：电子工业出版社，2002：96-98.

[2]黄书珍，胡仁喜，康士廷，等.ANSYS12.0土木工程有限元分析从入门到精通 [M].北京：机械工业出版社，2010：285-332.

[3]黄方，章向明.MATLAB在工程力学中的应用[J].科技教育，2014（28）：123.

[4]谷俊斌，贾宏玉.ANSYS软件在工程力学专业教学中的应用[J].中国冶金教育，2013（4）：9-11.

[5]贾宏玉，方治华，顾永强.MATLAB教学与工程力学本科毕业论文相互促进的探讨[J].福建电脑，2009（1）：197.

[6]赵玉萍，胡辉，徐大清.工程力学专业本科毕业论文答辩质量的控制[J].当代教育理论与实践，2011（3）：54-55.