基于工程教育认证的机械结构ANSYS课程教学改革与实践

李树森+任毅

摘要：应企业需求反馈，基于工程教育专业认证的理念，对《机械结构有限元分析》课程制定了新的教学体系。从机械专业人才培养目标出发进行教学系统优化，以学生为中心，学习成果达成为目标，进行教学指导、管理建设及自我评价，形成一套不断自我完善的可持续发展教学改进机制。并对近三年《机械结构有限元分析》课程的改革实践情况进行了分析总结，实践结果表明：教学内容的选择设计、教学手段和考核方法的改进以及加强实践环节训练等方面，使课程体系和教学内容进一步体现基础性、科学性和前瞻性。建立健全科学合理的考核评价体系，形成可持续发展机制，可以激发学生的自主学习兴趣，提高掌握知识点和ANSYS软件学习效果，以實现培养分析实际工程问题的能力。

关键词：工程教育认证；有限元分析课程；教学指导；管理建设；评价机制

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）51-0233-03

工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保障制度，也是实现工程教育·国际互认和工程师资格国际互认的重要基础[1]。工程教育专业认证通过建立同现实工程师制度相匹配的教育评价体系，实现教育与工程界的接轨，确保工科专业毕业生达到行业认可的素质要求。通过对该理念的学习，我们认识到基于工程教育专业认证，将以教师传播知识为主要特征的传授型教学模式，向以培养学生认知能力和实践能力为主要特征的教学模式转变，满足社会对应用型人才的需求已成为我国高等工程教育界的研究热点。

有限元法是当今科学技术发展和工程分析中获得广泛应用的数值方法之一[2-4]。通过有限元分析软件，可以在产品设计阶段进行性能分析、预测与精确计算，缩短了产品研发及生产周期。对于复杂机械结构静态、动态与热态线性与非线性或稳定性计算分析，采用有限元借助计算机运算，均可获得满意的结果。

近年来，有限元法已经发展成为机械工程技术人员必须具备的知识[5，6]。国内高校从90年代后期开始，就逐步展开有关有限元分析及应用课程体系的改革与实践，以满足机械类专业教学需求。我校综合大部分企业对机械专业毕业生的反馈信息，发现机械专业对有限元法专业技能要求掌握得不够理想。本文基于工程教育专业认证的新理念，对有限元法课程理论与实践教学环节进行了形成性教学改革与实践，这对提升学生独立运用有限元法从事机械设计的能力、课程教学水平和学生的创新创业能力等方面具有重要的意义。

一、教学内容优化情况

教科书是课堂教学内容的整体框架，教学内容选择的适合与否直接影响教学效果的好坏。现在的大多数教材内容是在前人基础上做出的二次开发，即依葫芦画瓢，这就让学生的学习成了“傻瓜型”，对于学生的创新不利。其内容应更注重创新能力的培养，不仅授人以“鱼”，更着重授人以“渔”[7，8]。同时，要求有限元课程侧重课程内容的深度、广度与应用，在教学内容上强调“少、精、宽、新”，实行课程模块化和小型化。因此，应本着教材的先进性、学术性和适用性出发，合理选取教材。

丰富教学内容，将多媒体、网络、幻灯片和实物展示台等教学仪器引入课堂。对于有限元分析课程，借助多媒体设备，进行直观的交互式教学更凸显其优势。处理好基础性和先进性、经典与现代的关系，保证传授知识的先进性、实用性，使学生学有所获，学有所用。融合知识要点，理清知识结构，经过组织、加工，最终有效地转化为学生所掌握的知识。

二、教学指导与考核管理情况

1.教学指导方式先进。在经过大量调研分析的基础上，借鉴国内外大学研究型教学模式改革方面经验，结合机械专业特点，采用“启发式”、“互动式”和“项目式”相结合的教学模式，营造研究型课程教学环境，以着重培养学生认知能力和实践能力。

“启发式”教学方法研究：教学过程中根据教学任务和学习的客观规律，从学生的实际出发，采用多种方式，以启发学生的思维为核心，调动学生学习主动性和积极性，促使他们生动活泼地学习。针对有限元分析及应用课程逻辑性强，要求数学力学基础较高的特点，研究如何有效结合计算结果与恰当的物理解释，以增强学生对深奥理论知识的感性认识。

“互动式”教学方法研究：以学生的自主分析和设计为主体，在教师给出特定情境下，研究基于有限元分析软件ANSYS的工程实际问题，使学生针对具体工程实例充分认识掌握各知识要点的本质，自主提出问题解决方案。

“项目式”教学方法研究：一种工学结合、任务驱动和项目导向的教学模式。项目式教学法尝试通过实施一系列完整的教学项目，将理论和实践有机地结合，它以任务为导向进行教学活动，在老师的指导下，将一个相对独立的项目交由学生自己处理，信息的采集、方案的设计、项目实施及最终评价，都由学生自己负责，学生通过该项目的进行，了解并把握整个过程及每个环节中的基本要求。其最显著的特点是“以项目为主线、教师为引导、学生为主体”，是师生共同完成项目，共同取得进步的教学方法。

教学方法上逐渐向以学生为中心的方式靠拢，实现从“一言堂”到“启发式、互动式、项目式”的教学方法的转变。以提高学生的创新能力、实践能力、独立思考能力和观察能力等，满足社会对应用型人才的需求。

实践表明，这种教学方式的应用，从课前重点和难点问题的提出，到课上重点和难点问题的讨论和小组讨论；从教师课题项目问题的提出，到学生对项目问题的分析、研究和解决，始终以各种问题为导向，引发学生思考，并将科学研究的众多要素渗透到教学的各个环节中，让学生和科研小组在教学环节中体验科学研究的全过程，从而使学生自身的问题分析能力、理论分析能力、编程能力、动手实践能力、科学创新能力和团队协作能力得到锻炼和发展。

2.知识点模块化、合理实施考核。为了改变应试教育给学生学习带来的消极作用，我们也相应地改变了考核形式。以往都是单纯以卷面的形式来考查学生的学习效果，这样会造成学生为了考试而学习的弊端[9，10]。为了调动学生的学习积极性，能使考试成绩更加真实地反映学生学习的效果，我们采用多元化的考核制度，即：阶段性考试实验设计考核成绩和期末考试成绩结合模式。（1）阶段性实验设计。主要是对学生掌握知识内容和知识结构，并灵活运用的检测。我们将教学内容模块化，结合知识要点分为几个考核项目，从实际问题中出发，挑选出能反映所学知识且难度适中的习题。由学生自己独立地完成上机建模与模拟分析，并依据有限元规范格式书写分析求解过程的报告。实验设计分数的给出依据以创新性、实用性为主要标准，并参考学生的实际情况，进行客观评分。这种以学生的想象力和创造力为考核重点的成绩评价方式，激发了学生平时创新的自觉性和主动性，促进了学生创新精神和创新品格的培养。通过实验设计的考核，相对单纯的卷面考试，更能体现学生自主学习和独立思考的能力。（2）期末考试考核。还是以卷面的形式考核，但在考试内容和形式上做了改变。在考试内容方面，提倡以解决复杂问题分析和设计为主的题型，合理布局试卷的难易度、深广度、区分度。

通过以阶段考核、期中考核和期末考核、上机实践和作业以及教研讨论和专题等有机结合，实施过程化、多元化的考核方式，激发了学生平时创新的自觉性和主动性，促进了学生创新精神和创新品格的能力培养。

三、教学改革实践成果

针对设定的培养目标，结合学生的学习成果，以之为导向，学生为中心，建立了“评价—反馈—改进”的闭环持续改进机制。以下是以成果为导向《机械结构有限元分析》课程教学实践。

通过对2014年学生学习成果的达成情况分析，发现学生应用结构有限元方法分析工程中实际问题的能力不足，独立解决问题的能力欠缺。针对这些问题，2015年在课程讲解的过程中，增加了更多贴近工程实际的案例分析；在课程章节性总结中进行相似案例的归纳比較，加强贯穿性的对比分析认识；并在课程的考核过程中要求学生独立完成实际问题的分析与解决，有效地增强了学生运用有限元方法的独立工作能力，提高了学生的培养质量。2015年，发现学生对软件上机课程不够重视，上机操作不熟练，随即在后期的教学过程中加强上机操作实践环节的管理，加大上机操作考核评分的比重，提高学生的综合能力。表1为2016年上半年课程目标各项能力达成度评价情况。

从表1可以看出，近3年机械结构有限元课程教学改革取得了显著效果，学生的各项能力水平都达到了很高的标准。同时，通过对所设定的各个知识目标和能力目标的学习结果分析，可以评价本课程的实际学习成果。通过持续改进机制，保证持续改进培养目标，始终符合社会需求；持续改进毕业要求，始终符合培养目标；持续改进教学活动，始终符合毕业要求，为该课程在进行工程教育专业认证建设中课程体系的改革建设提供了一定的参考依据。

四、结束语

本文结合机械结构ANSYS课程的教学实践，针对教学中存在的弊端，从教学内容、教材及参考书选用、教学方法、考核方式等方面进行了探索和改革。通过上述的教学改革和实践，作为校重点课程的《机械结构有限元分析》教学取得了明显效果，提高了学生应对实际问题的综合能力，实现了互动教学中“教”与“学”的有机结合，激发了学生的学习兴趣，促进了学生学习的自主性，建立了“新的观念、新的教学模式、新的管理机制”。

参考文献：

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[4]李树森，曾剑锋，张恩惠.“有限元法”课程教学改革与实践[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2014，（2）：1-2.

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[9]林萍.培养创新人才的认识与实践[J].中国高等教育，2011，（2）.

[10]鲍四元.本科生有限元法的教学现状与若干改革研究[J].课程教育研究，2014，（1）.

Teaching Reform and Practice of Mechanical Structure ANSYS Course Based on Engineering Education Certification

LI Shu-sen，REN Yi

（College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin，Heilongjiang 150040，China）

Abstract：In response to enterprise demand feedback，based on the concept of Engineering Education Accreditation，the mechanical finite element analysis program develop a new teaching system. Optimize teaching system from mechanical professional training target and carry through teaching guide，construction management and self-evaluation based on student-centered and the goal of learning outcomes to achieve. Which form a continuous self-improvement and sustainable development of teaching improved mechanism. Practice of reform in recent years mechanical finite element analysis programs were analyzed and summarized. And the results show that improve the design of teaching content，teaching methods and assessment methods，and strengthen the practice training to make curriculum system and teaching content further embody the fundamental，scientific nature and prospective with the concept of students' learning outcomes based on engineering education professional accreditation. Establish and improve a scientific and reasonable evaluation system，and form sustainable development mechanism to stimulate students' interest in independent study and improve the grasp of the knowledge point and ANSYS software learning effect；Innovative excellent teaching environment to realize the ability of analyzing practical engineering problems.

Key words：engineering education accreditation；finite element analysis course；teaching guide；construction manag-

ement；evaluation mechanism