《有限元分析与应用》课程教学内容和课程体系改革——任务驱动式教学

赵秀婷

(贵州理工学院 机械工程学院，贵州 贵阳 550003)

0 引言

工程教育专业认证即是对工科专业的毕业生提出的质量要求，是一种综合评价系统，是以培养目标和毕业要求为导向(OBE)的合格性评价。基于学习产出的教育模式(Outcomes-based Education，缩写为OBE)，在OBE教育系统中，教育者必须对学生毕业时应达到的能力及其水平有清楚的构想，然后寻求设计适宜的教育结构来保证学生达到这些预期目标[1]。为了适应高等学校教育模式的改革，本文针对《有限元分析与应用》课程在教学内容和课程体系改革方面进行初步探索[2]。

1 改革思路与构想

《有限元分析与应用》课程的教学总起来应该分为理论教学和理论加实践教学两部分，对于研究型大学来说，他们主要培养的是对有限元理论进行深入研究的学生，课程主要开设在本科生和研究生阶段。对于应用型大学来说，他们培养的是应用有限元分析软件对工程项目分析的能力，要求学生知道部分简单的理论，更注重的是实际应用软件能力的培养。对于其中的有限元理论知识和分析推导方程等知识，需要涉及到变分、积分、插值函数等知识，这些知识对没有更多数学基础工科生来说，学起来比较困难，如果单纯的讲解数学推导计算会造成课程枯燥乏味，从而也达不到学习本课程的目的。

为了避免只学软件不懂一点理论的困局，因此提出改进课程教学思路，以任务驱动为导向，通过课程的学习，使学生最终达到知道基本理论，熟练操作软件解决工程实际问题的能力。

2 教学内容和课程体系

有限元法通常是根据结构特点，确定合适的单元类型，并对结构进行有限元网格划分，并按一定规则列出节点序号、单元序号，通过计算单元刚度矩阵和结构的总体刚度矩阵以及边界条件，然后求解整体结构的力位移方程，得到各节点位移，最后计算出单元应力[3]。通常只给学生介绍杆系结构有限元这部分理论知识。只讲各方程的物理意义和出处，不讲复杂的数学公式推导过程。整个课程主要介绍软件如何使用。

1)首先根据课程安排介绍ANSYS的基本使用，包括图形用户界面讲解、数据库和文件类型介绍，通过1个二维平面模型的简单实例让学生了解ANSYS的典型分析过程。同时布置相应的课后作业，让学生课后加深对软件的使用步骤和分析过程的理解与掌握。

2)介绍如何运用软件进行实体模型创建，这部分内容对于学生的要求是会创建实体模型，会几何图元的操作运算、编辑即可。因为ANSYS软件具有很好的与建模软件无缝连接的功能，能与计算机辅助设计CAD，(computer Aided design)软件接口，实现数据的共享和交换，如Creo，UG、SolidWorks、AutoCAD等。

3)实体模型的网格划分，有限元定义了多种单元类型，要求学生会选择单元类型，能正确的划分网格。通过课堂讲授介绍ANSYS常用的单元类型及网格划分方法，利用实例上机练习，让学生会定义单元类型，能正确的划分网格。

4)施加载荷与有限元求解，通过课上老师实际上机操作介绍载荷的类型，载荷步与求解预设置，利用具体的实例演示给学生看，载荷如何定义，载荷步控制操作及常用有限元求解方法，要求学生自己会施加载荷及求解设置。

5)通用后处理，主要介绍如何读取结果文件，结果的显示和列表，结果浏览器，结果数据的数学运算，POST1中其他后处理功能。使学生对于求解出的结果，会使用通用后处理显示结果，能正确判断分析结果是否正确。这部分内容主要通过老师讲和学生练习结合完成。

6)ANSYS应用菜单介绍，主要对照软件逐一演示讲解文件，选择，列表显示，绘图显示，绘图控制，工作平面，参数，宏命令，菜单控制，帮助等菜单项的操作功能。要求学生会使用应用菜单。

7)应用实例，分别安排夹具支架的强度分析，卫星的受力分析，传热结构的热分析， 热—结构耦合场实例。这4个实例分别安排在上述内容中进行训练。

通过上述全部内容的学习，对本课程提出了如何使学生达到应有的能力，如何使学生通过本课程的学习就能够解决实际工程问题，这些问题也正是工程教育专业认证所要求的内容。因此，本课程采用任务驱动式教学方法，以大型通用有限元软件应用为基础，以有限元基础理论为支撑，来分析不同工程案例的有限元求解过程，使学生建立起使用有限元法求解工程问题的整体思路。

3 教学改革

采用任务驱动式教学方法改革，改变以往的按章节逐一讲解的方式进行，将应用实例这部分内容贯穿整个课程，4个应用实例分别安排在不同的章节进行实际上机训练，让学生通过具体的实例练习来加深对每部分所讲内容的理解与掌握，通过这种方法授课，使学生不会感到乏味难学，将教师的“讲”和学生的“练”有机结合起来，通过练习中遇到问题并解决问题从而达到事半功倍的效果，使学生对课程产生浓厚的兴趣。

1)基本操作方法训练

理论课程安排在机房上，有助于基本操作方法理论知识讲解的同时进行基本操作方法训练，结合具体实例完成。

对于上机过程中学生遇到的问题，老师及时帮助解决，同时老师将大多数学生遇到的问题，在课上再演示操作并讲解。对教学内容和课程体系中涉及的内容全部采用“讲”和“练”结合的方式。

2)综合能力的培养

教师制定一个具体的工程实例，让学生独立完成有限元分析过程，可以了解学生模型创建、网格划分、有限元求解及结果输出等环节的掌握程度，采用上机辅导的方式完成，对于不懂的地方老师帮助解决，这样可以培养学生综合应用 ANSYS 软件的能力。对ANSYS软件的操作过程有一个全面的了解和掌握。

3)实践能力的培养

有限元技术已经在众多行业领域得到了深入的应用，并取得了很好的效果，尤其在产品设计开发过程中，大大地缩短了产品的设计开发周期，降低了成本，改变以往的设计必须制造出样品才能验证设计开发产品是否合理的弊端。如果应用型大学本科毕业生能熟练掌握此软件，将为他们的就业提供了极大的帮助。因此基于OBE的教育理念，最后要求学生根据自己的认知选择不同的现代工程实际问题，建立有限元分析求解方案，通过模型创建、材料定义、网格划分、施加载荷和边界条件、有限元求解及结果输出等环节，独立完成工程分析任务。此项要求作为学生最后的课程考核项目，最后一次课学生将课下准备好的任务上机操作完成，同时提交数据库文件及结果文件，教师给出成绩。

4 结语

有限元分析与应用课程对于应用型本科院校学生不讲授复杂的有限元法理论，而是将软件应用作为教学的重点。课程通过在机房上课，将“讲”和“练”有机结合起来，极大的锻炼了学生的实际动手能力，通过任务驱动式教学，以分析工程实际问题为目标来学习有限元的知识，在实例中掌握有限元分析的主要步骤。通过课程体系的改革，将以前难于理解和掌握的知识，在实际操作训练中使学生有了更加深入的理解及应用，提高了学生灵活运用所学知识的能力，从而实现有限元理论和工程实践的有机结合，为学生以后在工作中解决实际工程问题奠定良好的基础。