“车辆有限元法分析”课程创新教学的设计与开展

姚 嘉，卢 伟，匡 兵

（桂林电子科技大学机电工程学院车辆工程系，广西 桂林 541004）

汽车行业是高速发展的行业，激烈竞争的汽车市场也对汽车的开发周期和产品性能提出了高要求，因此就需要采用有限元分析的方法进行产品设计与评估。有限元分析的作用就在于它能驱动精益设计和加速汽车开发流程，可以节省开发成本，缩短开发周期。然而，作为近几年工科专业的必修课程“车辆有限元法分析”，其往往只重视有限元理论知识的介绍，忽略了有限元法思维在工程上的应用的实践与工程案例求解[1-3]，因此局限了学生的学习深度。笔者认为，“车辆有限元法分析”课程改革应紧密结合专业背景开展，尝试新方法、新思路、新模式，使课程的开设能够在完善汽车专业知识体系建设和工程应用型人才培养中起到应有的作用。

1 “车辆有限元法分析”课程教学现状分析

总结现有的“车辆有限元法分析”课程教学，存在的主要问题如下[4]：

第一，有限元方法基础理论教学环节与实操环节的融合问题。有限元方法的本质是借助计算机技术解决各类工程问题[5]，现有教学过程仅注重应用技能的培养，而忽略了有限元基本理论的教学，或者只注重实际操作，而没有基本理论支撑的学习。例如，学生只掌握单元、节点，网格划分等简单有限元概念，而无法根据工程问题本身选用最优化的设置。再如，发动机部分的有限元分析，一定要考核温度场的变化，才能进行有效的有限元结构分析。

第二，原有考核方式与教学目标冲突。原教学方案采用闭卷笔试的考核方式，仅能考查学生对有限元基本概念、主要步骤、基本操作流程等知识的掌握情况，无法真实评估学生应用有限元工具解决具体工程问题的能力。

2 “车辆有限元法分析”课程创新教学设计

“车辆有限元法分析”课程力求使学生掌握通用有限元软件ANSYS workbench 的应用方法和技巧，并在此基础上深刻理解和掌握有限元基本概念，包括几何非线性、材料非线性、结构稳定性、结构振动特性等概念；通过汽车开发设计工程案例的讲解，培养学生解决实际工程问题和培养科研能力。针对“车辆有限元法分析”课程的教学特点，主要采用线上线下混合教学的方法进行教学改革，教学的创新设计具体总结为以下三点。

（1）通过线上教学手段的有效利用，拓展教学的深度与维度

由于课程教学学时的限制（24 学时的理论课堂教学+12 学时的实验学时），本课程进行线上教学资源建设，教师录制课程教学视频，教学视频录制不少于30 个实际的工程案例。借助爱课程的平台进行课程网络资源的发布，确保学生有足够的时间完成实操练习。学生通过线上的课程的学习，逐步熟练软件的应用，通过线下的课堂反馈，便于及时发现课程设置中的实时问题，进行教学反馈调控并调整课堂教学内容。

（2）线下课堂授课内容动态设置与学生分组协作

线下课堂授课部分内容的设置包括的基本内容如下：①案例实操问题的反馈（由学生的操作过程遇到的问题决定讲解的内容）；②案例分析的结论和反思；③类比案例的举例和解决思路梳理；④下一个工程案例有限元分析的导入。另外，进行分组式的学习团队协作设置，实行组长负责制，通过分组考核和组内学习，实现全体学生的共同学习与进步。

（3）理论课与实验课的不同考核方案的递进实施

本课程更倾向于对每个有限元工程案例的操作与学习积累，因此传统的试卷考核并不适用于对本课程进行成绩评定。24 学时理论课程设置的理论教学案例更侧重于实际软件操作的技巧和案例完整度学习，以平时的学业完成度和课后作业的挑战难度的不同，分次计分。12 学时的上机试验课，要求在老师的当堂讲解导入的前提下，随堂完成学业挑战度的车辆工程案例的实操，根据完成度、完成质量和对案例的后处理数据分析的结论给出试验成绩，计入总评成绩。上机实验环节安排在理论教学结束后进行，上机实验案例更具有学习挑战度，能更好的体现出学生的课程学习深度与学习主动性。课程的创新性考核方式更能体现出教学深度的逐渐递进特征。

3 “车辆有限元法分析”课程创新教学的开展

（1）线上教学案例库建设与爱课程平台的使用

目前，主讲教师已完成了教学平台的基本搭建，按照线上线下混合教学的形式，上传了课程学习的相关材料，其中包括理论课教学20 学时的案例操作视频资源，课件资源，拓展阅读资料，习题和课后作业资源。学生在课前根据老师在平台布置的任务，可进行案例操作的预习，进行拓展资料的阅读学习，并根据个人的实际情况，准备好课堂教学需要解决的问题，通过课堂反馈或者进行学习小组内的互帮互助，最终完成相关学习任务。

（2）线下课堂教学与分组学习的实践

根据案例的实际需要，进行相关的理论知识的课堂教学，具体包括理论教学、案例反思、案例导入、学生课堂分组交流和讨论，学生对案例分析理解的讲授环节，课堂教学与学生的案例分享。课堂教学在线上线下的教学模式中仍然占据了举足轻重的地位，根据学生对案例的线上预习和操作遇到的问题，教师进行及时的解答。同时，工程案例采用有限元方法进行求解时涉及的理论知识时，必须经过课堂教学的面对面说明得到强化并保证知识点的掌握。有限元软件的操作只是工程问题的解决的有效手段，并非是工程技术实现的唯一方法，因此，通过分组讨论可以实现头脑风暴和高阶能力培养。

（3）课程过程性考核与项目完成度考核的融合性设计

针对课程的毕业要求教学指标点，进行有限元的形成性考核，与培养目标的达成度一致性。本课程的教学目标可以分解为两个：①通过学习，能够参照科学的理论模型解释和分析实验数据和结果，并通过信息综合得到合理有效的结论；②能够针对车辆工程领域复杂工程问题，选择与使用恰当的技术手段和现代有限元仿真工具进行建模、预测与仿真。针对各项目标的评价依据被确定为案例操作熟练度和准确度；案例求解后处理能力；对案例的工程意义评价。并通过平时作业、大作业、实验报告的具体成绩评定环节得以量化。目前的教学改革实施下，学生的课程平均成绩会达到良好以上的等级。通过学生教学过程参与度评价以及各项得分的统计，获得学生的课程掌握程度、学习投入与学习效果的评价，在后续的教学开展中，持续优化过程性考核的相关内容以更好的达成课程学习目标与人才培养目标。

（4）教学改革效果的综合分析

前期的教学中，完成教学改革的第一、二轮的教学实施，包括在授课中进行了16 个工程案例的实操学习，完成了课程的形成性考核。对于软件应用，学生在理论掌握和工程结论分析方面有了系统化的学习。根据试验环节的实际软件应用操作，30%学生的考核成绩都能达到良好的成绩，70%的学生应用能力达到优秀等级。同时，学生调研结果反馈对“以案例分析的模块化设计完成课程学习”的改革认可度达到预期的100%。课程学习的效果在后期的毕业设计环节中的有限元运用这部分内容中得到了进一步实践，有限元仿真的整体完成质量较高。主讲教师对于网络授课的特点和不足有了了解，对学生的网络学习存在的问题有正确的认识和解决的方案。后期会逐步建成课程网络学习平台和慕课，提供更加丰富的案例资源（案例库不少于30 个案例，线上视频总时长不少于300 min，案例库的分析实例涵盖以Workbench 为主，陆续拓展ADAMS 等汽车工程常用有限元软件分析内容），完成具体案例求解时的难点点拨，完成线上线下混合教学课程建设。

4 结语

车辆有限元法分析课程通过建设线上案例资源库和实施过程性考核，并通过线上线下混合教学解决现有教学方案未能结合专业背景与产业发展脱节的问题；解决有限元法基础理论教学环节与实操环节结合不完善；克服现有教学过程仅注重应用技能的培养，或者只注重实际操作而没有基本理论支撑的弊端，真正做到了以学生培养为中心设置教学内容，进行教学创新，对学生的知识体系的建立具有积极作用。