应用型本科高校课程教学探索与实践

丁福生　陆俊　倪骁骅　刘基冈

摘 要：为解决“汽车有限元分析”课程教学中存在的教学内容理论性过强、学生们学习有限元分析软件难度较大、考核方式单一等问题，以2017级汽车服务专业本科生为研究对象，从课程的培养目标、教学软件的选择、教学方法的改进等方面提出了改革措施。实施教学改革后，学生对该课程的满意度达到89%，课程教学改革效果良好。学生在毕业设计中应用有限元方法的人数在增加，毕业设计的质量也得到了提高。

关键词：应用型本科 汽车 有限元分析 教学探索

1 前言

应用技术型本科，是指以应用技术类型为办学定位，而不是以学术型为办学定位的普通本科院校，是相对、区别于学术型本科的本科类型。有限元分析技术能够在提高产品可靠性的前提下，缩短产品的开发周期，节省产品的开发成本，因而它被广泛应用于汽车工业中。在汽车设计过程中，有限元分析应用于整车及零部件的刚度和强度分析、舒适性分析、流场分析以及车辆部件的优化分析[1]。有限元分析技术就是一门应用型技术，学会这门技术，将会提高毕业生的综合能力和竞争力。“汽车有限元分析”作为汽车类专业本科生的一门专业课程，主要讲授有限元的基本原理及在软件中进行建模与分析等方面的基本理论与方法。如何培养适应企业需求的应用型高素质创新型人才，成为当前教育改革急需解决的难题。

2 汽车有限元分析课程教学现状

有限单元法，是根据变分原理求解数学物理问题的数值计算方法，是力学方法和数学方法结合的产品，可广泛应用于汽车设计的各个阶段之中。通过有限单元法的介绍可知，对力学知识和数学知识要求相对较高，若学生们的基础不扎实，学习的难度就会比较大。

当前学生普遍反映有限元理论晦涩难懂，虽然在规定课时内完成了“汽车有限元分析”课程的学习，但仍对所学有限元分析的理论知识处于似懂非懂的状态，更无法使用有限元法去解决实际工程问题，不利于应用型人才的培养[2]。因此，在汽车工程专业本科教学过程中，如何平衡有限元理论教学的难度与深度，以及软件工具的专业适用性和应用性，提高学生学习兴趣，从而提高教学效果，是“汽车有限元分析”课程教学改革的核心任务[3]。

结合笔者近年来对“汽车有限元分析”课程的教学经验，以盐城工学院汽车工程学院2017级汽车服务工程专业的本科生为研究对象，分析该课程在汽车类专业本科教学中存在的问题，探讨该课程在本科教学中的改革思路和措施。

3 基于新工科背景的课程改革实践

3.1 明确该课程的培养目标

有限元分析的课程教学一般有两种模式，一种是侧重于理论教学，教学内容偏重于理论学习，如各种有限元法的原理、各种单元的理论、方程的数值解算等;另一种则侧重于工程应用教学，目标是培养工程技术应用人才，教学内容偏重于有限元模型的建立、单元的选择及网格划分、边界条件的处理及数值计算方法的选择等在解决实际工程问题中的常用技术。第一种模式比较适合研究型大学采用，而第二种模式则适合于应用型本科高校采用[4]。盐城工学院是一所应用型本科高校，侧重于学生解决实际工程问题的能力培养。而我校汽车工程学院汽车服务工程2017级的学生是通过专升本的方式考入我校，他们在专科阶段，没有系统地学习材料力学的课程，高等数学也仅仅学了相对比较浅显易懂的知识，学生们的力学、数学基础比较薄弱，过多地讲解理论，学生们易产生厌学情绪。因此，选用第二种模式进行教学，偏重于教授利用分析软件解决实际工程问题，是课程的培养目标。

3.2 有限元分析教学软件的选择原则

目前的主流有限元分析软件Ansys、Abaqus、Hyperworks等，它们都是以英语界面来呈现的，虽然英文界面加大了学生们学习的难度，但目前没有中文界面的软件可供选择，不同的软件具有不同的特点。Ansys软件进入中国市场比较早，相关的书籍资料数量比较丰富，在全国高校中应用比较广泛，但该软件在汽车行业的企业中应用较少;Abaqus软件，在国内知名度不如Ansys高，书籍资料数量一般，但是软件的计算结果可靠性高，得到业内人士的一致认可，深受与汽车相关的企业欢迎，但是它们操作比较麻烦，入门有点难，尤其是对于刚接触软件的学生们来说，学习比较困难;Hyperworks软件的计算结果的可靠性相对要差一些，学习资源也比Ansys软件少一些，但是该软件在有限元模型的建立、单元的选择及网格划分、边界条件的处理能力比较强，相对于其他几款软件来说，操作界面友好，使用方便一些，更加容易入门。我们这门课程的培养目标是重软件操作，轻理论讲解和计算结果的准确性。综合考虑各方面的原因，选择Hyperworks软件作为教学软件。

3.3 有限元课程的教学改进方法

本课程仅有32学时，不能在课堂上讲解太多理论性较强的知识，而应将重点放在具体案例的使用分析有限元几何建模、网格的划分、边界条件的设定以及各种分析步骤设置的原因上。为了达到更好的教学效果，教学方法采用了以下的改进措施。（1）课程的内容重点突出，从简入难。从材料力学中悬臂梁、简支梁等简单模型入手，让学生们熟悉使用Hyperworks对悬臂梁、简支梁模型的分析流程，并利用材料力學公式直接计算出悬臂梁、简支梁的理论解，将软件计算解与理论计算解进行对比，分析误差产生的原因，从中介绍有限单元法计算的原理和软件操作的方法来减少误差，激发学生们的学习热情;再对平板进行分析，最后对三维模型进行分析，循序渐进地加深难度。（2）加强专业名词学习。专升本的学生的英语水平都比较一般，软件中很多地方都涉及到英文的专用名词，在缺乏理论知识的前提下，专用名词会非常难懂，学习难度较大。在使用软件的过程中，学生们经常遇到一些看不懂的专用词汇，就会影响学生们的学习积极性，不知道这一步操作的意义和下一步怎么操作。如何让学生们克服专业词汇看不懂的难题？让每一位学生准备好一个单词本，从最简单的悬臂梁例子开始，遇到不认识的单词的时候，就把它记录到本子上。高频词汇，会在课堂上进行重点讲解;相对频率不高的词汇，引导学生们在课后自己进行翻译，这样可以很好地解决学生们由于语言问题而对该课程的恐惧感。（3）精心挑选与汽车相关的模型进行讲解。学生们在本科学习阶段会多门与汽车相关的课程设计，因此，选择一些与汽车相关的零部件，如发动机的连杆、活塞、曲轴等零部件进行分析，有效地将不同的课程的知识串联起来，提高学生们的综合知识应用能力。（4）录制教学视频，上传网站。“汽车有限元分析”课程32课时，有两个班的同学集中授课，每位学生的基础不一样，有些同学接受知识比较快，而有些同学接受知识比较慢，课堂上的时间有限，如何让所有学生都学会课堂上的讲解的知识呢？现在网络比较发达，课堂主要讲解难点和重点以及软件操作易出错的地方，并将上课的内容，尤其是关于案例的软件操作步骤录成视频，并上传到网站，学生们课后可以随时通过浏览视频进行学习，这样可以有效地帮助课堂上没有掌握讲授知识的学生们。

3.4 建立合理的评价目标

汽车有限元分析这门课程的具有应用性强的特点。课程考核内容的选择力求体现综合性和多样性，主要考查学生灵活运用所学知识，解决问题的能力。若以考试试卷的方式进行考核，只能考查理论知识，这与课程的培养目标不符;若以同一个案例，让所有学生同时进行上机考试，这样只能对学生们的软件操作能力以及具体案例的掌握程度进行考核，不能全面考查学生们利用有限元法解决实际问题的能力。根据培养目标的要求，本课程以利用Hyperworks软件解决具体的案例作为考核的重点，对有限元的基本理论不进行考核。本课程最终以大作业的形式进行考核，大作业的题目由学生们自己拟定，他们通过自己遇到的问题、课程设计、网络资源、图书馆资源自由选择合适的、难度适中的题目，然后利用软件进行分析，要求学生自主完成有限元建模与计算分析，并提交规范格式编写的分析报告。这部分内容侧重对学生独立思考和动手能力的考核，这是单纯依靠卷面难以体现的。最终成绩采取课堂表现、平时作业完成情况以及大作业的完成情况各占一定比例的综合方式来确定。

4 教学改革后的初步成效

对2017级汽车服务工程专业共计118名本科学生进行课程满意度调查，调查结果显示，有105名同学对课程教学的满意度评分在80分以上，学生满意度达到89%。其中有70名学生能够较好地应用“汽车有限元分析”课程中的理论知识，运用HyperWorks软件对汽车零部件进行建模和仿真分析，在大学生创新创业训练项目、大学生方程式赛车等项目，取得良好的成绩;学生们将有限元分析运用到毕业设计中的比例明显提升，其中多名同学毕业设计被评为校级优秀论文。通过对“汽车有限元分析”课程的改革和创新，提高了学生的学习兴趣，提升了学生的创新能力。

5 总结

“汽车有限元分析”是汽车类专业的一门重要专业课程，有限元分析法是解决工程问题的重要工具。通过探索和分析盐城工学院汽车服务工程专业“汽车有限元分析”课程本科教学中存在的问题，从课程的培養目标、教学软件的选择、教学方法的改进、建立合理的评价目标等方面提出改革的思路和措施。实施教学改革后效果显著，学生对课程的满意度达到89%。通过课程教学改革和创新，锻炼和提高了学生借助有限元软件解决具体工程实际问题的能力，同时提升了学生的就业能力，为学生毕业后顺利适应专业技术工作打下良好的基础[5]。这与培养具有创新精神和社会适应能力的高级应用型人才的目标相一致。在后期课程教学中，教学与汽车工程实例相结合，运用企业生产实际中存在的问题为案例，在解决工程实际问题中强化理论知识，培养目标与企业需求一致。

参考文献：

[1]刘燕霞，李美，张少波，李劲松.对《车辆CAE技术》的教学改革与实践[J].海南大学学报自然科学版.2016.34（1）：90-94.

[2]张洪伟，席军，许月梅.基于应用能力培养的本科有限元法课程的教改探讨[J].中国现代教育装备，2016（7）：68-70.

[3]周华祥，陶晶.“机械有限元分析”课程在本科教学中的改革探讨[J].湖北理工学院学报，2020（4）：67-70.

[4]章泳健.面向应用的《有限元分析》课程的导入及教学实践[J].常熟理工学院学报（教育科学），2009（6）：116-118.

[5]程强.卓越机械工程师的有限元分析及应用课程教学改革[J].中国现代教育装备，2015（12）：231.