“疲劳设计与应用”课堂教学改革

谷晓娇，魏永合，贾 磊

（沈阳理工大学，辽宁 沈阳 110159）

“疲劳设计与应用”是机械工程和车辆工程专业研究生的一门专业课程，主要研究各类典型的疲劳破坏形式，产生机理和工程中的设计方法。随着疲劳设计与应用前沿科技的发展，课程内容也在不断更新，相关的理论知识也逐渐增多。目前“疲劳设计与应用”的课程内容尚缺乏与热点学术成果和工程实际的紧密结合，为了更好地培养研究生，对课程进行了基于学术新进展和仿真实验案例的教学改革，根据课程理论知识结合学术新进展进行教学，并设计了仿真实验案例，使学生在学习理论知识的同时建立工程实践意识和学术创新意识。同时，在疲劳设计发展史的教学内容中融入了课程思政元素，使学生在学习专业知识同时建立社会责任感和使命感。

1 “疲劳设计与应用”课程教学现状分析

“疲劳设计与应用”课程的主要内容可以分为4个方面：（1）机械疲劳与可靠性的概念、机械结构疲劳特性和影响因素；（2）材料与零件的疲劳分析方法和设计方法；（3）典型分析方法的基本理论和数据的选取，即与设计理论公式相关的参数选择方法及应用；（4）用几种较为典型的案例对机械零件进行疲劳设计。主要教学任务是使研究生对典型机械结构零件的疲劳寿命具有初步分析和设计的能力，为机械结构疲劳设计与学术研究打下理论基础。

疲劳设计的前沿科技发展较快，这使得“疲劳设计与应用”课程内容也需要不断更新。本课程还具有相关理论知识庞大，需要在一定程度上培养学生的实践能力的特点。受场地、设备、时间等条件的限制，目前能够通过实验进行教学的理论和案例非常有限，大部分理论和案例只能通过播放视频的形式使学生对相关知识的实际应用有一些感性认识。但这种学习形式缺乏对学生的实践训练，很难真正实现对研究生工程应用能力和创新意识的培养[1]。

为进一步提高培养研究生的质量，必须打破传统的教学模式。因此，对“疲劳设计与应用”课程进行基于学术新进展和仿真实验案例的课堂教学改革，将理论教学与实践教学相互融合，从而使研究生通过学习和实践把理论知识应用于工程实际。基于学术新进展的相关研究成果培养学生自主学习的意识和科学的思维方法，进一步地提高学生的创新实践能力[2]。

2 课程内容设计

首先，重新整理“疲劳设计与应用”的课程内容，根据当下的发展需要对基础理论部分进行更新、整合和优化，使授课内容与科技进步的新成果、新理论和新技术相辅相成，尤其对于本课程相关的学术研究前沿性、热点性成果要在课程内容中有所体现。同时，还要注重提炼课程内容中的思政元素，通过专业知识的传授帮助学生树立积极健康的人生观和价值观。

其次，根据课程相关知识点，为仿真实验案例设计做准备。“疲劳设计与应用”既包含理论性较强的知识点，如机械疲劳与可靠性的概念、机械结构疲劳特性和影响因素、材料与零件的疲劳分析方法和设计方法，又包含了与实践紧密联系的相关内容，如典型分析方法的基本理论和数据的选取、机械零件典型案例的疲劳设计。根据各个部分内容的特点，将本门课程的主要内容分为重理论知识点和重实践知识点两部分。

最后，根据重理论知识特点筛选出学术研究前沿成果，根据重实践知识内容特点，设计出合理的仿真实验案例。对于重理论知识中难理解的部分，对应的匹配学术前沿比较有影响力的成果结合教学内容，帮助学生更实际的理解理论知识；对于重实践知识部分，基于Matlab GUI等软件对仿真实验案例进行设计，并让学生举一反三，提出问题，思考并设计[3]。

3 教学案例设计

3.1 学术成果教学案例设计

针对课程理论知识中在不断发展与创新的部分，设计学术成果教学案例。

通过查找总结近几年有影响力的相关学术成果，使学生能够更好地了解本专业课程的应用及趋势，同时加深对重点知识和前沿知识的理解。

（1）查找国内外本课程相关的论文成果，包括但不限于通过SCI，EI，中国知网，获取相关论文。

（2）对论文所属相关章节内容进行分类，基于查找的近年论文成果，对应匹配理论知识。

（3）通过在讲授课程理论知识的课程中和课程后，要求学生对比论文进行学习，并通过小组讨论和总结等方式加深理解。

（4）由学生根据自己感兴趣的一个或几个知识点，查找相关论文成果，并进行总结和分享。

3.2 仿真实验教学案例设计

针对重实践知识点部分，提炼出重点理论知识并根据内容体系设计仿真实验教学案例。通过仿真实验，能够使学生更直接的了解专业知识原理及其应用，从而加深对这部分内容的理解，并通过学习具备一定的工程实践能力[4]。根据理论部分的教学内容制定的仿真实验教学案例设计内容如下：

（1）基于Matlab GUI软件设计机械零件疲劳过程描述的仿真实验教学案例。采用Matlab GUI作为可视化交互式设计的工具，通过静态文本、列表框、滚动条、按钮、按钮组、检查框、弹出式菜单、坐标轴、控件控制以及面板等功能快速生成图形操作界面，且完成回调函数的程序编写操作。将疲劳设计理论中讲授的影响机械零件疲劳强度的多种因素，包括形状因素、尺寸因素、表面状况、平均应力、复合应力、加载频率、应力波形、停歇情况、腐蚀介质和温度变化等以直观的形式呈现给学生，并将Matlab GUI文件编译成可独立执行的exe文件程序，方便学生通过实验系统理解和操作，解决了理论疲劳设计影响因素的工程实践应用难理解、枯燥抽象的问题。

（2）基于Matlab GUI软件设计机械零件疲劳寿命计算的仿真实验教学案例。零件疲劳寿命计算的仿真实验案例系统输入参数分为材料参数、结构参数和工况参数三个部分，方便了研究生在相应的理论知识中查询材料和结构的参数。其中工况参数是关于工作需要的参数，由学生根据实际情况给定，使学生在操作的过程中有自主思考的空间。仿真实验案例软件系统通过计算能够得到目标机械零件的疲劳寿命，计算结果的输出方式分为界面显示、文件和表格3种形式，研究生可以根据需要选择输出形式，输出计算结果文件。零件疲劳寿命计算仿真实验案例系统的显示界面更加直观，输入物理量和输出计算结果均可被显示查找，且结果输出的多种形式可供学生保存并做后续处理。通过仿真实验考虑结构、材料和工况三方面的影响因素，学生能够较为实际地理解疲劳设计的应用特点，直接通过此仿真实验案例系统对疲劳寿命的计算进行实验，有助于学生知识结构的建立，解决了联系实际抽象的问题。

（3）基于Matlab GUI设计机械零件疲劳设计参数选择的仿真实验教学案例。疲劳寿命受许多因素的影响，为了探究某个或某些参数对机械零件疲劳设计的影响，把其中典型的对疲劳寿命影响较大的罗列出来，并制作成参数选择的仿真实验教学案例。例如，滚动轴承的疲劳寿命受很多因素的影响，其中接触特性对疲劳寿命的影响较大，制作通过接触疲劳这一参数反映轴承疲劳寿命的参数选择仿真实验教学案例。即对某型号轴承的接触疲劳寿命进行计算并编程，再将其集成到基于Matlab GUI设计的疲劳设计参数选择仿真实验案例中。通过设计好的系统进行实验，学生基于在工程设计过程中的实际案例使用系统进行计算，再根据计算结果判断是否符合设计精度，是否满足技术要求，使参数变化对疲劳过程的影响一目了然，帮助学生深刻理解设计参数对疲劳过程的影响。

（4）提出实际问题，由学生根据相关的理论及仿真工具自行分析解决。通过多次仿真实验的训练，学生学习了知识，增加了工程实践的意识，但是还缺乏自身的实践过程，因此要求学生打开思维，2～3人为一个小组，分组训练并分析解决工程问题。学生可以通过查找资料独立设置问题。也可以通过课程设置的已有题目练习解决。根据问题目标，查找所学习的理论知识，通过问题分析、确定方法流程、理论计算、编程和计算机计算，得到最终结果。对于某一工程问题，引导学生多方案分析、对比和确定，避免学生在学习理论知识的过程中产生思维定式，解决了疲劳设计理论讲授内容多、实践环节少的问题，为学生参与工程实践打下基础。

以上教学过程的灵活性较强，机械零件疲劳过程描述的仿真实验教学案例、机械零件疲劳寿命计算的仿真实验教学案例和机械零件疲劳设计参数选择的仿真实验教学案例旨在通过已经建立的仿真软件，理解和体验理论知识的实际应用范围及方法，并增加学生对工程实际案例的学习兴趣。要求学生根据相关的理论及仿真工具自行分析解决，旨在基于本门课程并根据研究生所参与的科研课题需要进行自主创新，从而培养学生解决实际问题的能力和科研创新的意识，达到学以致用的学习效果。

4 考核方式改革

在改革教学模式的同时，也必须改革考核体系，需要根据改革后的教学模式制定出与之匹配的考核体系。改变单一的期末考核形式，从多方面增加过程考核，使对学生的考核更全面、充分。除了已经纳入考核范围内的出勤，作业和期末考试成绩三方面评价指标，还需增加学术成果案例和仿真实验案例的学习情况评价指标。

课程考核可被分为过程考核和期末考核两部分，每种评价指标在总评成绩中的比重也应根据新教学模式做出相应的调整。在大方向上，侧重过程考核，弱化期末考核，且把学术成果案例和仿真实验案例的学习情况作为重要的考核指标。具体为：过程考核共占总评成绩的70%，其中，考勤占总评成绩的10%、作业占总评成绩的10%，课堂参与度占总评成绩的10%，学术成果案例学习和自主总结占比20%，仿真实验案例学习和自主设计占比20%；期末考核占总评成绩的30%。

5 改革效果

（1）基于理论知识的重难点内容，设计了疲劳性能试验研究新进展，粗糙度、温度、应力集中等因素对疲劳性能的影响等7个学术成果教学案例，使研究生更好的理解理论知识，提高了研究生的学习热情。

（2）整理了疲劳设计软件制作的指导教程，鼓励研究生自主学习。编写Matlab GUI的基础学习指导及基于Matlab的疲劳特性分析教程，从而解决学生因缺乏理论指导不愿自主学习的问题，同时给学生一些思考的空间，使学生更好的理解理论知识并掌握学习方法，为自主学习打下基础。

（3）设计了学生可以在授课过程中完成的仿真实验项目。基于Matlab GUI开设了机械零件疲劳过程描述、机械零件疲劳寿命计算、机械零件疲劳设计参数选择3个基础实践项目。3个训练完成后，提出问题，要求研究生进一步做自主设计，以完成一个疲劳设计相关的软件系统设计为目标，培养研究生的创新实践能力。

在后续的教学中，应该注重在课程阶段为研究生创造更多实践学习机会，如课程设计训练，培养研究生独立完成综合性更强的疲劳设计，更为深入地加强研究生解决工程实践问题的能力。

6 结语

通过对“疲劳设计与应用”开展基于学术成果和仿真实验教学案例的教学改革，将学术最新成果和基于Matlab GUI的仿真实验教学案例融合到教学过程中，突破了传统理论教学的限制，实现了理论源于实践的学习理念，提高了研究生的学习效果。也在教学过程中，激发了研究生的创新思维，训练了研究生的实践能力，为研究生从事科学研究工作打下了基础。