高职院校开展有限元仿真分析课程的必要性研究*

杨阳 魏晨 李欣

摘  要  随着经济的不断发展，社会对人才的要求也愈发严格。为适应社会发展对人才的新要求，提升学生在就业过程中的竞争力，高职院校在教学内容及教学方式上必须紧跟形势作出调整。有限元仿真是工科学生所必备的一项技能，在高职院校中开展有限元仿真分析课程是十分必要的。基于课程特点、课程可行性、教学改革等方面，探讨高职院校开展相关教学内容的必要性。

关键词  高职院校；有限元仿真分析；实验实训设备；教学改革

中图分类号：G712    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）24-0070-03

0  引言

当今社会的发展速度远超预期，飞速发展的社会科技、经济对作为未来社会参与主体的高校学生提出更高的要求。作为高素质技能工人主要来源渠道的广大高职院校，教学往往偏重传统的基本理论与实操技能。随着社会发展趋势的不断变化，越来越卷的就业形势迫使高职学生为在将来的就业市场取得就业机会而不断地培养才干。广大高职学生除了具备扎实的实操技能外，若还具备一定的分析解决问题能力，相比本科层次学生无疑将具备差异化的竞争能力。未来的就业市场中，高职层次学生除了可以应聘传统的一线操作岗位外，还可以应聘研发等岗位[1]。对于具备分析解决问题能力的高职层次学生，若继续从事一线操作岗位工作，未来的职业发展也必将会更顺利。

四川建筑职业技术学院是中西部建筑类头部高等职业院校，近年来随着社会大环境的发展，学生在就业时也遇到诸多问题。面对现实问题，更要本着为学生负责的态度使其在未来的就业市场具备足够的竞争力，优化教学内容、调整培养目标，成为高职院校必须采取的有效措施。有限元仿真分析作为大多数工科学生解决问题所必备的技能，在机械工程、电气工程领域分析问题过程中都有广泛应用，掌握有限元仿真技术，能够切实夯实新形势下高职学生的就业竞争力[2]。因此，在高职层次院校中开展有限元分析的相关课程十分必要。

1  有限元仿真分析技术

1.1  有限元仿真分析技术简介

计算机技术和数值方法的迅速发展，为有限元技术的推广及应用提供了极为便利的条件。有限元分析技术已成为工业界解决机械结构、电磁场仿真计算等问题的必备方法和手段。法国达索公司推出的Abaqus是典型的商用有限元分析软件，具备强大的求解线性及非线性问题的能力。针对结构、电磁、热、多物理场耦合等问题，借助有限元分析软件得到的求解结果往往是精确和可靠的。

1.2  有限元仿真分析课程特点

1.2.1  学生参与性强

高等教育的大众化导致学生质量下降，学生缺乏足够的自我约束能力及自我学习能力，这两种能力的缺失对教学效果会产生直接的影响。有限元仿真是把实际问题抽象为计算机能够分析处理的熟悉模型，建模过程中学生的学习兴趣能够最大限度地得到调动。与传统教学内容相比，将有限元仿真分析技术加入高职类院校的教学内容就显得十分必要。

1.2.2  建设费用低

技能类课程的教学一般均需借助相应的实验实训配套设备。虽然近年来国家对教育的经费支持力度逐年攀升，但是高校用于设备采购及维保的经费仍旧有限，想要开展顺应行业最新发展要求的技能类课程仍然存在很多困难。有限元仿真能够根据当前行业最新发展方向开展与时俱进的教学，相关课程的建设费用低且设备维护压力不大[3]。

1.2.3  教学效果好

传统技能类课程往往只能在课堂开展相关教学内容，教师受制于有限的课时也仅能进行基本的内容指导。有限元仿真分析课程则不存在上述问题，课程的开展不受时间及空间影响，课后学生在寝室也可以自主学习，有利于学生动手能力及创新能力的培养，课程教学效果得到显著增强。

2  有限元仿真分析课程开设的可行性

有限元仿真分析课程要求学生具备一定的专业基础知识，比如进行结构分析就需要有一定的材料力学、弹性力学基础，进行电学、电磁学分析就需要有一定的电路知识、电磁学知识作为依托。高职院校除培养学生的实践技能外，往往还开设大量的基础理论课。因此，学生应具备开展有限元分析课程所要求的理论基础。此外，有限元仿真分析课程相比传统教学课程，在开放性、参与性、教学广泛性等方面都具有无可比拟的优势。有限元仿真分析课程建设也符合国家对高职教育的规划[4]。

教师对所授课程的合理性及必要性是最有发言权的。相关调查表明，将近90%的教师认为现存多数实验实训内容过于单一且陈旧，无法结合行业最新特点有针对性地对学生开展教学[5]；接近80%的教师认为，有限元仿真分析技术能够有效增强课堂教学效果 [5]；50%左右的教师认为在高等教育阶段特别是高职教育阶段，毕业设计是否包含CAE（Computer Aided Engineering，计算机辅助工程）的相关内容应作为学生毕业设计的相关考核标准[5]。有限元仿真技术应用领域广泛并可关联行业动态对最新问题进行建模分析，把有限元仿真分析作为高职院校的课程开展是有必要的。

2.1  教学安全绿色

高校尤其是高职院校中传统技能类课程的讲授多基于大型的实验实训设备，教学过程中学生往往要独立操作这些大型设备。以铁道供电专业的学生为例，实训课程往往涉及一些高压设备的操作，稍有不当就可能发生安全事故，教学过程中存在安全风险。随着社会的发展进步，各行各业的新方法新技术都在随时出现，为培养能够紧跟行业发展趋势的技术人员，实验实训设备就要及时升级，这使本就紧张的经费更加捉襟见肘。有限元仿真分析是建立在计算机虚拟环境之上的，可根据需要变换不同的工况条件或工作场景开展相关的教学内容。虚拟仿真教学能够省去设备升级更换的费用，又可紧跟行业发展对教学内容适时作出调整，满足人才培养的要求[6]。此外，部分专业教学涉及的实验实训设备能耗较大，若使用有限元仿真分析代替相关实验实训环节，则可节省可观的能源消耗并实现绿色教学的目标。

2.2  因材施教

近年来，国家进一步明确了高校包括高职院校的教学培养目标。高校特别是高职院校学生来源复杂，高考、单招、“3+2”等渠道的学生分布在同一个学院同一个专业中，学生的个人素质参差不齐，教学过程中如何把握教学目标变得复杂起来[7]。如何更好地因材施教，使不同层次的学生都能够学有所得，是所有高校都不得不面对的问题。有限元仿真分析技术的本质是基于计算机强大的计算处理能力综合考虑分析对象的结构尺寸、材料特点、工作环境、所受荷载等因素，把一个实际问题转化为计算机能够处理的数字模型。在数字建模这一过程中，模型的复杂程度完全取决于建模的学生。不管是复杂问题还是简单问题，有限元仿真分析的流程都是一致的，都由具体学生来决定。学生能力强，引导学生分析解决复杂的问题；学生基础薄弱，引导学生对基本问题开展分析。总之，有限元仿真分析技术能够做到因材施教、因人而异，不同层次的学生在学习过程中都能够有的放矢、有所收获。

2.3  教学主动性强

随着国家高等教育政策的调整，高等教育越来越大众化，学生的数量虽有所增长，但质量有所下降却是不争的事实。针对这一情况，如何及时恰当地调整教学内容、教学方法以保障教学效果，是所有高校特别是高职类院校应当充分考虑的问题。高职类学生在学习兴趣及学习主动性方面不如其他层次学生，积极调动学生兴趣，发挥学习主观能动性，就成为保障教学效果的一个有效措施。当代大学生对互联网及计算机有与生俱来的亲切感，若一门课程与计算机密切相关，那么学生对这门课程的兴趣就会更浓厚；若把学习的过程变为游戏中的搭建“基地”及布置“阵型”，那么学生的主动性及学习兴趣将会到达峰值，相应的，完成既定学习目标就不再困难。

有限元仿真分析课程满足上述所有特点，有传统实操课程不具备的优势。学生可以在学习过程中天马行空地探究感兴趣的领域，把现有实验实训设备无法处理的工况或极端条件下的问题通过数字化建模交给计算机分析处理。学生在教学过程中不再是简单被动地接收知识，主观能动性得到积极调动，学习的好奇心最大限度地得到满足，高校学生特别是高职院校学生学习主动性不强、学习效果差的问题可从根本上得以解决。

2.4  教学不受时间、空间制约

传统的素质技能类课程往往要依靠实验实训设备才能开展，教学活动必须在相应的实训教室进行。每学期技能类课程的学时数编排受教学设备及实训场地数量制约，强调动手实操的课程往往并不能保证每个学生都充分得到实践操作的机会，教学过程往往流于形式，教学效果不尽如人意[8]。

有限元仿真分析这门课程就不存在上述问题，学生使用一台具备基本算力的计算机就能跟随教师进行有限元技术的学习。得益于计算机制造技术的飞速发展及配套元器件成本的下降，计算机已成为大多数学生学习的基本工具，各高校也配置了一定数量的公共计算机供学生日常学习使用。随着学生学习积极性及学习兴趣的提升，学时外的时间学生也能独自开展学习行为。宿舍、图书馆、自习室都可以成为学生继续探索有限元仿真分析技术的场地，学习不再受场地及设备要求的限制。

3  教学改革思考

高校特别是高职院校的主要目标，就是要培养动手能力突出且服务生产一线的技术人才。高校技能类课程及实训环节设置的初衷就是为了实现这一目标。如何能够让学生学好课程、学以致用是广大高职类院校教育工作者应当思考的问题。虽然实践实训环节在各高职院校中都得到重视，但仍旧存在本文中所阐述的问题，导致教学效果难以达到预期。如何针对问题作出有效变革，较好地落实既定政策计划，圆满达成教学目标，是当代高等教育工作者必须解决的问题。引入新的教学内容并大胆尝试新的教学方法，将有限元仿真分析课程引入高职院校的教学中，就是解决问题的一种改革思路[9]。

4  结论

有限元仿真分析课程引入高职院校教学中，是增强教学效果、适应行业发展的重要教学方式。通过开展有限元仿真分析课程，学生能够提高学习兴趣并提升个人就业竞争力，缩短学校所学与企业所需之间的距离，使今后的职业发展更顺利。教学实践表明，在高职院校推广有限元仿真分析课程教学，可以使院校、学生、企业多方受益，院校的教学效果得到增强，学生的学习兴趣得以激发，企业用人需求得以满足，因此，在高校特别是高职院校开展有限元仿真分析课程是十分必要的。

参考文献

[1] 王友，张海波，陈雷，等.基于OBE理念的“有限元分析”课程教学改革探索[J].南方农机，2022，53（12）：156-159.

[2] 屠毅，王良，刘奇元.新工科背景下电工电子技术理论与实践深度融合教学探讨[J].教育现代化，2020，7（32）：177-180.

[3] 周鹏，潘燕.虚拟仿真技术在高职教学中的应用[J].安徽电子信息职业技术学院学报，2015，14（5）：43-45.

[4] 苏欣.高职院校虚拟仿真教学应用初探[J].工业和信息化教育，2015（2）：56-58.

[5] 施蕙.高职高专计算机专业课程教学改革思路与方法初探[J].江苏技术师范学院学报，2003（3）：62-65.

[6] 杨洋，朱彩莲.虚拟仿真技术在高职学院教学中的应用[J].中国现代教育装备，2007（7）：36-37.

[7] 施祝斌.虚拟仿真技术在高职教学中的应用[J].中国职业技术教育，2013（20）：78-80.

[8] 张明，李良荣.计算机仿真技术在实验教学中的应用[J].长春师范大学学报，2010，29（12）：117-119.

[9] 黄元亮.仿真技术在高等教育中的应用[J].计算机仿真，2007（12）：291-294，299.

*项目来源：四川建筑职业技术学院课题“新媒体背景下‘三大构成教学模式研究”（课题编号：2017RW07）。

作者：杨阳，四川建筑职业技术学院铁道工程系，讲师，博士在读，研究方向为电磁干扰分析及仿真；魏晨，四川建筑职业技术学院土木工程系，讲师，博士在读，研究方向为结构物设计及安全评估；李欣，四川建筑职业技术学院建筑艺术系，副教授，研究方向为新媒体教学与应用（618000）。