周华祥，陶 晶

(湖北理工学院 机电工程学院，湖北 黄石 435003)

0 引言

有限元法是解决机械类复杂工程问题的一种数值分析工具，有着复杂而庞大的理论体系[1]。“机械有限元分析”是机械设计制造及其自动化专业学生需要学习和掌握的一门专业课程，涉及弹性力学、材料力学、断裂力学、线性代数、数值分析等多学科的知识。ANSYS有限元分析软件模块众多，每个模块分析的基本步骤差别很大，要求学生学习大量的专业术语和命令，同时具备一定的软件程序编写基础[2]。

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“机械有限元分析”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[3]。因此，在机械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“机械有限元分析”课程教学改革的核心任务。

结合笔者近年来对“机械有限元分析”课程的教学经验，以湖北理工学院机电工程学院2016级机械设计制造及其自动化专业的本科生为研究对象，分析该课程在机械工程专业本科教学中存在的问题，并以培养具有创新精神和社会适应能力的高级应用型人才为目标,探讨该课程在本科教学中的改革思路和措施。

1 “机械有限元分析”课程在本科教学中存在的主要问题

1.1 教学内容专业性过强

传统“机械有限元分析”理论课程教学前期对数学和力学知识要求高，涉及的力学和数学等复杂知识点需要教师花费大量时间向学生讲解，且其教学目标和教学内容更加适合力学或数学专业的学生。因此，对于其他专业大多数的学生来讲，特别是专升本的学生，由于力学基础差、线性代数知识薄弱，学生普遍感到该课程知识枯燥乏味，深奥抽象，难于理解[4]。

1.2 教材针对性不强

能够利用有限元方法定量地分析复杂机械结构的强度、刚度和稳定性，是机械工程专业本科生应该具备的一项非常重要的工程应用技能。然而，目前该课程的相关教材主要分为2种，一种是有限元法的理论知识，一种是有限元软件ANSYS应用的学习手册，缺少专门针对高等院校非力学或数学专业本科生编写的教材[5]。

1.3 理论教学与实践教学脱节

传统课堂教学多采用以教师讲授为主，学生被动接受为辅的教学模式，理论教学与实践教学相分离。这样就造成有限元的理论知识讲授与ANSYS有限元分析软件的应用缺乏有效地渗透和融合。在实践教学中，教师提供的大多是一些相对简单的分析对象，对实际的工程应用案例涉足不多，导致学生掌握的理论知识无法得到应用和延伸；学生在有限元分析过程中对模型材料属性的设置和参数选择不知所措，也不懂得如何利用分析结果进行工程中的辅助设计。这就使得学生无法充分发挥主观能动性去解决有限元应用中遇到的问题，不利于培养和提高学生利用有限元思想独立解决实际工程问题的能力[6]。

1.4 学生相关CAE建模软件基础薄弱

ANSYS软件的建模功能较弱，为了提高建模速度，通常会采用其他三维建模软件(如UG，CATIA，Pro/E及SolidWorks)进行建模，而学生一般采用自学的方式学习三维建模软件，缺乏必要的软件操作技能培训，导致学生建模软件基础薄弱、操作水平参差不齐，影响ANSYS软件操作的连续性。

1.5 考核方式单一

仅以期末考试这样单一的途径评价学生对课程的掌握程度存在许多弊端。千篇一律的考核方式难以客观、全面地评价学生的实际水平，不利于学生个性和创新能力的培养，导致学生缺乏发展性思维和灵活性；不利于培养学生解决实际问题的能力，导致学生对所学知识不能学以致用。

2 “机械有限元分析”课程改革的具体措施

2.1 优化教学内容

在规定的学时内，针对机械类本科阶段大多数学生存在相关理论基础知识薄弱的问题，提出在理论讲授时摒弃繁琐的公式推导过程，主要介绍公式的物理意义，从学科的专业性出发，选择合适的讲授内容。以专业领域中的工程结构对象为基础来讲解有限元法理论知识可以达到事半功倍的效果。

2.2 选择合适的教材

由于没有专门针对机械工程专业学生的“机械有限元分析”教材，目前该课程优先选择由西北工业大学出版社出版，赵汝嘉、曹岩主编的《机械结构有限元分析及应用软件》。该教材前面部分介绍有限元法的基本理论与方法；后面部分介绍ANSYS软件的操作及工程应用，较适合机械工程专业本科生的学习特点。教师授课过程中，以机械部件为例进行理论讲解和实例分析效果较好[7]。

2.3 注重理论与实践相结合，促进产学研一体化建设

在ANSYS有限元软件应用教学中穿插讲授相应的理论知识，例如在ANSYS单元材料的选择中，同时巩固与单元相关的知识节点、自由度的概念、材料特性等理论知识[8]。在学习施加约束和载荷知识点时，复习单元位移、刚度矩阵的推导过程，使学生充分理解有限元理论和软件应用的相互关联[9]，有利于学生在理论学习中了解实践，在实践过程中巩固理论知识。

实现产学研一体化，带领学生参与到教师的课题研究中，如让学生参与教师与企业开展的动车冷却系统失效分析项目，辅助教师进行机械部件的仿真分析和优化设计，以生产实际问题为导向，将理论知识与实践密切结合起来，培养学生的实践能力；鼓励学生申报与有限元分析相关的毕业设计，如让学生开展以“装载机驱动桥优化”为题的毕业设计，来提高学生独立分析问题和解决问题的能力；同时指导学生参加各类大学生创新创业实践活动，利用有限元分析进行产品设计和应用仿真，在比赛中锻炼和提升学生的创新能力。

2.4 开展相关三维建模软件技能培训

ANSYS软件建模功能较弱，通常要与其他三维建模软件联合使用，因此在高校开展相关软件(如UG，CATIA，Pro/E及SolidWorks)的操作技能培训有一定的现实意义[10]。湖北理工学院机电工程学院多年来积极开展三维建模软件操作技能培训，不仅有助于提高学生三维建模软件的操作技能，还能加深学生对相关理论知识的理解，为学生后期采用ANSYS有限元软件进行仿真分析打下良好的基础[11]。

2.5 实行多元化的考核方式

建立多元化的考核方式。目前“机械有限元分析”课程大多采用的是“平时+实验+闭卷/开卷”的考核方式，为了体现课程考核内容的多样性、专业性和综合性，将传统的以期末考试为核心的考核方式转变为“平时+实验+闭卷/开卷+课程设计”的考核方式。其中课程设计是考查学生对各软件模块掌握的熟练程度[12-13]，与教学目标相匹配，考察学生在面对问题时，如何进行简化问题、设置参数、施加载荷求解和后处理分析，最终完成有限元分析报告[14-15]。通过评估各小组完成的有限元分析报告质量和小组各成员的答辩情况，真实详细地反映每个学生对知识的掌握程度。新考核方式的具体成绩分配为平时考勤、作业及课堂表现占20%，上机实验占20%，期末考试卷面成绩占40%，课程设计占20%。2016级机械设计制造及其自动化专业学生成绩考核表见表1。

表1 2016级机械设计制造及其自动化专业学生成绩考核表

3 教学改革后的初步成效

对2016级机械设计制造及其自动化专业共计127名本科学生进行课程满意度调查，调查结果显示，有108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85%。其中有60名学生能够较好地应用“机械有限元分析”课程中的理论知识，运用ANSYS有限元分析软件对机械部件进行建模和仿真分析，在大学生机械设计创新大赛、大学生创新创业训练项目、飞思卡尔智能汽车大赛和机械成图比赛中获奖，取得良好的成绩，其中多名同学毕业设计或论文被评为校级优秀论文。通过对“机械有限元分析”课程的改革和创新，改变了学生的学习态度，提高了学生的学习兴趣，提升了学生的创新能力。

4 结束语

“机械有限元分析”是机械设计制造及其自动化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。通过探索和分析湖北理工学院机械设计制造及其自动化专业“机械有限元分析”课程本科教学中存在的问题，从教学内容、教材、理论与实践、软件操作技能培训、考核方式等方面提出改革的思路和措施。实施教学改革后成效显著，学生对课程的满意度达到85%。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[15]。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，应加大与企业生产实际相结合的力度，在工程实际应用中强化理论知识，鼓励学生积极参加各类大学生科技竞赛，以比赛促教学，以证书促就业，全方位推进毕业设计的质量，提高毕业生的就业率。