劉文蓮 桑運(yùn)春

[摘 要] 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)選修課——現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法課程存在“重理論、輕實(shí)踐”的問(wèn)題，根據(jù)應(yīng)用型本科教學(xué)目標(biāo)和社會(huì)對(duì)有限元的人才的需求，對(duì)該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式進(jìn)行改革。實(shí)踐證明，案例式的教學(xué)不僅使課程與實(shí)際工程緊密結(jié)合，增強(qiáng)了課程的實(shí)踐性，還大大提高了學(xué)習(xí)興趣，拓展了學(xué)生思維，為培養(yǎng)綜合性人才打下基礎(chǔ)。

[關(guān) 鍵 詞] 有限元法；現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法；教學(xué)改革

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2018）31-0138-01

現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法課程是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化本科專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)選修課，是隨著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展而在設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的一門(mén)多元交叉學(xué)科，是在設(shè)計(jì)產(chǎn)品為對(duì)象時(shí)，采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，運(yùn)用工程設(shè)計(jì)的新理論和新方法，不斷提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和縮短設(shè)計(jì)周期的一門(mén)集成的新興學(xué)科?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法可能的教學(xué)內(nèi)容一般包括設(shè)計(jì)方法學(xué)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、有限元法、機(jī)械動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)等多種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。

一、現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法教學(xué)現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題

目前高等學(xué)校開(kāi)展的現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法課程大多存在如下問(wèn)題：

（一）課程理論性強(qiáng)，缺乏實(shí)踐性，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高

課程內(nèi)容涉及數(shù)學(xué)、力學(xué)和計(jì)算機(jī)多個(gè)方面，教學(xué)內(nèi)容復(fù)雜抽象，在有限的課時(shí)內(nèi)很難進(jìn)行系統(tǒng)講授，同時(shí)對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)、力學(xué)和計(jì)算機(jī)都有很高的要求。從以往的教學(xué)來(lái)看，學(xué)生普遍感覺(jué)教學(xué)內(nèi)容理論性太強(qiáng)，缺乏學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果大打折扣。因而課程的實(shí)用性不強(qiáng)，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，課程沒(méi)有達(dá)到應(yīng)有的教學(xué)效果。

（二）課程教學(xué)內(nèi)容與不能適應(yīng)社會(huì)對(duì)應(yīng)用型人才的需求

隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)與工程實(shí)踐相結(jié)合不斷形成新興的交叉學(xué)科，是近年來(lái)工程發(fā)展的一個(gè)先進(jìn)方向。在現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造中，用有限元法對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行全面分析和仿真，可以在產(chǎn)品樣機(jī)實(shí)現(xiàn)以前對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行全面預(yù)測(cè)和優(yōu)化，因而在機(jī)械產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。目前，我國(guó)高校及職業(yè)院校的有限元課程處在起步階段，培養(yǎng)的具備有限元工程分析能力的技術(shù)人才還相對(duì)匱乏，因而要將有限元法作為本課程的主要方法，教學(xué)內(nèi)容更加符合當(dāng)今快速發(fā)展的社會(huì)需求。

二、課程教學(xué)改革措施與實(shí)踐

根據(jù)目前本課程普遍存在的教學(xué)問(wèn)題，結(jié)合本校多年的教學(xué)實(shí)際，對(duì)該課程進(jìn)行如下幾個(gè)方面的教學(xué)改革：

（一）教學(xué)內(nèi)容改革

為了適應(yīng)學(xué)科的發(fā)展和社會(huì)對(duì)應(yīng)用型人才的需求，本課程將基于A(yíng)NSYS軟件有限元法的內(nèi)容作為課程的主要授課內(nèi)容。

有限元法是以離散為中心的高效數(shù)值技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，有限元法在工程分析領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。ANSYS軟件是一種大型通用有限元分析軟件，具有結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)等多個(gè)分析模塊，并具有強(qiáng)大的接口程序，能與多數(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的共享和交換。因而在機(jī)械制造、航空航天、汽車(chē)交通、國(guó)防軍工、電子、土木工程多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)有100多所理工院校采用ANSYS作為有限元分析或標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)軟件。本課程內(nèi)容結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)，以有限元的結(jié)構(gòu)分析為主，包括靜力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、譜分析、諧響應(yīng)分析等，還涉及熱分析和熱電分析等耦合分析。

（二）采用案例法教學(xué)，與工程實(shí)例相結(jié)合

有限元的內(nèi)容晦澀難懂，采用案例法教學(xué)可以將抽象的有限元知識(shí)以實(shí)例、圖表、圖形等方式直觀(guān)表達(dá)出來(lái)。學(xué)生更容易接受。比如，為了區(qū)分線(xiàn)性靜力分析的平面應(yīng)力、平面應(yīng)變問(wèn)題，分別用帶圓孔的薄板問(wèn)題和天然氣管道的實(shí)例進(jìn)行對(duì)比講解，分別進(jìn)行建模求解，用圖片、圖表、動(dòng)畫(huà)等形式進(jìn)行結(jié)果對(duì)比，增加學(xué)生的直觀(guān)印象，促進(jìn)學(xué)生對(duì)工程概念的理解。

另外，課堂上課時(shí)還結(jié)合一些工程案例，如動(dòng)車(chē)的車(chē)鉤的靜力學(xué)分析和接觸分析、軸承的疲勞分析等，課程與工程實(shí)例相結(jié)合，大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，拓展了學(xué)生的思維。

（三）考核方式采用大作業(yè)，每人一題

課程總評(píng)成績(jī)由出勤20%、平時(shí)作業(yè)20%和大作業(yè)60%組成。大作業(yè)為每人一題，學(xué)生根據(jù)課堂上學(xué)習(xí)的知識(shí)，結(jié)合科研課題、平時(shí)的大賽訓(xùn)練和網(wǎng)上查閱相關(guān)資料確定自己的課題，在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行材料確定、工況分析、模型建立、網(wǎng)格劃分、施加載荷和結(jié)果評(píng)價(jià)等一系列過(guò)程。教師采用課堂答辯的形式，對(duì)學(xué)生的作業(yè)進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)踐證明，大多數(shù)學(xué)生對(duì)這種方式容易接受，作業(yè)比較認(rèn)真，涌現(xiàn)出一些比較經(jīng)典的案例，如凸輪的運(yùn)動(dòng)分析、殼單元的疲勞壽命分析等，增強(qiáng)了學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

三、小結(jié)

本文通過(guò)闡述現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法課程教學(xué)現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，結(jié)合本校多年的教學(xué)實(shí)際，對(duì)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式提出改革方案并進(jìn)行不斷實(shí)踐，使課程與時(shí)俱進(jìn)，更符合培養(yǎng)應(yīng)用型人才的教學(xué)目標(biāo)。

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◎編輯 武慧慧