陳　玲　徐進(jìn)友　牛興華

（1.天津市先進(jìn)機(jī)電單位設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384；2.天津理工大學(xué)，天津300384）

基于計(jì)算機(jī)輔助工程分析課程的大學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)探析

陳玲1，2徐進(jìn)友1，2牛興華1，2

（1.天津市先進(jìn)機(jī)電單位設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384；2.天津理工大學(xué)，天津300384）

本文從工程認(rèn)證要求出發(fā)，通過(guò)講授計(jì)算機(jī)輔助工程分析課程，結(jié)合指導(dǎo)全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目、學(xué)生課外科技活動(dòng)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等取得的成果和經(jīng)驗(yàn)，闡述了改進(jìn)教學(xué)方法、制定可行教材的重要性；探索出了將課堂理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)和課外科技活動(dòng)有機(jī)結(jié)合后使學(xué)生快速掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法并付諸應(yīng)用的有效途徑。

計(jì)算機(jī)輔助工程分析；創(chuàng)新意識(shí)；實(shí)踐能力

一、前言

機(jī)械工程專業(yè)是我校建校伊始就創(chuàng)建的理工類專業(yè)之一，并且是全校重點(diǎn)專業(yè)。為適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)和社會(huì)快速發(fā)展的需要，根據(jù)當(dāng)前的工科專業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，學(xué)校積極準(zhǔn)備申請(qǐng)國(guó)際工程聯(lián)盟認(rèn)證。國(guó)際工程聯(lián)盟（IEA）中的華盛頓協(xié)議是一個(gè)工程教育本科學(xué)歷的國(guó)際互認(rèn)的協(xié)議，我國(guó)教育部計(jì)劃推動(dòng)工程專業(yè)總數(shù)的25%-30%完成工程教育專業(yè)認(rèn)證。工程認(rèn)證要求之一就是：大學(xué)生畢業(yè)后應(yīng)具有社會(huì)適應(yīng)能力與就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。根據(jù)該要求，我校將機(jī)械工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)定位在面向京津冀和周邊地區(qū)的制造業(yè)，培養(yǎng)學(xué)生具有工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，使他們具備解決復(fù)雜工程問(wèn)題的基本素質(zhì)。其中，認(rèn)證的目標(biāo)和達(dá)成度又要求學(xué)生能夠?qū)?fù)雜機(jī)械工程問(wèn)題進(jìn)行分析和提煉，通過(guò)對(duì)課程的學(xué)習(xí)能對(duì)一些機(jī)械系統(tǒng)提出設(shè)計(jì)解決方案，經(jīng)過(guò)對(duì)解決方案的可行性進(jìn)行初步分析與論證來(lái)體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)。我校開(kāi)設(shè)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法之一的計(jì)算機(jī)輔助工程分析課程是符合工程認(rèn)證指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的。

該課程理論性較強(qiáng)，雖然能滿足以上認(rèn)證要求和工作需求，但學(xué)生學(xué)起來(lái)較生澀。本文從理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、教材編寫(xiě)、專業(yè)設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)到加強(qiáng)學(xué)生課外科技活動(dòng)等多個(gè)環(huán)節(jié)，探討出計(jì)算機(jī)輔助工程分析課程的教學(xué)、實(shí)踐和應(yīng)用的方法，這有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，為教學(xué)改革提供思路和方法。

二、學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)輔助工程分析的必要性

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法包括CAE、CAD、模塊設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)等，相對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法而言有了質(zhì)的飛躍。其中的CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程分析）是以有限元法為代表的工程中的數(shù)值方法，是在工程中復(fù)雜條件下求解各種數(shù)學(xué)問(wèn)題的普遍方法。對(duì)于復(fù)雜的非線性問(wèn)題、瞬態(tài)問(wèn)題、多學(xué)科交叉問(wèn)題等，需要對(duì)若干物理量或參數(shù)進(jìn)行定量的分析，這使得傳統(tǒng)設(shè)計(jì)及方法顯得有些不能勝任。因此，如果學(xué)生在有限的在校學(xué)習(xí)期間，仍采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法完成專業(yè)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，勢(shì)必導(dǎo)致他們沒(méi)有成就感，制約了學(xué)生創(chuàng)造性思維的建立，也不利于激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力。機(jī)械類的本科生通過(guò)該課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練后，可以使用它解決工程問(wèn)題，對(duì)于提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神具有重要意義。

三、教學(xué)上采取的措施

計(jì)算機(jī)輔助工程分析課程共計(jì)48學(xué)時(shí)，其中32學(xué)時(shí)理論課，上機(jī)實(shí)踐16學(xué)時(shí)。該課程的開(kāi)設(shè)經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐和畢業(yè)生的反饋，滿足工程認(rèn)證的第三條指標(biāo)，也滿足了學(xué)生畢業(yè)后工作的需要。然而，這門課理論性很強(qiáng)，對(duì)于現(xiàn)有知識(shí)水平的本科生而言學(xué)習(xí)起來(lái)具有一定的難度；對(duì)于任課教師來(lái)講，在有限的時(shí)間內(nèi)使學(xué)生能夠盡快地掌握各知識(shí)點(diǎn)并能達(dá)到靈活應(yīng)用就要采用適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法。根據(jù)筆者幾十年的教學(xué)工作經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為：首先要有好的適應(yīng)本科學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的教材；其次要改進(jìn)教學(xué)方法，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；第三，充分利用有限的實(shí)踐教學(xué)學(xué)時(shí)，激發(fā)他們的創(chuàng)新意識(shí)；第四，要加強(qiáng)大學(xué)生課外科技活動(dòng)和畢設(shè)環(huán)節(jié)，為走向社會(huì)奠定一定的現(xiàn)代設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

1.選擇適合的計(jì)算機(jī)輔助工程分析教材

目前，我機(jī)械學(xué)院現(xiàn)有ANSYS、NASTRAN、ABAQUS等正版軟件多達(dá)十幾種，這些軟件功能強(qiáng)大，涉及的知識(shí)面廣，市場(chǎng)上與之有關(guān)的教材和說(shuō)明書(shū)眾多。然而符合本科生知識(shí)背景的，與工程實(shí)際結(jié)合，又能提高學(xué)生興趣的卻很少甚至沒(méi)有。要想讓學(xué)生在有限的學(xué)時(shí)里基本理解它，并會(huì)初步應(yīng)用，一本好的教材是必不可少的。編寫(xiě)好教材需要編者有好的力學(xué)、數(shù)值方法、計(jì)算機(jī)知識(shí)基礎(chǔ)，需要消化有關(guān)軟件的6000多頁(yè)的原文說(shuō)明書(shū)中的主要部分。筆者所在的科研團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期工作在教學(xué)第一線，深知學(xué)生的需求，為彌補(bǔ)上述缺憾，編寫(xiě)了適合工科學(xué)生教學(xué)使用的教材。在廣泛調(diào)研和多年教學(xué)工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了教材框架，精選了講授內(nèi)容，在內(nèi)容組織、知識(shí)講解和問(wèn)題表述上，努力貼近本科知識(shí)背景，然后結(jié)合教材內(nèi)容與工程實(shí)際，精選教學(xué)中使用的典型工程實(shí)例，結(jié)合機(jī)械類專業(yè)特點(diǎn)，在解決上述問(wèn)題上下功夫，建設(shè)理論課程和實(shí)踐環(huán)節(jié)教材的同時(shí)，整合已有課程的學(xué)時(shí)安排，使本課程在專業(yè)知識(shí)更新中真正起到應(yīng)有的作用。

為了上好這門課，課題組分工合作編寫(xiě)了兩卷教材。其卷Ⅰ是《計(jì)算機(jī)輔助工程分析之有限元法概論》，內(nèi)容有彈性力學(xué)基本方程，彈性力學(xué)平面問(wèn)題有限元法，彈性力學(xué)空間問(wèn)題的有限元法及矩陣代數(shù)。卷Ⅱ?yàn)椤队?jì)算機(jī)輔助工程分析之工程應(yīng)用》，目的是讓學(xué)生上機(jī)實(shí)踐，初步學(xué)會(huì)使用軟件解決實(shí)際問(wèn)題。這兩卷已經(jīng)印刷成書(shū)為教學(xué)所用。

2.深入淺出地講好計(jì)算機(jī)輔助工程分析的理論部分

雖然經(jīng)過(guò)多年的努力，我們編寫(xiě)出來(lái)了表達(dá)清楚，層次分明，易懂易學(xué)，并有適當(dāng)例題可以模仿的教材，但對(duì)于我校機(jī)械專業(yè)本科生的知識(shí)基礎(chǔ)，要掌握和理解還有一定的難度，這將在一定程度上消減學(xué)生們學(xué)習(xí)的興趣并增加學(xué)習(xí)的難度。教育心理學(xué)指出在信息傳播過(guò)程中，教師與學(xué)生向?qū)Ψ桨l(fā)出的信息具有融合性的特點(diǎn)。課堂教學(xué)的效果與其說(shuō)是教師傳授了多少知識(shí)，不如說(shuō)學(xué)生獲得了多少知識(shí)。從這個(gè)意義上說(shuō)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性是組織好教學(xué)、提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。

怎樣調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性呢？一方面借助多媒體課件可以大大活躍課堂氣氛，起到了寓教于樂(lè)的效果；另一方面，在課堂教學(xué)時(shí)結(jié)合筆者多年的科研成果和各種企業(yè)實(shí)例，圖文并茂使學(xué)生充分了解先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和技術(shù)并產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣。以計(jì)算機(jī)輔助工程分析課程中的有限元法為例：該方法不僅能用于工程中復(fù)雜的非線性問(wèn)題、非穩(wěn)態(tài)問(wèn)題的求解，還可用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動(dòng)力分析。學(xué)生了解了有限元基本原理，掌握了有限元結(jié)構(gòu)分析過(guò)程，然后熟悉有限元軟件的使用方法，結(jié)合學(xué)生已經(jīng)做過(guò)的設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算和后處理結(jié)果，使以前看不到摸不著的應(yīng)力應(yīng)變等數(shù)字曲線以彩色圖像展現(xiàn)在眼前，使學(xué)生具有了成就感。因此，要掌握基本原理、設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)步驟及上機(jī)操作要領(lǐng)這些關(guān)鍵問(wèn)題必須以課堂教學(xué)為依托。

3.有效利用實(shí)驗(yàn)課培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)

對(duì)學(xué)生進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的創(chuàng)新培養(yǎng)，就要將計(jì)算機(jī)輔助工程分析的方法和技術(shù)引入教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)：如課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、綜合設(shè)計(jì)作業(yè)、專業(yè)設(shè)計(jì)、教學(xué)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合等，多年來(lái)我們致力于在理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，不斷加大實(shí)踐教學(xué)，努力培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用、開(kāi)發(fā)現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法和技術(shù)的興趣及能力。在講解計(jì)算機(jī)輔助工程分析中的有限元等相關(guān)理論后，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中以有限元分析軟件對(duì)機(jī)械零件分析為主線，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行工程設(shè)計(jì)分析的實(shí)踐操作能力、創(chuàng)造性思維及創(chuàng)新能力。比如，為更好地理解機(jī)械動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)法，在實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)學(xué)生建立飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)模型，從選擇要定義的單元類型、輸入材料屬性、劃分網(wǎng)格把幾何模型變成有限元模型、確定分析的邊界條件、直至求解完成進(jìn)入后處理。通過(guò)以上模態(tài)分析仿真分析過(guò)程，學(xué)生可看到機(jī)翼結(jié)構(gòu)振動(dòng)的頻率和振型，從感性層面上認(rèn)識(shí)到何謂動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法，這會(huì)比單純的理論教學(xué)起到更好的作用，也進(jìn)一步鞏固并延展了力學(xué)和材料學(xué)等方面的專業(yè)知識(shí)，為工科本科畢業(yè)生打下更好的專業(yè)基礎(chǔ)。

4.通過(guò)大學(xué)生課外科技活動(dòng)和畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維

為補(bǔ)充學(xué)生課堂知識(shí)和實(shí)驗(yàn)課的學(xué)時(shí)不足，在大二、大三學(xué)生中大力開(kāi)展大學(xué)生課外科技實(shí)踐活動(dòng)，鼓勵(lì)并組織學(xué)生申報(bào)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目以及學(xué)校組織的各類科技活動(dòng)。這些活動(dòng)既培養(yǎng)了大學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)輔助工程分析的進(jìn)一步應(yīng)用，又提高了學(xué)生的開(kāi)發(fā)能力和科研綜合素質(zhì)能力，還能夠讓學(xué)生盡早了解企業(yè)需求，提高他們畢業(yè)后適應(yīng)工作的能力。另外，教師在指導(dǎo)學(xué)生時(shí)，要注重學(xué)生的個(gè)性發(fā)展，充分調(diào)動(dòng)教師參與教學(xué)改革的積極性，努力提高教學(xué)質(zhì)量。同時(shí)，參加課外科技活動(dòng)的學(xué)生往往在這個(gè)過(guò)程中對(duì)活動(dòng)產(chǎn)生濃厚的興趣，并由此有可能激發(fā)他們的創(chuàng)新能力，從而取得一些成績(jī)。因此，作為課堂教學(xué)的有力補(bǔ)充，大學(xué)生課外科技活動(dòng)的開(kāi)展，是必要的也是必需的。

二十幾年來(lái)，計(jì)算機(jī)輔助工程分析從單純的課堂教學(xué)開(kāi)始，已經(jīng)將該設(shè)計(jì)方法引入到專業(yè)設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中，因此，大四學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程是一次進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的機(jī)會(huì)。通過(guò)讓學(xué)生參與縱向課題和橫向課題的研究，他們逐漸具有了用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法完成各種分析計(jì)算的能力。我們所指導(dǎo)的畢業(yè)論文涉及的內(nèi)容有：拖拉機(jī)限動(dòng)鏈右支架、拖拉機(jī)前軸、回轉(zhuǎn)軸后支架、半軸從動(dòng)齒輪的分析等（與天津拖拉機(jī)廠合作）、齒輪嚙合過(guò)程的接觸應(yīng)力分析；汽車后橋殼的有限元數(shù)值模擬、西氣東輸工程用到的各種閥門設(shè)計(jì)校核；門式鋼框架和8層5跨鋼結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)（中英高等合作項(xiàng)目）、臺(tái)灣地震對(duì)我國(guó)上海影響的研究（中國(guó)地震局合作的項(xiàng)目）；鑄件充型過(guò)程流動(dòng)模擬和鑄造溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬及縮孔縮松以及熱裂紋預(yù)測(cè)、鑄造凝固過(guò)程中鑄型與鑄件之間界面換熱系數(shù)的研究（天津市科委基金）；還有關(guān)于人體腰椎受拉壓彎扭后對(duì)間盤(pán)影響研究和種植牙的材料、螺紋、冠跟比的研究（國(guó)家自然科學(xué)基金）等等。完成的學(xué)生科技活動(dòng)項(xiàng)目有國(guó)家教育部的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目、天津市創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目、天津理工大學(xué)的科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目、理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院的基金項(xiàng)目、還有自擬的項(xiàng)目等等。僅筆者近幾年指導(dǎo)的畢業(yè)設(shè)計(jì)的學(xué)生中，參與發(fā)表論文14篇，EI檢索6篇，重點(diǎn)期刊4篇，有一些還被天津市和學(xué)校評(píng)為優(yōu)秀。

這些成就都是學(xué)生參與課外科技活動(dòng)和畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中取得的，并且從學(xué)生的反饋中可以發(fā)現(xiàn)，畢業(yè)生從求職過(guò)程到進(jìn)入企業(yè)，都離不開(kāi)計(jì)算機(jī)輔助工程分析課程的學(xué)習(xí)和各種實(shí)踐的鍛煉，這是他們能在眾多大學(xué)生中脫穎而出的一個(gè)堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，學(xué)校的各種理論和實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)適應(yīng)能力強(qiáng)、高素質(zhì)的復(fù)合型機(jī)械專業(yè)人才的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)輔助工程分析在本科教學(xué)中的實(shí)施和應(yīng)用，是在先進(jìn)教育、教學(xué)思想指導(dǎo)下的結(jié)果，是與工程認(rèn)證的要求相適應(yīng)的。從課上、課后、畢業(yè)設(shè)計(jì)以及他們工作后情況反饋來(lái)看，學(xué)生們能較好地掌握CAE的基本理論，并能運(yùn)用相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件很好地完成設(shè)計(jì)與分析，同時(shí)激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造意識(shí)。

［1］陳玲，華巖，雒秀華，等.創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與《機(jī)械設(shè)計(jì)》教學(xué)［J］.天津職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，12（3）：61-63.

［2］陳玲，牛興華，韓奕倢.以科技活動(dòng)為載體，提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力［A］.2010 Third International Conference on Education Technology and Training［C］.Wuhan：Institute of Electrical and Engineers，Inc，2010：314-316.

（責(zé)任編輯：姚歆燁）

Cultivating Undergraduates’Practical Abilities Based on Computer Aided Engineering Analysis Course

CHEN Ling1，2，XU Jinyou1，2，NIU Xinghua1，2
（1.Tianjin key Laboratory of the Design and Intelligent Control of the Aduanced Mechatrorical System，Tianjin 300384，China；2.Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China）

Based on engineering accreditation requirements，personal CAE course teaching experience，as well as experiences in national college students’innovation and entrepreneurship training，this thesis expounds first on the importance of improving teaching methods and materials，and then put forward some effective ways to help the students to quickly grasp the modern design method and put theories into application by combining classroom teaching with practice teaching and extracurricular activities.

Computer Aided Engineering Analysis；innovation；practical ability

G642.0

陳玲（1964—），女，教授，研究方向：CAE、機(jī)械設(shè)計(jì)。

天津理工大學(xué)教學(xué)基金項(xiàng)目（YB12-33）；天津市普通高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革研究重點(diǎn)項(xiàng)目（B01-0802）。