基于计算机辅助工程分析课程的大学生实践能力培养探析

陈　玲　徐进友　牛兴华

（1.天津市先进机电单位设计与智能控制重点实验室，天津300384；2.天津理工大学，天津300384）

基于计算机辅助工程分析课程的大学生实践能力培养探析

陈玲1，2徐进友1，2牛兴华1，2

（1.天津市先进机电单位设计与智能控制重点实验室，天津300384；2.天津理工大学，天津300384）

本文从工程认证要求出发，通过讲授计算机辅助工程分析课程，结合指导全国大学生创新创业训练计划项目、学生课外科技活动、毕业设计等取得的成果和经验，阐述了改进教学方法、制定可行教材的重要性；探索出了将课堂理论教学、实践教学和课外科技活动有机结合后使学生快速掌握现代设计方法并付诸应用的有效途径。

计算机辅助工程分析；创新意识；实践能力

一、前言

机械工程专业是我校建校伊始就创建的理工类专业之一，并且是全校重点专业。为适应现代工业和社会快速发展的需要，根据当前的工科专业的发展趋势，学校积极准备申请国际工程联盟认证。国际工程联盟（IEA）中的华盛顿协议是一个工程教育本科学历的国际互认的协议，我国教育部计划推动工程专业总数的25%-30%完成工程教育专业认证。工程认证要求之一就是：大学生毕业后应具有社会适应能力与就业竞争力。根据该要求，我校将机械工程专业的培养目标定位在面向京津冀和周边地区的制造业，培养学生具有工程实践能力和创新精神，使他们具备解决复杂工程问题的基本素质。其中，认证的目标和达成度又要求学生能够对复杂机械工程问题进行分析和提炼，通过对课程的学习能对一些机械系统提出设计解决方案，经过对解决方案的可行性进行初步分析与论证来体现创新意识。我校开设的现代设计方法之一的计算机辅助工程分析课程是符合工程认证指标标准的。

该课程理论性较强，虽然能满足以上认证要求和工作需求，但学生学起来较生涩。本文从理论教学、实践教学、教材编写、专业设计、毕业设计到加强学生课外科技活动等多个环节，探讨出计算机辅助工程分析课程的教学、实践和应用的方法，这有助于激发学生的学习兴趣和创新能力，为教学改革提供思路和方法。

二、学习计算机辅助工程分析的必要性

现代设计方法包括CAE、CAD、模块设计、可靠性设计等，相对传统设计方法而言有了质的飞跃。其中的CAE（计算机辅助工程分析）是以有限元法为代表的工程中的数值方法，是在工程中复杂条件下求解各种数学问题的普遍方法。对于复杂的非线性问题、瞬态问题、多学科交叉问题等，需要对若干物理量或参数进行定量的分析，这使得传统设计及方法显得有些不能胜任。因此，如果学生在有限的在校学习期间，仍采用传统设计方法完成专业课程设计和毕业设计，势必导致他们没有成就感，制约了学生创造性思维的建立，也不利于激发他们的学习兴趣和创新能力。机械类的本科生通过该课程的系统学习和训练后，可以使用它解决工程问题，对于提高学生的工程实践能力和创新精神具有重要意义。

三、教学上采取的措施

计算机辅助工程分析课程共计48学时，其中32学时理论课，上机实践16学时。该课程的开设经过多年的实践和毕业生的反馈，满足工程认证的第三条指标，也满足了学生毕业后工作的需要。然而，这门课理论性很强，对于现有知识水平的本科生而言学习起来具有一定的难度；对于任课教师来讲，在有限的时间内使学生能够尽快地掌握各知识点并能达到灵活应用就要采用适当的教学方法。根据笔者几十年的教学工作经验认为：首先要有好的适应本科学生学习该课程的教材；其次要改进教学方法，提高学生学习兴趣；第三，充分利用有限的实践教学学时，激发他们的创新意识；第四，要加强大学生课外科技活动和毕设环节，为走向社会奠定一定的现代设计基础。

1.选择适合的计算机辅助工程分析教材

目前，我机械学院现有ANSYS、NASTRAN、ABAQUS等正版软件多达十几种，这些软件功能强大，涉及的知识面广，市场上与之有关的教材和说明书众多。然而符合本科生知识背景的，与工程实际结合，又能提高学生兴趣的却很少甚至没有。要想让学生在有限的学时里基本理解它，并会初步应用，一本好的教材是必不可少的。编写好教材需要编者有好的力学、数值方法、计算机知识基础，需要消化有关软件的6000多页的原文说明书中的主要部分。笔者所在的科研团队长期工作在教学第一线，深知学生的需求，为弥补上述缺憾，编写了适合工科学生教学使用的教材。在广泛调研和多年教学工作经验的基础上，构建了教材框架，精选了讲授内容，在内容组织、知识讲解和问题表述上，努力贴近本科知识背景，然后结合教材内容与工程实际，精选教学中使用的典型工程实例，结合机械类专业特点，在解决上述问题上下功夫，建设理论课程和实践环节教材的同时，整合已有课程的学时安排，使本课程在专业知识更新中真正起到应有的作用。

为了上好这门课，课题组分工合作编写了两卷教材。其卷Ⅰ是《计算机辅助工程分析之有限元法概论》，内容有弹性力学基本方程，弹性力学平面问题有限元法，弹性力学空间问题的有限元法及矩阵代数。卷Ⅱ为《计算机辅助工程分析之工程应用》，目的是让学生上机实践，初步学会使用软件解决实际问题。这两卷已经印刷成书为教学所用。

2.深入浅出地讲好计算机辅助工程分析的理论部分

虽然经过多年的努力，我们编写出来了表达清楚，层次分明，易懂易学，并有适当例题可以模仿的教材，但对于我校机械专业本科生的知识基础，要掌握和理解还有一定的难度，这将在一定程度上消减学生们学习的兴趣并增加学习的难度。教育心理学指出在信息传播过程中，教师与学生向对方发出的信息具有融合性的特点。课堂教学的效果与其说是教师传授了多少知识，不如说学生获得了多少知识。从这个意义上说，提高学生学习的积极性和主动性是组织好教学、提高教学质量的关键。

怎样调动学生的学习积极性和主动性呢？一方面借助多媒体课件可以大大活跃课堂气氛，起到了寓教于乐的效果；另一方面，在课堂教学时结合笔者多年的科研成果和各种企业实例，图文并茂使学生充分了解先进的设计方法和技术并产生学习兴趣。以计算机辅助工程分析课程中的有限元法为例：该方法不仅能用于工程中复杂的非线性问题、非稳态问题的求解，还可用于复杂结构的静态和动力分析。学生了解了有限元基本原理，掌握了有限元结构分析过程，然后熟悉有限元软件的使用方法，结合学生已经做过的设计中遇到的问题，经过软件计算和后处理结果，使以前看不到摸不着的应力应变等数字曲线以彩色图像展现在眼前，使学生具有了成就感。因此，要掌握基本原理、设计思想、设计步骤及上机操作要领这些关键问题必须以课堂教学为依托。

3.有效利用实验课培养学生的创新意识

对学生进行机械设计的创新培养，就要将计算机辅助工程分析的方法和技术引入教学的各个环节：如课堂教学、实验教学、综合设计作业、专业设计、教学实习、毕业设计、产学研结合等，多年来我们致力于在理论教学的基础上，不断加大实践教学，努力培养学生运用、开发现代机械设计方法和技术的兴趣及能力。在讲解计算机辅助工程分析中的有限元等相关理论后，在实验教学中以有限元分析软件对机械零件分析为主线，培养学生运用现代设计软件进行工程设计分析的实践操作能力、创造性思维及创新能力。比如，为更好地理解机械动态设计法，在实验室指导学生建立飞机机翼结构的动态模型，从选择要定义的单元类型、输入材料属性、划分网格把几何模型变成有限元模型、确定分析的边界条件、直至求解完成进入后处理。通过以上模态分析仿真分析过程，学生可看到机翼结构振动的频率和振型，从感性层面上认识到何谓动态设计方法，这会比单纯的理论教学起到更好的作用，也进一步巩固并延展了力学和材料学等方面的专业知识，为工科本科毕业生打下更好的专业基础。

4.通过大学生课外科技活动和毕业设计进一步培养学生的创新思维

为补充学生课堂知识和实验课的学时不足，在大二、大三学生中大力开展大学生课外科技实践活动，鼓励并组织学生申报国家级大学生创新创业计划项目以及学校组织的各类科技活动。这些活动既培养了大学生对计算机辅助工程分析的进一步应用，又提高了学生的开发能力和科研综合素质能力，还能够让学生尽早了解企业需求，提高他们毕业后适应工作的能力。另外，教师在指导学生时，要注重学生的个性发展，充分调动教师参与教学改革的积极性，努力提高教学质量。同时，参加课外科技活动的学生往往在这个过程中对活动产生浓厚的兴趣，并由此有可能激发他们的创新能力，从而取得一些成绩。因此，作为课堂教学的有力补充，大学生课外科技活动的开展，是必要的也是必需的。

二十几年来，计算机辅助工程分析从单纯的课堂教学开始，已经将该设计方法引入到专业设计和毕业设计中，因此，大四学生的毕业设计过程是一次进一步培养学生创新思维的机会。通过让学生参与纵向课题和横向课题的研究，他们逐渐具有了用现代设计方法完成各种分析计算的能力。我们所指导的毕业论文涉及的内容有：拖拉机限动链右支架、拖拉机前轴、回转轴后支架、半轴从动齿轮的分析等（与天津拖拉机厂合作）、齿轮啮合过程的接触应力分析；汽车后桥壳的有限元数值模拟、西气东输工程用到的各种阀门设计校核；门式钢框架和8层5跨钢结构的整体结构抗火设计（中英高等合作项目）、台湾地震对我国上海影响的研究（中国地震局合作的项目）；铸件充型过程流动模拟和铸造温度场的数值模拟及缩孔缩松以及热裂纹预测、铸造凝固过程中铸型与铸件之间界面换热系数的研究（天津市科委基金）；还有关于人体腰椎受拉压弯扭后对间盘影响研究和种植牙的材料、螺纹、冠跟比的研究（国家自然科学基金）等等。完成的学生科技活动项目有国家教育部的大学生创新创业计划项目、天津市创新计划项目、天津理工大学的科技创新基金项目、理工大学机械学院的基金项目、还有自拟的项目等等。仅笔者近几年指导的毕业设计的学生中，参与发表论文14篇，EI检索6篇，重点期刊4篇，有一些还被天津市和学校评为优秀。

这些成就都是学生参与课外科技活动和毕业设计过程中取得的，并且从学生的反馈中可以发现，毕业生从求职过程到进入企业，都离不开计算机辅助工程分析课程的学习和各种实践的锻炼，这是他们能在众多大学生中脱颖而出的一个坚实基础。

四、结束语

综上所述，学校的各种理论和实践教学是培养适应能力强、高素质的复合型机械专业人才的基础。计算机辅助工程分析在本科教学中的实施和应用，是在先进教育、教学思想指导下的结果，是与工程认证的要求相适应的。从课上、课后、毕业设计以及他们工作后情况反馈来看，学生们能较好地掌握CAE的基本理论，并能运用相应的计算机软件很好地完成设计与分析，同时激发了学生的创新创造意识。

［1］陈玲，华岩，雒秀华，等.创新能力的培养与《机械设计》教学［J］.天津职业技术师范学院学报，2002，12（3）：61-63.

［2］陈玲，牛兴华，韩奕倢.以科技活动为载体，提高大学生的创新能力［A］.2010 Third International Conference on Education Technology and Training［C］.Wuhan：Institute of Electrical and Engineers，Inc，2010：314-316.

（责任编辑：姚歆烨）

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

陈玲（1964—），女，教授，研究方向：CAE、机械设计。

天津理工大学教学基金项目（YB12-33）；天津市普通高等学校本科教学质量与教学改革研究重点项目（B01-0802）。