面向动力机械专业的CAE应用基础课程教学的思考与改革

邵珊珊　王军

摘要：计算机辅助工程（CAE）是动力机械专业学生一门重要的专业基础课。本人在CAE教学过程中的实践和经验，分析了理论讲解过于枯燥、上机实践目的性不明显、教学模式古板、考核方式不够完善等多方面的问题，并提出调整理论教学与上级操作的课时比例、采用案例分析教学模式、更新与完善上机操作案例、增加上机操作案例分析成绩等改革措施，为CAE应用基础课程的教学改革提供了思路与参考。

关键词：动力机械专业；CAE；教学；思考；改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）25-0079-02

CAD（Computer Aided Design）指利用計算机进行几何设计、几何实体建模、绘图等，CAE（Computer Aided Design）指利用计算机进行数值模拟分析计算，CAM指的是工艺设计、NC变成、机器人变成等生产准备过程。利用CAD进行产品的几何实体建模，为CAE所用；利用CAE对产品的几何实体模型进行性能分析、强度分析、运动学分析等方面的数值模拟计算；利用CAD输出产品的三维图纸、工程图纸等，并保存所有产品数据信息为CAM所用。目前，通过该课程的学习，要求学生具备一定的理论基础，掌握相关应用软件，培养学生利用相关CAE软件分析问题、解决问题的能力，为日后从事相关工作打好基础。

本人教学“CAE应用基础”课程，是面对动力机械专业的学生专门开设的一门课程，为学生们将来从事内燃机设计及研发相关方面的工作奠定一定基础。

一、课程内容

本门课程所用教材为《CAD/CAE/CAM技术与应用》，选择性地重点讲授了CAD和CAE两个部分的内容，对CAM只做简单介绍。从CAD/CAE/CAM概述出发，首先讲解了图形技术、产品造型和设计及等基础理论，然后介绍了CAD技术的应用（重点分析Solidworks软件），再次介绍了CAE技术的基础理论及ANSYS软件的操作，最后简要分析了CAD/CAE/CAM系统集成技术。

二、教学方法

本门课程共计30个学时，其中20个学时为课堂教学，10个学时为上机操作，各章的课时数见图1。其中CAD技术应用和CAE技术应用采用课堂教学和上机操作相结合的方式。CAD应用只针对Solidworks软件，上机课内容主要为SolidWorks基本操作和草图绘制、SolidWorks辅助零件设计及SolidWorks软件装配体设计；CAE应用只针对ANSYS软件，上机课内容为ANSYS基本操作和网格划分、ANSYS应用实例操作。

考核方式：最终评定成绩由平时成绩和考试成绩之和，其中平时成绩占比30%，由课堂及上机表现情况综合决定，考试成绩占比70%，由考试卷面成绩为准。

三、目前存在问题

CAE是动力机械专业学生非常重要的一门专业技术课，在数学基础上对学生的知识储备等方面要求较高，同时对计算机操作能力要求也比较高，其中包括计算机系统、常规画图操作等，为CAE软件的上机实践做好准备。在教学中发现如下若干问题：

1.理论讲解过于枯燥。本课程安排了20个课时进行理论讲解，其中图形技术基础、产品造型及设计与CAE技术基础理论分别为SolidWorks和ANSYS软件上机操作提供理论支持。实际上，在对软件丝毫没有接触的基础上讲解理论知识，对于学生来说是非常枯燥且难以理解的。

2.上机实践目的性不明显。上机操作仅介绍了SolidWorks和ANSYS软件的基本操作，以及部分简单的案例示范，如单元梁的受力分析等。事实上，上述操作主要针对所有工科专业，并没有具体涉及到内燃机各零部件，和动力机械专业关联性不够，即上机操作的目的性不明显。

3.教学模式古板。本课程采用课堂教学和上机操作相结合的方式实施教学，是非常合适的。但是其实本课程更应该是偏于实践的，10个课时的上机时间是不够的。而且上机操作仅针对小型案例分析，如弹簧受拉受力分析等，案例过于简单，不能够完全锻炼学生的实践能力。

4.考核方式不够完善。目前的考核方式更加侧重于卷面考试成绩，而对于上机操作的成绩并没有考虑。对于CAE应用基础这样一类偏重于实践的课程，上机操作的案例分析成绩应该是考核必不可少的部分，且其所占比例应该较大。

四、改革措施

1.调整理论教学与上级操作的课时比例。笔者在教学过程中尝试以实践为主，理论为辅的教学模式，即打破理论教学与实践教学分开进行的传统授课方式。将CAD和CAE技术应用的课时一分为三，第一部分采用理论教学，第二部分则针对性地上机实践，第三部分回归到理论知识和上机操作的总结上，一方面对上机操作有一个回顾和总结的过程，另一方面有利于对理论知识的进一步理解。

通过上机操作可以很好地巩固上节课所学的理论知识，这样就将理论教学与上机实践有机地衔接了起来，增强了学生对于CAE基础理论知识的认识与理解，学懂了，自然就有了兴趣，而兴趣则是最好的老师。

2.采用案例分析教学模式。以工程实例为主线设计教学内容和组织课堂教学，采用“案例教学+实践反思+知识总结”的教学模式，以案例为基础，把所有要教授的知识镶嵌在案例中，再借由案例的情境进行阐释。

上述教学改革模式的关键是构建一个具有教学案例知识获取、存储、传递、共享、转化、创新和应用功能的教学案例知识管理系统。因此，我们将基于案例推理的技术引入到CAD教学案例知识管理中，以期解决教学中存在的理论知识讲授枯燥单薄、理论知识与上机操作脱节等问题。

3.更新与完善上机操作案例。本人所在的动力机械系以内燃机为对象，研究如何把燃料的化学能和流体动能安全、高效、低污染地转换成动力的基本规律和过程。所以本学科的相关专业基础课程均应与内燃机密切相关。以汽油发动机为例，一般由机体、曲柄连杆机构、配气机构燃料供给系统、冷却系统、润滑系统、起动系统组成。

上机操作时，案例不应该只是简单地单元梁的受力分析，与本专业关联度不大。应该让学生尝试针对发动机某一组成系统（曲轴连杆、摇臂等）进行动力学特性分析，一方面帮助学生对发动机各系统的机构有深入认识，另一方面加强学生的造型与仿真能力。建议从发动机组成系统中某一零部件着手，逐步加大难度。

4.增加上机操作案例分析成绩。在掌握基本操作的基础上，建议采用分组的形式进行具体案例分析。以曲柄连杆机构为例，将学生分为两组，一组学生负责曲轴飞轮组，另一组学生负责活塞连杆组，各组分配4人，最终以团队成果计入成绩。

最终评定成绩仍由平时成绩和考试成绩之和，其中平时成绩占比20%，由课堂及上机出勤情况综合决定；考试成绩占比80%，由考试卷面成绩和团队案例成绩组成，各自占比50%。

五、结束语

目前，CAE已成为工程设计领域必不可少的分析手段。加强CAE课程教学方法的改革与创新，是目前各大高校教学改革过程中的重要环节之一。经过近年来对于CAE教学的思考与探索，提出目前的CAE课程教学中存在的若干问题，提出部分改革方案，旨在提高CAE课程的教学质量，同时也为今后进一步的CAE课程教学改革与创新提供了参考和思路。

参考文献：

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