“项目驱动、实时评价”教学方法在“有限元分析”课程教学中的应用

钟志贤 张烈平 任亚明

（桂林理工大学机械与控制工程学院 广西·桂林 541006）

0 前言

威特罗克认为学习是学习者主动构建内部心理结构的过程，学习不仅包括结构性的知识，也包括大量的非结构性的经验背景。[1-5]众多教育理论的研究者认为，项目驱动教学模式的基本思想就是将学生的学习活动与实际的工程项目相结合，师生通过共同实施一个完整的“项目”而逐步深入、全面展开教学活动，通过探究问题和解决问题来提高学生的学习兴趣，进而树立他们的信心和培养他们的能力。[6]项目驱动式教学与任务驱动式教学（Task based Teaching）及问题驱动式学习（Problem basedlearning）方法的本质是一样的，都是以实践为导向的，只不过项目驱动更加强调所布置的任务或呈现的问题来源于实际工程项目，项目驱动教学模式尤其适用于各类实践性和操作性较强的知识和技能。[7]徐雅斌在其项目驱动教学模式的研究与实践中提出，项目驱动教学贵在通过教师的激发和引导，贵在让学生在“做”的过程中进行“学”。在“做”的过程中主动地发现问题并共同分析问题，根据需要并带着问题主动去“学”，最终有效地解决问题，同时获得最有价值的知识，并使学生原有的知识、经验和技能得到进一步的充实和提升，进而培养他们主动探索的创新精神。[8]

本文以“有限元分析”的课程教学改革为目标，结合课程的理论性和操作性特点，采用项目驱动的教学方法，以参考教材作为学习的载体，以项目任务的实现作为学习过程，以实时作为学习过程的反馈方式，将以传授知识为主的传统教学理念转变为教师制定项目，学生完成项目的教学活动过程，将再现式教学转变为探究式学习，使学生能灵活运用“有限元分析”的基本理论和建模优化方法解决基本工程问题。

1 “有限元分析”的教学现状

“有限元分析”是机械工程专业的核心课程之一，该课程与机械工程实际结合极为紧密，知识面广、信息量大、综合性强。课程教学的现有模式主要采用课堂讲授+上机操作的传统教学方法，在课堂上按章节顺序讲授有限元分析的基本概念和通过商用软件的操作过程，并通过仿真实例让学生熟悉有限元软件Ansys的基本操作步骤，采用上机操作+平时成绩的考核办法来激励学生自觉学习。

现有教学模式的主要问题有：（1）课程当前所采用的软件一般为Ansys的MechnicalAPDL，该软件建模困难、网格划分难度大、软件操作上手不易，因此很容易让学生丧失学习兴趣，导致课程学习困难。（2）仿真案例脱离实际。对于商用仿真软件而言，能进行多种仿真，如静力学仿真、模态分析、热分析、流体分析、电磁场分析等，然而学生没有相应理论基础却被要求进行如流体分析、热分析、模态分析等的仿真。虽然学生能按部就班的按书上的操作进行仿真，但却无法判断仿真结果的正确性。最终的结果就变成了教师讲得累，学习收获却很小。（3）仿真缺乏工程实践的验证。教学大纲里并没有设置相应环节对学生的仿真结果进行验证。在没有工程实践验证的情况下，学生很难深刻理解仿真操作过程中每一步设置对仿真结果的影响，很难提高自己的仿真能力。因此在现有教学模式下，一旦脱离仿真案例，学生没有任何经验判断其仿真结果的准确性，更不用说用于解决实际工程问题了。

图1 “项目驱动，实时评价”流程图

2 “项目驱动，实时评价”的教学方法

“项目驱动、实时评价”教学模式的教学流程如图1所示。在项目驱动教学中，结合实时评价，对学生“做项目”的过程进行持续观察、记录、反思而做出的发展性评价。通过实时评价及时掌握学生所学知识的程度，及时发现学生学习过程中的不足，修改或调整“项目驱动”教学活动中的不足，以期获得更加理想的教学效果，同时还能够增强师生之间的交流，激励学生自主学习。将“项目驱动”与“实时评价”两种教学模式有机结合起来，以“做项目”为教学活动主线，以“实时评价”为激励手段，将“有限元分析”课程中的知识点贯穿起来，帮助学生系统掌握有限元分析的基本理论和软件操作基本方法，并促进学生学会将课程中的基本理论和方法综合应用于专业实践中。

3 “项目驱动、实时评价”的教学实践

在“有限元分析”的课程教学中，将教学活动与科研项目相结合，学生在本课程学习过程中能紧密结合实际应用，在工程能力方面得到更好的锻炼和提高。项目任务为对某企业的产品设计优化，要求学生以2～3人组成项目小组，采用Ansys Workbench有限元仿真软件，完成该产品的电磁场仿真分析和设计参数优化，并撰写仿真报告。整个项目训练的教学过程如下：分析产品结构→采用Ansys建立有限元模型，图2所示→仿真分析→输出仿真分析结果，图3所示（教师实时评价）→根据实验结果优化设计参数包括网格单元的选择，网格大小、边界条件、求解器的设置等重新进行仿真（教师实时评价），直到仿真结果与实际工程目标参数误差在5%内（教师最终评价）。

图3 优化仿真结果

项目任务涉及到“有限元分析”中的建模、网格划分、边界条件设定、载荷施加、求解器设置、后处理等，并以教师实时评价手段来验证仿真参数设置是否合理，仿真结果是否正确，真正做到项目结合工程实践，实时评价反应工程问题的实际处理方法。通过项目任务驱动和实时评价，将“有限元分析”课程的重要知识点串并在一个工程实践过程中，学生在完成学习任务过程中，不仅能直接体会到每个仿真参数的设置意义，还可得到很好的工程实践训练。

4 结论

“项目驱动、实时评价”的教学模式，是以“项目”为主线，教师主导、学生为主体，将“有限元分析”中的建模、网格划分、边界条件施加、求解、后处理等知识点和分析能力的培养隐含在项目任务之中，学生通过对所分配的“项目”进行分析、讨论，结合教材以及文献资料，并在老师的指导、帮助下完成；教师通过实时评价及时掌握学生的项目任务完成情况、知识点的掌握程度和有限元分析法的运用能力，并通过教学过程中的不断反馈与修正，教师和学生都能够不断的发现教与学中的问题，取得教学相长的良好效果，提升学生采用有限元理论分析工程问题的能力。