汽车有限元类课程教学改革研究

周长峰

我国汽车工业的发展已经从引进吸收转变为以自主创新为主，汽车产品的设计、分析、优化等日益受到重视，汽车有限元类课程的任务，除了使学生掌握有限元基本理论和分析汽车零部件性能外，更重要的是对现有产品以及将来的产品进行优化设计，这就对高等学校汽车有限元类课程的教学提出新的要求，因此有限元类课程的教学内容需要进行精炼，新的理论方法需要进行补充，不同的教学模式需要进行尝试，多样化的考核方式需要进行实践。

1 汽车有限元类课程教学改革研究现状

目前国内多所高等学校对汽车有限元类课程进行了改革研究，常熟理工学院汽车工程学院胡顺安在车辆结构有限元课程教学中成立了教学改革小组，在软硬件方面大力建设，并积极联系企业参与教学改革。在教学过程中，有限元分析对象都来自行业内的汽车零部件，通过故障件和台架对比等方式展开试验教学。课题组积极规划和探索教学试验课程，提高学生学习的兴趣，增加学习该课程的乐趣。郑州轻工业学院曹阳在传统教学方法的基础上，针对有限元分析课程兼具理论性和实践性的特点，对机械类本科专业课程的教学内容和教学方法进行了探讨，适当减少理论教学内容比重，并将有限元软件引入课堂，注重培养学生解决实际工程问题的能力，促进学生对相关理论的理解和吸收。海南大学刘燕霞以车辆CAE 技术的教学改革与实践为切入点，强调了课程的重要性，阐述了课程的特点，同时，分析了目前课程所存在的问题，即课程学时少、内容多，教学手段、方法及考核方式不合理等。并针对这些问题，提出了改革的措施与实践方法，取得了一定的效果。广西工学院韦志林针对汽车现代设计方法进行教学改革研究。该课程是车辆工程专业本科生应掌握的技术，而现代设计法的内容很广泛，课题组根据企业对人才的需求，将课程的重点内容放在有限元法和优化设计方面，在有限的学时内使学生掌握一定的先进技术，取得了较好的教学效果。中南大学交通运输学院高广军为适应车辆强度有限单元法课程发展的需要，制定了适合该校特点的课程教学大纲和实验教学大纲，车辆强度有限单元法课程教学团队制作了该课程的多媒体课件，通过几年的教学实践取得了良好的效果。

2 有限元类课程教学过程中的问题

2.1 教学方法单一

目前汽车有限元课程教学，以教师讲授理论知识为主、实践为辅的教学模式，有限元类课程涉及内容广泛、概念多、公式量大，很多学生跟不上教师的讲解，限于进度教师又不能停滞不前，在连续几堂课学习后，学生易形成课程内容消化不良、实际学习效果差的问题。通过与学生交流得知，学生普遍反映该类课程难度大、理论深、公式多且表述过于抽象，严重影响学生的学习欲望和学习效果，不能有效达成预期学习目标，这也反映出单纯由老师讲授，学生跟随学习的教学方法，很难满足有限元类课程的建设要求。

2.2 教学内容未跟踪先进汽车技术的发展

在传统的有限元教学实践当中，主要选择齿轮、各种轴等零部件的强度和模态进行仿真教学，在新技术方面涉及较少。现在汽车的设计越来越倾向于高性能、轻量化方向发展，汽车零部件的虚拟仿真在汽车零部件开发过程中起着重要的作用，基本的外形设计和强度校核是汽车零部件初步设计的基本步骤，产品外形优化、尺寸优化、形状优化，才是汽车设计的核心和关键。随着山东省新旧动能转换、专业对接产业的发展，新形势下考虑产品最优化的汽车整车及零部件开发流程如图1 所示，优化将在新产品的开发中扮演着举足轻重的角色，但当前的教学对于汽车企业最为渴求的零部件优化设计未有涉及，学生工作时接触到这一类新问题时，往往表现得束手无策。

3 有限元类课程教学改革方案设计

3.1 教学内容的整合与优化

3.1.1 精炼核心教学内容

教学改革并不是对有限元类课程原有教学内容的全盘否定，而是要扬弃，教师要面向企业、同事、已学过的学生进行调研，确定理论和实践教学的核心内容，并且所确定的内容组成典型教学模块以利教学实施，精炼教学内容的指导思想就是“能反应有限元法的求解思路，能与车辆工程实践密切结合，能解释有限元法应用时的常见问题”。

3.1.2 强化上机实践教学

图1 考虑优化的汽车整车及零部件开发流程

教师要深入企业采集分析案例，并引入工程试验加深对有限元法计算结果的理解。以变速器传动轴为例，基于传动轴CAE 模型完成上机操作教学，保证每个学生能在软件平台上完成传动轴的有限元仿真分析，由软件观察传动轴几个部位的变形量情况，对传动轴进行加载实验，通过不同载荷加载并记录测量点的变形，对仿真与实际加载过程中的测量点变形进行对比分析，加深有限元方法求解过程和求解结果的理解。引入优化案例，精心设计汽车零部件拓扑优化、形状优化以及尺寸优化的案例，通过上机教学，使学生掌握住相应的优化手段及方法。

3.2 调整教学方法

3.2.1 与学习基础相衔接

有限元类课程中涉及的方程多为矩阵形式，需要大量推导公式，学生对课堂内容的理解十分有限，需要结合专业特点和本专业学生的前期基础对课程内容进行调整：比如可以通过回顾材料力学中杆和梁的区别，引出节点自由度的概念，并教会学生如何根据实际工程问题选择合适的单元。这种教学模式，能使学生更容易理解和接受有限元法的一些基本概念，激发学生的学习兴趣。

3.2.2 作业与教学内容互补衔接的探索

有限元类课程教学内容环环相扣，如连续体的有限元法这一章，在讲具体的实例前，有六节内容都是抽象的理论公式推导，学生学习难度大，而且感到记忆和应用困难，因此在新的教学设计中，可以将三角形薄极分析实例求解过程分解为六个模块，将实例的内容凝炼成作业的形式布置给学生，使学生在完成作业的同时，加深对所学课程的理解，并为实例教学内容的学习，奠定基础。

3.3 教学考核体系的完善创新

3.3.1 平时考核方式多样化

目前有限元类课程的考核体系，以课程试卷考试为主，考核分为平时考核和期末考核两部分，平时考核包含考勤和作业，其比重占总成绩的30%，期末考核占总成绩的70%，因此学生有平时不抓紧期末前突击的现象。为督促学生学习，让学生在每个阶段都能了解自己对所学知识的掌握情况，增加网络限时测试、十分钟单人单桌测试、期末口试这几个考核环节，实施上述几种考核方式后要降低考勤所占平时成绩比例。

3.3.2 试行平时考核奖励机制

学生取得职业技能证书或完成复杂的工程应用案例，提交证明则能触发平时考核奖励机制，获得平时成绩。平时考核奖励机制出发点在于鼓励学生获得Altair认证工程师证书，具备相应的工程分析技能，或者完成具有较高学术难度的工程应用题目，提交分析报告并参加答辩，获得相应分值的平时成绩。这种奖励机制实现的途径有很多，学生可以在科技创新活动、教师科研项目、国内汽车创新设计竞赛等实践环节积极参与，应用有限元类课程所学知识开展工程应用和创新设计。改革后考核评价方式如图2 所示。

图2 改革后考核评价方式

4 结束语

通过有限元类课程的教学改革，能够有效精炼相关课程的核心教学内容，提高所授课程与工程实践的紧密结合程度；多种教学方法的探索，能有效克服学生学习时所遇到的困难，加强了对课程所学理论与技能的掌握；多样化的考核方式，为学生的课程应用提供了更多可行途径和考察方式，促进了课程所学与工程应用相结合，能有效促进学生创新能力和工程技术能力的培养。