高職院校開展有限元仿真分析課程的必要性研究*

楊陽 魏晨 李欣

摘? 要? 隨著經濟的不斷發展，社會對人才的要求也愈發嚴格。為適應社會發展對人才的新要求，提升學生在就業過程中的競爭力，高職院校在教學內容及教學方式上必須緊跟形勢作出調整。有限元仿真是工科學生所必備的一項技能，在高職院校中開展有限元仿真分析課程是十分必要的?；谡n程特點、課程可行性、教學改革等方面，探討高職院校開展相關教學內容的必要性。

關鍵詞? 高職院校；有限元仿真分析；實驗實訓設備；教學改革

中圖分類號：G712? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）24-0070-03

0? 引言

當今社會的發展速度遠超預期，飛速發展的社會科技、經濟對作為未來社會參與主體的高校學生提出更高的要求。作為高素質技能工人主要來源渠道的廣大高職院校，教學往往偏重傳統的基本理論與實操技能。隨著社會發展趨勢的不斷變化，越來越卷的就業形勢迫使高職學生為在將來的就業市場取得就業機會而不斷地培養才干。廣大高職學生除了具備扎實的實操技能外，若還具備一定的分析解決問題能力，相比本科層次學生無疑將具備差異化的競爭能力。未來的就業市場中，高職層次學生除了可以應聘傳統的一線操作崗位外，還可以應聘研發等崗位[1]。對于具備分析解決問題能力的高職層次學生，若繼續從事一線操作崗位工作，未來的職業發展也必將會更順利。

四川建筑職業技術學院是中西部建筑類頭部高等職業院校，近年來隨著社會大環境的發展，學生在就業時也遇到諸多問題。面對現實問題，更要本著為學生負責的態度使其在未來的就業市場具備足夠的競爭力，優化教學內容、調整培養目標，成為高職院校必須采取的有效措施。有限元仿真分析作為大多數工科學生解決問題所必備的技能，在機械工程、電氣工程領域分析問題過程中都有廣泛應用，掌握有限元仿真技術，能夠切實夯實新形勢下高職學生的就業競爭力[2]。因此，在高職層次院校中開展有限元分析的相關課程十分必要。

1? 有限元仿真分析技術

1.1? 有限元仿真分析技術簡介

計算機技術和數值方法的迅速發展，為有限元技術的推廣及應用提供了極為便利的條件。有限元分析技術已成為工業界解決機械結構、電磁場仿真計算等問題的必備方法和手段。法國達索公司推出的Abaqus是典型的商用有限元分析軟件，具備強大的求解線性及非線性問題的能力。針對結構、電磁、熱、多物理場耦合等問題，借助有限元分析軟件得到的求解結果往往是精確和可靠的。

1.2? 有限元仿真分析課程特點

1.2.1? 學生參與性強

高等教育的大眾化導致學生質量下降，學生缺乏足夠的自我約束能力及自我學習能力，這兩種能力的缺失對教學效果會產生直接的影響。有限元仿真是把實際問題抽象為計算機能夠分析處理的熟悉模型，建模過程中學生的學習興趣能夠最大限度地得到調動。與傳統教學內容相比，將有限元仿真分析技術加入高職類院校的教學內容就顯得十分必要。

1.2.2? 建設費用低

技能類課程的教學一般均需借助相應的實驗實訓配套設備。雖然近年來國家對教育的經費支持力度逐年攀升，但是高校用于設備采購及維保的經費仍舊有限，想要開展順應行業最新發展要求的技能類課程仍然存在很多困難。有限元仿真能夠根據當前行業最新發展方向開展與時俱進的教學，相關課程的建設費用低且設備維護壓力不大[3]。

1.2.3? 教學效果好

傳統技能類課程往往只能在課堂開展相關教學內容，教師受制于有限的課時也僅能進行基本的內容指導。有限元仿真分析課程則不存在上述問題，課程的開展不受時間及空間影響，課后學生在寢室也可以自主學習，有利于學生動手能力及創新能力的培養，課程教學效果得到顯著增強。

2? 有限元仿真分析課程開設的可行性

有限元仿真分析課程要求學生具備一定的專業基礎知識，比如進行結構分析就需要有一定的材料力學、彈性力學基礎，進行電學、電磁學分析就需要有一定的電路知識、電磁學知識作為依托。高職院校除培養學生的實踐技能外，往往還開設大量的基礎理論課。因此，學生應具備開展有限元分析課程所要求的理論基礎。此外，有限元仿真分析課程相比傳統教學課程，在開放性、參與性、教學廣泛性等方面都具有無可比擬的優勢。有限元仿真分析課程建設也符合國家對高職教育的規劃[4]。

教師對所授課程的合理性及必要性是最有發言權的。相關調查表明，將近90%的教師認為現存多數實驗實訓內容過于單一且陳舊，無法結合行業最新特點有針對性地對學生開展教學[5]；接近80%的教師認為，有限元仿真分析技術能夠有效增強課堂教學效果 [5]；50%左右的教師認為在高等教育階段特別是高職教育階段，畢業設計是否包含CAE（Computer Aided Engineering，計算機輔助工程）的相關內容應作為學生畢業設計的相關考核標準[5]。有限元仿真技術應用領域廣泛并可關聯行業動態對最新問題進行建模分析，把有限元仿真分析作為高職院校的課程開展是有必要的。

2.1? 教學安全綠色

高校尤其是高職院校中傳統技能類課程的講授多基于大型的實驗實訓設備，教學過程中學生往往要獨立操作這些大型設備。以鐵道供電專業的學生為例，實訓課程往往涉及一些高壓設備的操作，稍有不當就可能發生安全事故，教學過程中存在安全風險。隨著社會的發展進步，各行各業的新方法新技術都在隨時出現，為培養能夠緊跟行業發展趨勢的技術人員，實驗實訓設備就要及時升級，這使本就緊張的經費更加捉襟見肘。有限元仿真分析是建立在計算機虛擬環境之上的，可根據需要變換不同的工況條件或工作場景開展相關的教學內容。虛擬仿真教學能夠省去設備升級更換的費用，又可緊跟行業發展對教學內容適時作出調整，滿足人才培養的要求[6]。此外，部分專業教學涉及的實驗實訓設備能耗較大，若使用有限元仿真分析代替相關實驗實訓環節，則可節省可觀的能源消耗并實現綠色教學的目標。

2.2? 因材施教

近年來，國家進一步明確了高校包括高職院校的教學培養目標。高校特別是高職院校學生來源復雜，高考、單招、“3+2”等渠道的學生分布在同一個學院同一個專業中，學生的個人素質參差不齊，教學過程中如何把握教學目標變得復雜起來[7]。如何更好地因材施教，使不同層次的學生都能夠學有所得，是所有高校都不得不面對的問題。有限元仿真分析技術的本質是基于計算機強大的計算處理能力綜合考慮分析對象的結構尺寸、材料特點、工作環境、所受荷載等因素，把一個實際問題轉化為計算機能夠處理的數字模型。在數字建模這一過程中，模型的復雜程度完全取決于建模的學生。不管是復雜問題還是簡單問題，有限元仿真分析的流程都是一致的，都由具體學生來決定。學生能力強，引導學生分析解決復雜的問題；學生基礎薄弱，引導學生對基本問題開展分析?？傊邢拊抡娣治黾夹g能夠做到因材施教、因人而異，不同層次的學生在學習過程中都能夠有的放矢、有所收獲。

2.3? 教學主動性強

隨著國家高等教育政策的調整，高等教育越來越大眾化，學生的數量雖有所增長，但質量有所下降卻是不爭的事實。針對這一情況，如何及時恰當地調整教學內容、教學方法以保障教學效果，是所有高校特別是高職類院校應當充分考慮的問題。高職類學生在學習興趣及學習主動性方面不如其他層次學生，積極調動學生興趣，發揮學習主觀能動性，就成為保障教學效果的一個有效措施。當代大學生對互聯網及計算機有與生俱來的親切感，若一門課程與計算機密切相關，那么學生對這門課程的興趣就會更濃厚；若把學習的過程變為游戲中的搭建“基地”及布置“陣型”，那么學生的主動性及學習興趣將會到達峰值，相應的，完成既定學習目標就不再困難。

有限元仿真分析課程滿足上述所有特點，有傳統實操課程不具備的優勢。學生可以在學習過程中天馬行空地探究感興趣的領域，把現有實驗實訓設備無法處理的工況或極端條件下的問題通過數字化建模交給計算機分析處理。學生在教學過程中不再是簡單被動地接收知識，主觀能動性得到積極調動，學習的好奇心最大限度地得到滿足，高校學生特別是高職院校學生學習主動性不強、學習效果差的問題可從根本上得以解決。

2.4? 教學不受時間、空間制約

傳統的素質技能類課程往往要依靠實驗實訓設備才能開展，教學活動必須在相應的實訓教室進行。每學期技能類課程的學時數編排受教學設備及實訓場地數量制約，強調動手實操的課程往往并不能保證每個學生都充分得到實踐操作的機會，教學過程往往流于形式，教學效果不盡如人意[8]。

有限元仿真分析這門課程就不存在上述問題，學生使用一臺具備基本算力的計算機就能跟隨教師進行有限元技術的學習。得益于計算機制造技術的飛速發展及配套元器件成本的下降，計算機已成為大多數學生學習的基本工具，各高校也配置了一定數量的公共計算機供學生日常學習使用。隨著學生學習積極性及學習興趣的提升，學時外的時間學生也能獨自開展學習行為。宿舍、圖書館、自習室都可以成為學生繼續探索有限元仿真分析技術的場地，學習不再受場地及設備要求的限制。

3? 教學改革思考

高校特別是高職院校的主要目標，就是要培養動手能力突出且服務生產一線的技術人才。高校技能類課程及實訓環節設置的初衷就是為了實現這一目標。如何能夠讓學生學好課程、學以致用是廣大高職類院校教育工作者應當思考的問題。雖然實踐實訓環節在各高職院校中都得到重視，但仍舊存在本文中所闡述的問題，導致教學效果難以達到預期。如何針對問題作出有效變革，較好地落實既定政策計劃，圓滿達成教學目標，是當代高等教育工作者必須解決的問題。引入新的教學內容并大膽嘗試新的教學方法，將有限元仿真分析課程引入高職院校的教學中，就是解決問題的一種改革思路[9]。

4? 結論

有限元仿真分析課程引入高職院校教學中，是增強教學效果、適應行業發展的重要教學方式。通過開展有限元仿真分析課程，學生能夠提高學習興趣并提升個人就業競爭力，縮短學校所學與企業所需之間的距離，使今后的職業發展更順利。教學實踐表明，在高職院校推廣有限元仿真分析課程教學，可以使院校、學生、企業多方受益，院校的教學效果得到增強，學生的學習興趣得以激發，企業用人需求得以滿足，因此，在高校特別是高職院校開展有限元仿真分析課程是十分必要的。

參考文獻

[1] 王友，張海波，陳雷，等.基于OBE理念的“有限元分析”課程教學改革探索[J].南方農機，2022，53（12）：156-159.

[2] 屠毅，王良，劉奇元.新工科背景下電工電子技術理論與實踐深度融合教學探討[J].教育現代化，2020，7（32）：177-180.

[3] 周鵬，潘燕.虛擬仿真技術在高職教學中的應用[J].安徽電子信息職業技術學院學報，2015，14（5）：43-45.

[4] 蘇欣.高職院校虛擬仿真教學應用初探[J].工業和信息化教育，2015（2）：56-58.

[5] 施蕙.高職高專計算機專業課程教學改革思路與方法初探[J].江蘇技術師范學院學報，2003（3）：62-65.

[6] 楊洋，朱彩蓮.虛擬仿真技術在高職學院教學中的應用[J].中國現代教育裝備，2007（7）：36-37.

[7] 施祝斌.虛擬仿真技術在高職教學中的應用[J].中國職業技術教育，2013（20）：78-80.

[8] 張明，李良榮.計算機仿真技術在實驗教學中的應用[J].長春師范大學學報，2010，29（12）：117-119.

[9] 黃元亮.仿真技術在高等教育中的應用[J].計算機仿真，2007（12）：291-294，299.

*項目來源：四川建筑職業技術學院課題“新媒體背景下‘三大構成教學模式研究”（課題編號：2017RW07）。

作者：楊陽，四川建筑職業技術學院鐵道工程系，講師，博士在讀，研究方向為電磁干擾分析及仿真；魏晨，四川建筑職業技術學院土木工程系，講師，博士在讀，研究方向為結構物設計及安全評估；李欣，四川建筑職業技術學院建筑藝術系，副教授，研究方向為新媒體教學與應用（618000）。