有限元分析在高中tongyong技术课程中的应用

摘"要：有限元分析是一种借助计算机进行虚拟试验的技术，已在工业领域广泛应用。该技术在中学课堂中也具有重要的应用价值。高中通用技术课程包含大量结构与力学相关的内容，而传统讲授方式较为抽象、晦涩，不利于学生理解和掌握。此外，受时间、物力等条件限制，部分技术活动难以开展，尤其是开放性问题，难以激发学生的发散性思维和探索精神。分析将有限元分析技术引入该学科的优势，并展示若干实用案例，探讨该技术在高中通用技术课程中的应用价值。关键词：有限元分析；高中；通用技术课程；虚拟仿真0"引言高中通用技术课程立足于实践，注重培养学生的创新思维和动手能力，因此具有独特的学习方式和要求。通过引入教育技术，改变传统授课方式的不足，运用教育技术方法，改变传统教学模式和学生学习方法、构建新课程资源，是实现通用技术课程目标的重要手段[1]。同时，该课程当前教学也面临如何提高学生的主体性和趣味性的问题[2]。在教育领域，对多媒体技术、互联网技术和人工智能技术的应用等已有较多研究，并取得了丰富成果。但对有限元分析技术在高中通用技术课程中的应用研究却较少。因此，本文探讨该技术在高中通用技术课程的应用价值，并提供若干应用实例。1"传统授课方式的不足1.1"不利于直观展示与理解掌握高中通用技术课程如果采用传统授课方式，即主要通过语言描述、结合简易的示意图的方式，难以对较为抽象的知识点进行直观展示，不利于学生理解与掌握。例如，壳体受力沿表面分散和传递的特性，仅通过语言表述较为抽象；横梁受下压力时出现中性面的现象如果仅靠语言描述与简易示意图进行讲授，学生难以在脑海中形成清晰的画面，进而导致理解困难；加固直角边缘的问题，在“结构的形状影响结构的强度”相关知识点讲授中，教师仅用语言描述“通过加入圆角、凸缘等形状可缓解应力集中”，学生不仅难以理解，也难以明白为何添加这些形状就能打破应力集中，甚至对应力集中这一现象本身也难以理解。这类较为抽象的现象，仅依靠传统示意图是难以有效表达的。1.2"体验活动受到限制在教学活动中，采用实物教具进行演示或试验的环节具有难以替代的价值。通过实物进行展示，有利于直观呈现教学内容、促进学生参与教学过程、实践体验，帮助其掌握并深入理解知识。然而，实物教具的应用存在一定局限性。器材的准备情况、课堂时间等因素，在很大程度上限制了实物教具的使用范围和使用效果。在实际教学中，教师往往只能严格按照备课时预先设计的流程，用预先制作好的实物教具开展教学活动，难以进行灵活调整与拓展，极大地限制了学生的思维拓展与自主探索，不利于培养他们的创新思维与发散性思维。当学生提出与预设方案不同的解决思路时，固定的实物教具难以进行相应的试验，无法满足他们对知识探索的需求。以悬臂梁结构改进试验为例，这是一个开放性问题，答案并非唯一。学生在体验教师提供的典型方案（如利用绳索在悬臂梁上方进行牵拉，模拟斜拉索桥结构增强稳定性）后，通过独立思考，可能会提出一些探索性和创新性的想法，比如在悬臂梁下方增设支撑杆、用刚性支撑杆替代柔性的拉索、支撑结构不用三角形改用四边形等。此时，如果教师忽视学生的这些思考，或者仅给予简单的口头肯定，而没有进一步的分析与验证，学生将无法从实践中获得成就感和认同感。这不仅不利于激发和培养学生的好奇心和兴趣，也不利于营造积极活跃的教学氛围。2"高中通用技术课程结合有限元分析的优势有限元分析是一项借助计算机进行虚拟试验、模拟仿真的技术。经过长期发展，该技术已较为成熟，并涌现出大量技术完备且实用的有限元分析软件供用户选择。例如ANSYSWorkbench是一款性能已获得普遍认可、被广泛采用的有限元软件，本文中的案例也是采用该软件制作的。同时，有限元分析领域已较为成熟和商业化，因而上手难度不大，实践可行性高。尽管引入新技术会对教师的知识和技能以及可用设备提出更高要求，但合理使用新技术仍值得尝试。以下将结合有限元分析技术，针对上面提出的两个困境展开探讨。2.1"促进直观和理解在教学中运用有限元分析生成的云图和动画具有独特且重要的意义。从展示效果来看，这些图像具有高度的直观性和真实性。例如，力在壳体结构表面的传递与分散、横梁受压后出现的中性面现象等，这些原本抽象且晦涩难懂的知识，通过有限元分析生成的可视化图像，能够以更直观、更易理解的方式呈现给学生，从而帮助他们更好地理解和掌握相关知识。此外，从科学性角度来看，有限元分析生成的图像并非人为直接绘制，而是基于科学理论由经过长期研发和实践检验的成熟软件生成。因此，其结果具有更高的科学性和可信性。相比之下，传统的绘图或动画制作软件主要依赖人为操作和设定，缺乏科学理论的严格约束，容易出现科学性错误。而有限元分析软件能够进行精确且符合科学理论的模拟和呈现，不仅提升了展示的直观性和可视化效果，也确保了所呈现内容的科学性和可信性。2.2"丰富技术活动有限元分析方法并不能完全取代实物演示，但可以作为有力的补充。例如在上文提到的悬臂梁结构改进案例中，教师可以在学生完成实物体验后，利用有限元软件制作学生提出的其他改进方案的虚拟模型，并展示这些因条件限制无法进行实物验证的改进方法的有效性。教师还可以通过有限元分析进行补充讲解、深化学生理解或拓展相关知识。有限元分析本身是一种虚拟试验方法，属于技术试验中一种重要的类型。作为一种虚拟试验，它允许教师设置更大胆的初始条件，无需担心器材损坏或安全隐患，从而将试验活动提升到更高层次，而不再局限于简单验证。在思考“因实物试验条件不足而采用虚拟试验”的过程中，学生能进一步理解虚拟试验的意义和价值，加深对技术试验相关知识点的学习和理解。此外，虚拟试验方式能更好地控制变量、排除干扰因素，增强试验结果和结论的说服力。3"有限元分析在高中通用技术课程应用的案例3.1"悬臂梁试验悬臂梁结构改进试验可用于“物体的结构影响其功能”“结构的强度”等知识点的教学。在教学中，教师可让学生对悬臂梁进行结构改造，通过加入加固支撑结构，提高悬臂梁的强度，减少悬臂梁挂载重物后弯曲下垂的程度，从而让学生理解结构的改变影响功能，且不同的结构具有不同的功能，以及增加三角形结构的方式增加悬臂梁强度的效果最好。但这一问题具有高度开放性，适宜让学生进行多种不同改进方式的尝试和探索。如果采用实物试验方式，会受到时间、物力等条件的限制，学生能通过试验尝试的改进方式较为有限。而且不能加载过大的载荷或者持续展示较长时间，否则可能损坏器材影响继续使用。因此，教师可根据学生常提出的、感兴趣的或较新颖的，但因实物试验的条件限制而难以试验和展示的解决方案，运用有限元分析技术进行虚拟试验，突破实物试验的局限，拓展试验内容。例如，在实际教学中教师准备了绳索、重物和悬臂梁模型，引导学生自己动手，通过把绳索套在上方进行牵拉以加固悬臂梁。思维活跃的学生随即提出“如果换成在下方增加支撑杆呢？”“如果把拉索换成支撑杆呢？”等疑问，但此时教师没有足够的时间和条件把实物模型进行多次拆卸、改造、再试验。在讲解结构的强度相关知识时，尽管学生通过书本知识已经了解到加入三角形支撑时效果最好，但他们仍会产生新的疑问，如“换成加入正方形效果就会差很多吗？”“三角形不装在下方，装在上方行不行呢？”面对这些情况，教师可以在实物试验的基础上，进一步通过虚拟试验展示不同改进方案的效果，提供更具说服力的可视化内容。这不仅能帮助学生清晰地理解在何处加入何种结构支撑效果更好，还能进一步确认三角形支撑的优越性，从而促进知识的深化，激发学生的学习兴趣和热情。如图1所示。3.2"壳体结构的特点在常见结构类型相关章节中，“壳体结构通过壳形传递力和承受荷载”是一个重要知识点。但对高中生而言该知识点仅用语言描述较为抽象和难以领悟，因而教师可采用动画展示的方式促进学生的直观观察和理解。为此，可通过有限元分析模拟该力学过程并生成动画，比如设定一个半球体的壳体结构在上方受到一个压力载荷，同时下方边缘受到支撑的场景，学生可以更直观地观察力在壳体结构上的传递与扩散过程，如图2所示。3.3"梁的中性面横梁和悬臂梁在受到压力载荷时，会呈现出独特的力学现象。受压力载荷后梁的上端和下端分别承受性质相反的力（即上端受压力、下端受拉力），而中间有一部分结构两种力均不承受，称为中性面现象。该知识点较为抽象，仅仅通过语言描述或由线条组成的较为简易的示意图进行讲解难以让学生形成直观认识。因此，通过有限元分析生成的云图能较为直观、可视化地呈现中性面，帮助学生理解。两种梁的中性面现象分别如图3和图4所示，这些图示不仅有助于讲授中性面这一知识点，也为进一步讲解工字梁设计的力学原理做铺垫。同理，可借助有限元分析生成的云图，向学生直观展示和讲解工字梁在压力载荷下同样存在中性面现象。由于中性面区域不受拉力和压力，因此在实际应用中，工字梁的中间段常被挖空或设计得较窄，以实现进一步减重，如图5所示。3.4"应力集中现象和加固方法在生活中，许多学生通过经验或其他方式已经了解了可以通过增加圆边、加强筋、支撑柱等方式提高结构的强度，但认识往往只停留在经验和常识层面，学生并不清楚其中的原理，也未能形成系统的知识体系。当教师需要对该做法的原理进行讲解时，首先需要阐释什么是应力集中现象，再解释需要在容易发生应力集中现象的脆弱部位进行加强的原因。如果仅依靠语言描述“边角部位应力较大，导致这些部位的结构容易被破坏”，知识对学生而言是抽象、难以理解的。因此，教师可通过有限元分析生成的云图和动画进行直观展示并结合语言讲解。如图6所示，图中可见在材料的两个相对垂直部分开始发生相对位移，直角形状的转角处应力较大，因而需要在这些部位采取改进和强化措施。通过这种方式，让抽象知识具象化，帮助学生更好地理解和掌握相关知识。3.5"重心位置与结构的稳定性在结构稳定性相关章节中，“结构的重心位置影响结构稳定性”是一个重要知识点。目前，常用的课堂试验方法是准备若干个装有不同水量的矿泉水瓶。由于装水量不同，瓶子的质量和重心高度也不同。将这些瓶子放在一块板上并逐渐倾斜板子，让学生观察不同重心高度的瓶子倾倒的顺序，从而得出结论。该试验方法具有较高的可操作性，试验条件要求也不高。但在思维活跃的学生眼里，该试验方法未能控制变量，各个矿泉水瓶总质量并不相同，导致摩擦力等因素的作用也不相同，从而使试验结果的可信性存疑。因而对该试验进行优化的一个重要方向是让各个试验模型的重心位置不同但质量相同。这就对实物教具的制作提出了更高的要求，需要设计制作专用的试验模型。如果受条件限制，教师难以设计制作实物试验模型，有限元分析技术提供了另一种解决方案。首先在计算机软件上绘制虚拟模型。建模时，设计明显质量相同但重心高度不同的结构，如图7所示。然后在有限元分析软件上设定它们处于相同的初始倾斜角度并进行模拟，同时生成动画。从动画中清晰可见，重心低的模型没有倾倒，保持着初始状态，较为稳定；重心高的模型发生倾倒，稳定状态被破坏，如图8所示。通过这种方法进行技术试验，不仅使试验结果直观可见，还提高了结果的可信性和说服力，同时体现了技术试验的科学性和严谨性。4"建议通过有限元分析生成的云图和动画展示知识点，能把原本抽象的内容直观化、具象化，促进学生理解和掌握，显著提升教学效果。以下对在高中通用技术课程中应用有限元分析提出几点建议。1）补充和扩展技术活动。有限元分析技术是丰富、拓展课堂演示和试验活动的重要手段。传统的实物教具演示或试验往往受到器材准备、课堂时间等因素的较大限制。而有限元分析技术能够突破这些限制，通过虚拟试验的方式，实现那些因条件不足而无法开展的演示和试验，上文提到的悬臂梁结构改进试验就是很好的例证。2）协助内容取向。有研究指出，当学生所思考和创造的结果具有实际意义或社会效益时，他们往往能够获得更好的学习效果[3]。因此，在选择技术活动和试验内容时，应更多地考虑这一方面。有限元分析作为一种高度脱离实物和现场条件约束的虚拟试验方法，能够帮助构建贴合实际需求、体现现实意义的情境，以开展技术活动和试验。例如，可以对一件家具进行虚拟试验。3）厘清虚拟试验与实物试验的关系。虚拟试验不应完全取代直观的实物试验，二者应相互补充、协同作用，共同服务于教学目标。虚拟试验也不能取代教师对知识点的讲解，应作为辅助手段促进教学效果的提升。此外，仿真模拟的内容应紧密围绕学生的疑问和兴趣，帮助他们理解和构建知识体系，避免陷入为展示而展示的误区。4）虚拟试验的独立使用情境。在无法开展实物演示和试验的情况下，可以单独使用有限元分析等虚拟试验方法。虚拟试验不仅可以直观地展示课本内容，