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有限元分析在高中通用技术课程中的应用

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