模擬和實驗併重的研發流程，藉由課程的設計來培養工程師虛實整合的能力
本文內容參考自Hexagon Design & Engineering Education User Conference 2025
模擬軟體是研發過程中很重要的工具，設計實驗來驗證往往也是工程師解決問題的方式。然而，學校教育或者業界在實務上，工程師往往都是只聚焦其中一個項目，能夠將模擬與實驗完整串接解決工程問題，就更加難能可貴。
「紙上談兵」往往是學校教育的最大痛點。學生在電腦螢幕上操作軟體、跑出漂亮的色彩圖，卻缺乏實際解讀這些數據以及對應現實物理實驗的經驗。斯泰倫博斯大學的講師 Philip Likat 針對這一挑戰，分享了他們如何將四年級的有限元素分析（FEA）課程，從枯燥的教科書練習轉變為一場結合模擬（Simulation）與實驗（Experimentation）的實戰演練。
課程改革
過去的 FEA 課程多半專注於懸臂樑的計算，Philip 指出這類問題非常乏味。為了吸引更多學生選修並提升教學品質，他們重新設計了為期 12 週的模組：
• 前 6 週： 專注於基礎理論，學生以紙筆做計算練習。
• 中介橋樑： 使用客製化的 Python 程式碼（類似簡化版的 Nastran），讓學生在操作商業軟體前，先理解節點、自由度與負載的底層運作。
• 後 6 週： 進入 MSC Apex 建模實務，並執行本次改革的核心——四輪摩托車（ATV）控制臂專案。
ATV 懸吊系統的控制臂分析
專案模擬了真實的工業流程。教學團隊向學生提供了一份 2 到 4 頁的工程簡報，以及完整的製造圖，告知他們這是一個更新後的設計，需要評估其在特定負載下是否適用。
為了增加挑戰性，團隊刻意在每位學生的控制臂長度上設計了細微差異，確保每個人都必須獨立完成自己的模型建模。
亮黃色的實驗裝置
Philip 不希望學生只是觀察機器運作。為了讓學生能親自動手感測，團隊設計了專門的實驗裝置：
1. 物理測試： 裝置被塗成鮮艷的亮黃色以激發學生的興趣，並使用 5kg 到 25kg 的簡單法碼進行加壓。
2. 數據校準： 學生必須讀取**應變規（Strain Gauges）**的數據來驗證其 FEA 模型。
3. 整合動力學： 課程結合了 MSC Adams 的模擬數據，提供 ATV 衝擊地面時的複雜負載 CSV 檔，要求學生自行解讀並轉換為邊界條件。
「刻意設計」的工程陷阱
專案中隱藏了一些寶貴的教訓：
• 應變規的位置： 團隊故意在應力極小的地方放置一個應變規，讓學生發現，若感測器位置不當，模擬與實驗的驗證將會失敗。
• 網格校準 vs. 驗證： 許多學生錯誤地透過調整網格大小來「湊」出實驗結果，而非進行獨立的網格收斂研究。Philip 提到，當學生意識到這個邏輯錯誤時，那是教學中最關鍵的時刻。
• 同儕審查： 專案最後要求學生撰寫正式工程報告，並扮演「首席工程師」的角色互相審查，這完整閉合了從分析到決策的工程循環。
不僅是找到答案，而是學會思考
在最終評估中，雖然大多數學生正確判斷該零件不適用，但 Philip 發現許多人是因為設定了錯誤的負載方向而得出此結論。這正是課程的意義所在—讓學生在受控的環境中看見自己模型的錯誤，並學會對模擬結果抱持懷疑與驗證的態度。
展望未來，Philip 計畫調整負載案例，使其處於失效與否的臨界點，以強迫學生進行更深層的技術調查。這場改革不僅提升了課程的趣味性，更為未來的工程師們搭建了一座通往現實業界的橋樑。
原文內容: Bridging Simulation and Experimentation, Hexagon Design & Engineering Educational User Conference 2025