有限元法課程教學(xué)改革研究與實(shí)踐

張 寧

（西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑學(xué)院，陜西 楊凌712100）

近年來(lái)，隨著我國(guó)水利、交通運(yùn)輸、航天航空及機(jī)械工業(yè)的崛起，有限元法已成為現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)的主要方法，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的靜力分析、動(dòng)態(tài)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化中。 現(xiàn)代工程科學(xué)技術(shù)的發(fā)展要求人才具備完整的知識(shí)結(jié)構(gòu)，即為工程實(shí)踐、理論修養(yǎng)與計(jì)算能力三個(gè)方面具有高水平的訓(xùn)練，三者缺一不可，否則在今后的競(jìng)爭(zhēng)中會(huì)變得十分被動(dòng)。理論修養(yǎng)在日常的基礎(chǔ)課與專業(yè)課中積累，計(jì)算能力的提高有多種途徑，應(yīng)用大型商業(yè)通用程序就是其中之一。 ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC 等大型通用商業(yè)軟件的出現(xiàn)， 大大促進(jìn)了有限元技術(shù)在工業(yè)中中的發(fā)展。由于ANSYS 功能強(qiáng)大，簡(jiǎn)便易學(xué)，是首選的通用程序，我?；谟邢拊碚摻Y(jié)合ANSYS 程序開設(shè)面向本科生的選修課程。然而，由于有限元法的理論知識(shí)抽象性大，涵蓋內(nèi)容廣，學(xué)生要在有限時(shí)間內(nèi)掌握有限元法比較困難，對(duì)于如何提高有限元法教學(xué)效果成為一個(gè)急需解決的問(wèn)題，對(duì)此，本文提出針對(duì)有限元法課程教學(xué)改革的一些嘗試。

1 合理針對(duì)性的安排教學(xué)內(nèi)容

本課程的學(xué)習(xí)目的是拓展本科階段工程力學(xué)中的求解方法，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用離散化思想分析問(wèn)題和利用計(jì)算機(jī)程序解決各種實(shí)際工程問(wèn)題，求出問(wèn)題的有限元解的能力，為以后學(xué)習(xí)和工作打下良好的基礎(chǔ)[1]。但是有限元法的運(yùn)用領(lǐng)域非常廣泛，雖然運(yùn)用時(shí)所依據(jù)的基本理論與原理都是一樣的，但是在細(xì)節(jié)上的里還是有專業(yè)的區(qū)別。 例如在有限元的機(jī)械領(lǐng)域和水利領(lǐng)域上有很大的區(qū)別：后者有限元模型一般要比前者復(fù)雜的多，由于前者的材料一般是金屬的，性質(zhì)是線性穩(wěn)定的，而對(duì)于水利領(lǐng)域中的材料一般是非線性的。 而且兩者的各自的計(jì)算結(jié)果的判定和可靠性評(píng)估也不同。因此在教學(xué)過(guò)程中根據(jù)專業(yè)的不同合理安排教學(xué)內(nèi)容，突出教學(xué)重點(diǎn)。合理選用優(yōu)秀的教材，編寫針對(duì)不同專業(yè)的教學(xué)方案，是提高教學(xué)質(zhì)量不可或缺的手段。 由于目前各版本教材比較多，適用范圍也比較廣，一本不適合的教材誤導(dǎo)學(xué)生的自我定位，挫傷學(xué)習(xí)積極性，影響教師的講課，降低學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量[2]。我校選用王新敏的《ANSYS 工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析》，人民交通出版社出版的作為參考教材。

2 采用啟發(fā)式的教學(xué)方法

有限元的內(nèi)容主要包括有限元分析、原理、編程及軟件應(yīng)用。對(duì)于有限元編程來(lái)說(shuō)，面對(duì)大量通用軟件（ANSYS），我們能做的只是二次開發(fā)，增加新的單元、本構(gòu)方程等。 啟發(fā)式教學(xué)在教學(xué)目標(biāo)上，注重知識(shí)，但更強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)思維能力，實(shí)現(xiàn)人的全面發(fā)展[2]。 啟發(fā)式的教學(xué)方法是符合“學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”這種現(xiàn)代教學(xué)思想。 在有限元課堂上進(jìn)行啟發(fā)式教育，更好的發(fā)揮了學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的作用，從而全方位提高學(xué)生的能力，分為如下幾個(gè)方面：

2.1 增加課程內(nèi)容的趣味生動(dòng)性以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，是以學(xué)生為主體的現(xiàn)代教學(xué)理念的落腳點(diǎn)[3]，對(duì)于有限元這門課程主要通過(guò)緒論講解關(guān)于有限元法的歷史資料來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。由于對(duì)歷史資料的分析，可以使學(xué)生了解有限元法的發(fā)展軌跡，通過(guò)前人在有限元研究中的輝煌歷史激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)激情，還可以介紹國(guó)外有限元在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中的典型應(yīng)用來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)有限元法在實(shí)際工程上的典型應(yīng)用來(lái)說(shuō)明學(xué)習(xí)有限元法的重要意義和價(jià)值，以此來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

2.2 討論式教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考

啟發(fā)式教學(xué)的主旨是引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探索積極思維，進(jìn)而提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)。在啟發(fā)式教學(xué)中，教師需要對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行精要，由表及里的引導(dǎo)學(xué)生逐步接近知識(shí)結(jié)構(gòu)。教師在講授課程內(nèi)容的同時(shí)留意學(xué)生學(xué)習(xí)的障礙，并及時(shí)啟發(fā)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，在教師有效的引導(dǎo)下使學(xué)生自覺(jué)的發(fā)現(xiàn)掌握知識(shí)，從而調(diào)動(dòng)他們潛在的能力。 在教學(xué)結(jié)構(gòu)上，教師和學(xué)生之間是一種合作關(guān)系，表現(xiàn)在師生之間的自由探討和對(duì)話[4]。 在探討問(wèn)題過(guò)程中，教師可以在學(xué)生認(rèn)證過(guò)程中設(shè)置疑問(wèn)，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從而解決問(wèn)題鞏固知識(shí)。

3 理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合

現(xiàn)在的大學(xué)生畢業(yè)后選擇工作，作為土木類專業(yè)的畢業(yè)生，大部分企業(yè)里，使用有限元通用軟件是應(yīng)聘的必要要求。 故而有限元課程重點(diǎn)在于教授學(xué)生如何掌握有限元方法， 如何靈活運(yùn)用有限元軟件。在理論教學(xué)過(guò)程中，運(yùn)用動(dòng)畫和視頻展示有限元法在工程上取得的成果，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新欲[5]。目前實(shí)踐環(huán)節(jié)是大多數(shù)大學(xué)教育的一個(gè)普遍存在的薄弱環(huán)節(jié)。 有限元這門課程的理論比較枯燥，只有理論會(huì)讓課程學(xué)習(xí)變得空洞乏力，紙上談兵，缺乏動(dòng)手能力，注重理論與實(shí)踐的結(jié)合是讓學(xué)生更好的掌握這門課程的重要手段。對(duì)于有限元的實(shí)踐主要指是在有限元軟件的使用上。對(duì)于大型通用有限元軟件（ANSYS）的使用本身就是一門學(xué)問(wèn)[6]，這就要求教師增加平時(shí)上機(jī)實(shí)習(xí)的課時(shí)，對(duì)學(xué)生的疑問(wèn)進(jìn)行針對(duì)的指導(dǎo)。 上機(jī)實(shí)踐是學(xué)習(xí)有限元法的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)學(xué)生自己的實(shí)踐，不僅可以加深對(duì)理論和方法的理解，而且可以加強(qiáng)對(duì)實(shí)際綜合能力的培養(yǎng)，激發(fā)進(jìn)一步應(yīng)用和研究的興趣。另外，在上機(jī)實(shí)踐中要強(qiáng)調(diào)軟件實(shí)際工程上的應(yīng)用，因?yàn)樵谄綍r(shí)學(xué)習(xí)中接觸的都是單一的工況、約束問(wèn)題，而在實(shí)際工程中，往往涉及的是整體結(jié)構(gòu)，多種復(fù)雜工況下的具體問(wèn)題。

現(xiàn)在的設(shè)計(jì)工作已經(jīng)大量使用有限元軟件分析，故現(xiàn)在畢業(yè)生掌握一門有限元軟件使用技能，無(wú)疑是在面對(duì)畢業(yè)就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)在同等學(xué)歷的情況下很有力的加分點(diǎn)。

4 考核方式的多樣化

為了調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)的積極性，克服應(yīng)試教育的弊端，使考試成績(jī)能更加真實(shí)的反應(yīng)學(xué)生的能力，我校采用中期課程設(shè)計(jì)考核制度和期末考試成績(jī)相結(jié)合的考核方式。中期的課程設(shè)計(jì)是教師準(zhǔn)備的題目中挑選一個(gè)自己感興趣的題目，在規(guī)定期限內(nèi)獨(dú)立完成，上交報(bào)告。其評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)創(chuàng)新性、實(shí)用性為主要標(biāo)準(zhǔn)，參考學(xué)生實(shí)際情況，給出客觀的評(píng)分。 在期末考核方面主要注重分析和設(shè)計(jì)為主，合理分配試題的難易度、深廣度。

對(duì)于教學(xué)方法和手段是多樣化的，也沒(méi)有固定模式，針對(duì)不同學(xué)生不同專業(yè)不斷進(jìn)行調(diào)整、摸索，合理設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，才能更好的達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。 通過(guò)上述的教學(xué)方法和手段的改革，我校的有限元教學(xué)取得了明顯的效果，學(xué)生的綜合能力得到了提高，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性。 對(duì)于有限元課程的講授任重而道遠(yuǎn)，教師應(yīng)不斷的學(xué)習(xí)與時(shí)俱進(jìn)，探索更科學(xué)的教學(xué)方法和手段，解決在教學(xué)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才不懈努力。

［1］錢瑛,李成,趙華東.教研結(jié)合模式下的機(jī)械類專業(yè)有限元課程研究[J].中國(guó)科技信息,2010(14).

［2］葛藤.《有限元法》本科教學(xué)改革探討[J].科技信息,2010(13).

［3］吳翊.啟發(fā)式教學(xué)再認(rèn)識(shí)[J].中國(guó)大學(xué)教育,2011(1).

［4］王文靜.有限元方法及軟件應(yīng)用課程教學(xué)改革實(shí)踐探索[J].科學(xué)教育論壇，2005(22).

［5］鮑四元.本科生有限元法課程教學(xué)的現(xiàn)狀與若干改革研究[J].課程教育研究，2014(1).

［6］王小榮,林順洪,丁劍平,陳小亮.有限元法課程的教學(xué)改革探討[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2011(6).