以科研為導(dǎo)向的工程結(jié)構(gòu)數(shù)值方法課程改革與探索

孫玉周 常利武 王錦燕

中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院（450007）

《工程結(jié)構(gòu)數(shù)值方法》是我校土木工程、建筑與土木工程專業(yè)碩士研究生的學(xué)位課，是學(xué)生運(yùn)用所學(xué)力學(xué)知識解決實(shí)際問題的橋梁。通過對該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解目前常用的數(shù)值計(jì)算方法，為后續(xù)完成學(xué)位論文及今后從事土木工程技術(shù)工作奠定基礎(chǔ)。以往課堂教學(xué)偏重于基本理論講授及有限元軟件操作，不利于培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新思維，因此在課堂教學(xué)中加強(qiáng)科研能力和創(chuàng)新思維訓(xùn)練顯得十分必要。 在課程教學(xué)過程中，結(jié)合課程教學(xué)內(nèi)容引入科研案例作為教學(xué)例題，可以實(shí)現(xiàn)課程學(xué)習(xí)和科研實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合[1-2]，將“研究性”學(xué)習(xí)貫穿到日常課程教學(xué)中，有利于提升研究生的專業(yè)素養(yǎng)。

1 以科研為導(dǎo)向的課程改革的意義

1.1 開闊學(xué)生視野，增強(qiáng)學(xué)生科研原動力

工程結(jié)構(gòu)數(shù)值方法課程涉及的內(nèi)容理論性很強(qiáng)、公式概念繁多，不少學(xué)生學(xué)起來感覺相對枯燥、缺乏興趣。選取本專業(yè)科研案例作為教學(xué)例題不僅可以增強(qiáng)教學(xué)的深度，還可以拓展學(xué)生的視野[3]。此外，將教師科研工作經(jīng)驗(yàn)和科研實(shí)踐作為教學(xué)案例，尤其是將教師所帶研究生完成的與課程相關(guān)的學(xué)位論文作為課堂案例，可使學(xué)生感覺課程理論應(yīng)用于科研實(shí)踐不再遙不可及，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和科研的熱情，增強(qiáng)學(xué)生科研原動力[4]。

1.2 調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，提高課堂效果

選取科研案例進(jìn)行課堂教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生掌握案例所涉及的理論知識的具體應(yīng)用，激發(fā)其主動學(xué)習(xí)的欲望，提高學(xué)習(xí)課程的興趣。 抽取科研課題的某一部分設(shè)計(jì)為教學(xué)案例，引導(dǎo)學(xué)生去分析問題和解決問題，有利于學(xué)生科研素養(yǎng)的提升。 將教師在科研工作中積累的經(jīng)驗(yàn)及科研成果引入課堂，不僅可以豐富課堂教學(xué)內(nèi)容，還可以促使學(xué)生盡早對文獻(xiàn)查閱、科研選題及試驗(yàn)操作有所了解，從而提高學(xué)習(xí)的主動性，提高課堂教學(xué)效果。

1.3 鍛煉學(xué)生科研思維，提升科研創(chuàng)新能力

由于受導(dǎo)師意愿、學(xué)生能力及科研環(huán)境等因素的影響， 研究生參與課題研究受到了很大限制，所以課堂教學(xué)仍是研究生獲取專業(yè)知識和提高科研創(chuàng)新能力的重要渠道。 將課程組老師所從事的與課程相關(guān)的高水平科研項(xiàng)目作為課堂教學(xué)案例，不僅有助于鍛煉學(xué)生的科研思維，也有助于提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力[5]。 將科研案例融入課堂教學(xué)，鼓勵(lì)同學(xué)們自行搜集資料并開展小組討論，可以提高其探究學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)的能力，有助于學(xué)生科研能力和創(chuàng)新思維能力的提升。

2 以科研為導(dǎo)向的課程改革實(shí)踐

以科研為導(dǎo)向的課程改革強(qiáng)調(diào)科研型教學(xué)案例在課堂教學(xué)中的作用，通過案例教學(xué)將抽象難懂的理論用直觀形象的應(yīng)用案例呈現(xiàn)出來，旨在通過課堂教學(xué)加強(qiáng)學(xué)生科研思維和創(chuàng)新思維的訓(xùn)練，增強(qiáng)學(xué)生的科研體驗(yàn)，提高研究生培養(yǎng)質(zhì)量。 下面介紹的是以科研為導(dǎo)向的課程改革的具體措施[6]。

2.1 調(diào)整優(yōu)化課堂教學(xué)內(nèi)容

研究生教學(xué)應(yīng)遵循以自學(xué)為主、以引導(dǎo)為主的原則，強(qiáng)調(diào)研究性學(xué)習(xí)。 為此，課程改革以增加科研型教學(xué)案例為主線，對課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。 課程所涉及的基本理論知識先由學(xué)生課下自學(xué)，在課堂教學(xué)中精講難點(diǎn)，重點(diǎn)放在有限元、邊界元及無網(wǎng)格法的基本思想、具體案例的程序?qū)崿F(xiàn)過程上。 適當(dāng)減少課上軟件上機(jī)操作學(xué)時(shí)，將部分軟件操作訓(xùn)練作為學(xué)生課下作業(yè)，引導(dǎo)有能力的同學(xué)自己編寫簡單的有限元程序。 在課堂教學(xué)中引入一定量的科研型教學(xué)例題，引導(dǎo)學(xué)生加深對所涉及的基本原理和重要知識點(diǎn)的理解。 通過對例題、程序的講解，使學(xué)生掌握算法的程序設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)的過程，為以后從事科研實(shí)踐或繼續(xù)讀博奠定基礎(chǔ)。 此外，在課程講授過程中， 盡量多引入科研事例來培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣。

2.2 提煉“科研型”教學(xué)專題

以教學(xué)專題進(jìn)行課堂教學(xué)可大幅提高學(xué)生的課程參與度，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。 結(jié)合課程的教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生的科研需要，對課程組教師及所帶研究生完成的課題或科研成果進(jìn)行總結(jié)和歸納，整理出若干個(gè)適合教學(xué)的教學(xué)專題。 根據(jù)課程的內(nèi)容體系，主要引入具體問題的形函數(shù)構(gòu)造過程、剛度矩陣的拼裝步驟、邊界條件的施加方法、有限元和無網(wǎng)格的融合方法、商用軟件的二次開發(fā)等專題。 每個(gè)教學(xué)專題要求學(xué)生分組討論所運(yùn)用到的知識點(diǎn)，鼓勵(lì)優(yōu)秀學(xué)生結(jié)合自己的科研方向查找相關(guān)文獻(xiàn)完成簡單問題的程序驗(yàn)證。

2.3 重視課堂案例的分析過程

重視設(shè)計(jì)案例分析過程，鞏固所用到的基礎(chǔ)理論知識，引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，實(shí)現(xiàn)教學(xué)和科研的深度聯(lián)系。 教學(xué)中采用啟發(fā)式教學(xué)，鼓勵(lì)學(xué)生各抒己見，多增加師生互動環(huán)節(jié)，形成良性的互動式教學(xué)氛圍。 以用無網(wǎng)格法構(gòu)造高階單元的ANSYS 二次開發(fā)課堂案例教學(xué)為例，啟發(fā)學(xué)生思考為何要進(jìn)行二次開發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生正確利用用戶子程序來修改單元的剛度矩陣。 引導(dǎo)學(xué)生思考在遇到單元精度不滿足要求時(shí)該如何應(yīng)對，啟發(fā)學(xué)生利用無網(wǎng)格法形函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)來解決高階單元不易構(gòu)造的問題。 通過對具體科研案例的分析，使學(xué)生理解利用無網(wǎng)格法計(jì)算框架編寫的FORTRAN程序來形成高階單元的思路，通過實(shí)例操作使學(xué)生掌握如何將上述程序鏈接到ANSYS 軟件中，達(dá)到修改整體剛度矩陣的目的。

2.4 改革考核評價(jià)方式

合理的考核評價(jià)方式是客觀評價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)效果，促進(jìn)教學(xué)方法改革的重要途徑。 近年來，隨著高等教育改革的不斷深化，過程性考核作為一種平時(shí)成績的考核方式越來越受到廣大高校教育工作者的關(guān)注。 以科研為導(dǎo)向的工程結(jié)構(gòu)數(shù)值方法課程改革重視過程性考核，考慮到課堂考勤、課程互動、平時(shí)作業(yè)和階段性測試等多元化因素，占總評成績的60%（如表1）。平時(shí)作業(yè)以課程“大作業(yè)”為主，主要為學(xué)生課下自擬題目的上機(jī)操作或給定題目的編程作業(yè)， 旨在激發(fā)學(xué)生的自學(xué)能力和科研興趣；階段性測試主要考核學(xué)生對課程基本知識點(diǎn)和基本原理的掌握情況；課程互動包括課堂教學(xué)互動和網(wǎng)絡(luò)互動兩個(gè)方面。

表1 考核評價(jià)內(nèi)容及比例分配

3 結(jié)語

研究生課堂教學(xué)中以科研為導(dǎo)向的課程改革在培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新思維方面有著重要意義。 以科研能力為導(dǎo)向的工程結(jié)構(gòu)數(shù)值方法課程改革強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)過程的“研究性”，可以實(shí)現(xiàn)課程學(xué)習(xí)和科研實(shí)踐的相互融合，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，有助于學(xué)生以科研為引導(dǎo)的自主學(xué)習(xí)習(xí)慣的養(yǎng)成。 將部分學(xué)院高水平的科研成果作為課堂教學(xué)案例引入課堂，不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、開闊學(xué)生的視野，還有助于研究生科研能力的提高。 引入科研型教學(xué)專題的課堂教學(xué)，可以使學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)的主觀能動性，有利于打造高效課堂。 通過課堂教學(xué)改革讓課程學(xué)習(xí)變?yōu)檠芯可莆諏I(yè)知識和提升科研創(chuàng)新能力的重要渠道，全面提高研究生培養(yǎng)質(zhì)量。