工程應(yīng)用驅(qū)動(dòng)下的《有限元基礎(chǔ)》本科教學(xué)改革探討

黃博 崔曉璐

摘? 要：有限元法是工科本科生解決工程實(shí)踐問(wèn)題的重要方法，也是未來(lái)工程設(shè)計(jì)中不可或缺的一種重要方法。由于傳統(tǒng)的教學(xué)方式不能很好地適用于工程應(yīng)用驅(qū)動(dòng)下《有限元基礎(chǔ)》課程的開展，該文對(duì)該課程在教學(xué)體系、教學(xué)方式和教學(xué)評(píng)估的改革進(jìn)行探討，以提升教學(xué)效果，為促進(jìn)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新探索能力，為應(yīng)用高級(jí)型人才的培養(yǎng)提供全新思路。

關(guān)鍵詞：有限元基礎(chǔ)? 教學(xué)改革? 本科教學(xué)? 工程應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）07（c）-0107-03

Discussion on Undergraduate Teaching Reform of “Finite Element Foundation” Driven by Engineering Application

Huang Bo1? Cui Xiaolu2

（1.College of Civil Engineering， Chongqing Jiaotong University;2.College of Mechatronics & Vehicle Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing， 400074 China）

Abstract： Finite element method is an important method for engineering undergraduates to solve engineering practice problems， and it is also an indispensable and important method in future engineering design. Because the traditional teaching method is not suitable for the development of the course of "Finite Element Foundation" driven by the engineering application， the reform of teaching system， teaching method and teaching evaluation are discussed in present paper. It is helpful to improve the teaching effect， promote students' engineering practice ability and innovative exploration ability， and provide new ideas for the cultivation of the advanced application-oriented talents.

Key Words： Finite element foundation; Teaching reform; Undergraduate teaching; Engineering application

1? 《有限元基礎(chǔ)》課程教學(xué)改革的意義

隨著“工業(yè)4.0”和中國(guó)制造2025的提出，要求產(chǎn)品的設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜和精密，也進(jìn)一步要求產(chǎn)品性能的預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確和快速，同時(shí)對(duì)于現(xiàn)今產(chǎn)品的制造也迫切需要更多的新型加工方式。在產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程的具體設(shè)計(jì)階段，一般使用計(jì)算機(jī)輔助制圖、輔助設(shè)計(jì)、輔助分析及動(dòng)態(tài)分析，即計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，主要有CAD技術(shù)（Computer Aided Design）和CAE技術(shù)（Computer Aided Engineering）。CAD技術(shù)可以用于圖形的設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期，加強(qiáng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化。CAE技術(shù)可以基于多種數(shù)學(xué)理論模型，快速進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助分析計(jì)算，保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在多種并行設(shè)計(jì)條件下的合理性，并通過(guò)與可靠性和優(yōu)化設(shè)計(jì)等技術(shù)的結(jié)合，提出優(yōu)化方案?；诒究粕捌贑AD的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)階段結(jié)合有限元軟件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行CAE分析。有限元法作為一種廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)中的有效計(jì)算方法，從事設(shè)計(jì)計(jì)算的工程技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解和掌握有限元法的基本原理和基本過(guò)程，特別是對(duì)機(jī)械、土木、力學(xué)等專業(yè)的工科學(xué)生，許多工程問(wèn)題都可以用有限元法求解，因此，在工程應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)下，為促進(jìn)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新探索能力，實(shí)現(xiàn)高級(jí)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，對(duì)工科專業(yè)本科生有限元課程的實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行探索和研究勢(shì)在必行。

通過(guò)走訪多家用人單位，普遍反映目前本科畢業(yè)生的工程應(yīng)用能力較為欠缺，未能達(dá)到企業(yè)所需高級(jí)應(yīng)用型人才知識(shí)、技能和素質(zhì)的要求。反饋到人才的培養(yǎng)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)缺乏針對(duì)性、創(chuàng)新性，實(shí)踐學(xué)時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論學(xué)習(xí)，學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)訓(xùn)練較為薄弱。究其原因，主要表現(xiàn)在教學(xué)體系、教學(xué)方式和教學(xué)質(zhì)量評(píng)估方面。針對(duì)《有限元課程》這門課程，該文將從以上3個(gè)方面展開，對(duì)該課程的教學(xué)改革進(jìn)行探討。

2? 《有限元基礎(chǔ)》課程教學(xué)改革探討

2.1 教學(xué)體系

工科人才需要極強(qiáng)的實(shí)踐動(dòng)手能力，在現(xiàn)有的工科教學(xué)體系中，首先，課程內(nèi)容和工程應(yīng)用脫節(jié)較大。目前對(duì)于有限元課程選用的教材大多側(cè)重于力學(xué)公式的推導(dǎo)，工程案例較少，讓學(xué)生無(wú)法在學(xué)習(xí)這門課程的過(guò)程中將其應(yīng)用于工程實(shí)踐。并且，理論課程比重較大，工程實(shí)踐訓(xùn)練在學(xué)分比重上較比以往有所提高但受限于實(shí)習(xí)場(chǎng)地等因素而流于形式，缺少構(gòu)建面向工程應(yīng)用知識(shí)結(jié)構(gòu)的實(shí)踐內(nèi)容，理論學(xué)習(xí)和工程實(shí)踐嚴(yán)重脫離，導(dǎo)致學(xué)生畢業(yè)后在面對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題中，無(wú)從下手。因此，對(duì)于工科專業(yè)本科生開設(shè)的《有限元基礎(chǔ)》這門課程，需要在教學(xué)體系的改革中，以工程應(yīng)用為驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向，將理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)融合，穿插進(jìn)行，并且通過(guò)這種方式將專業(yè)課程之間搭建連接平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全周期教學(xué)體系的綜合優(yōu)化。

首先，針對(duì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，在課程體系中應(yīng)當(dāng)加大工程實(shí)踐學(xué)分的占比，可以安排為理論課程和實(shí)踐課程1：1的分配，通過(guò)理論課程的學(xué)習(xí)，及時(shí)在實(shí)踐課程中操作應(yīng)用，有效將理論課程和工程實(shí)踐相結(jié)合，讓學(xué)生在掌握理論知識(shí)的同時(shí)，將其應(yīng)用于實(shí)踐操作。這里可以在有限元理論課程的安排上輔以有限元典型商業(yè)軟件Abaqus、Ansys、Midas的學(xué)習(xí)。然后，在課程的教學(xué)內(nèi)容上應(yīng)當(dāng)將有限元原理與工程軟件的操作相結(jié)合。比如，在梁結(jié)構(gòu)有限元分析的講解中，理論課程可以安排梁結(jié)剛度矩陣的建立，引入約束條件，求解桿件上每個(gè)單元的力-位移關(guān)系，并設(shè)置相應(yīng)的計(jì)算案例。上機(jī)實(shí)踐課程則可以結(jié)合工程實(shí)際安排梁結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析，結(jié)合專業(yè)特色，對(duì)橋、房屋、起重機(jī)械等進(jìn)行分析?；诶碚撜n程的所學(xué)的有限元機(jī)理，通過(guò)理論推導(dǎo)和數(shù)值仿真對(duì)比驗(yàn)證，將理論課程和工程實(shí)踐融會(huì)貫通。

2.2 教學(xué)方式

現(xiàn)有的有限元課程教學(xué)方式較為單一，大多仍采用教師為中心的單向傳授知識(shí)模式，在工科專業(yè)的授課內(nèi)容上仍是對(duì)結(jié)構(gòu)原理、計(jì)算分析、經(jīng)典例題進(jìn)行講解。在這種模式下，學(xué)生知識(shí)被動(dòng)地接受，課堂交互性較差。盡管目前網(wǎng)絡(luò)課堂和翻轉(zhuǎn)課堂已經(jīng)取得了一定功效，但如何做到課堂生動(dòng)、學(xué)生主動(dòng)，仍是一個(gè)難題。因此，在教學(xué)方式的改革中，需采用混合教學(xué)模式，充分結(jié)合網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和理論教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，運(yùn)用多種新型教學(xué)方法以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)真正意義上的翻轉(zhuǎn)課堂。

在教學(xué)方式的改革上，應(yīng)采用智能化的教學(xué)方式貫穿課前、課上和課后?！坝暾n堂”作為一款適用于工科教學(xué)的智能化教學(xué)工具，能夠?qū)⑿畔⒓夹g(shù)、PPT和微信結(jié)合，把課前、課上、課后貫通，將面對(duì)面的教學(xué)方式和線上學(xué)習(xí)的方式融合，推進(jìn)學(xué)生和老師的互動(dòng)交流。課前教師可以把視頻、課件等教學(xué)資料發(fā)布，學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)在線的預(yù)習(xí)，教師可以通過(guò)了解學(xué)生的預(yù)習(xí)情況。課堂學(xué)習(xí)中，學(xué)生通過(guò)對(duì)教學(xué)內(nèi)容不懂處進(jìn)行標(biāo)注，讓教師得到相應(yīng)的教學(xué)數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整授課進(jìn)程。教師也可實(shí)時(shí)發(fā)布聯(lián)系，檢驗(yàn)教學(xué)效果。同時(shí)，雨課堂的“彈幕”功能可以加強(qiáng)師生間的即時(shí)溝通，調(diào)動(dòng)課堂氛圍。課后復(fù)習(xí)，雨課堂的資料保存可以使學(xué)生隨時(shí)對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行回顧。

2.3 教學(xué)評(píng)估

教學(xué)評(píng)估是提高教育教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵舉措，制定科學(xué)合理的高校課堂教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系尤為重要。目前對(duì)于教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)評(píng)估，大部分通過(guò)理論考試的成績(jī)來(lái)評(píng)定，而實(shí)踐考核僅為最后考核的一小部分，不能完全反映教學(xué)質(zhì)量的考核水平。并且，沒(méi)有明確的反饋機(jī)制來(lái)持續(xù)改進(jìn)專業(yè)的培養(yǎng)過(guò)程。因此，在教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)評(píng)估體系的改革中，需基于工程認(rèn)證的OBE理念，以學(xué)生為中心，以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，建立完善的評(píng)價(jià)體系和反饋機(jī)制。

在有限元課程中，可以在考核體系中構(gòu)建以考試、上機(jī)報(bào)告和專題分析的課堂評(píng)價(jià)體系?？荚囍饕才庞谄谥泻推谀?，是評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握和理解程度;上機(jī)報(bào)告主要安排在每次上機(jī)后提交的作業(yè)，是評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)和軟件實(shí)踐的綜合運(yùn)用能力;專題分析主要安排在學(xué)期末的結(jié)合專業(yè)特色的工程問(wèn)題分析，是反映學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探索創(chuàng)新的能力。這種評(píng)價(jià)方式兼顧理論和實(shí)踐，能有效打破傳統(tǒng)評(píng)價(jià)的單一性。

3? 結(jié)語(yǔ)

有限元方法是未來(lái)工程設(shè)計(jì)中不可或缺的一種重要方法，對(duì)于工科專業(yè)的本科生，學(xué)習(xí)并掌握有限元方法對(duì)其具有重要意義。由于傳統(tǒng)的教學(xué)方式不能很好地適用于工程應(yīng)用驅(qū)動(dòng)下《有限元基礎(chǔ)》課程的開展，因此，在教學(xué)過(guò)程中，需不斷改進(jìn)教學(xué)體系，教學(xué)方式和教學(xué)評(píng)估，理論實(shí)踐相結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生“理論知識(shí)、工程實(shí)踐、創(chuàng)新探索”能力的全面發(fā)展。

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