土木工程專業(yè)本科有限元課程教學(xué)探索

陳萬祥 馬建軍 林凱榮 黃林沖 黨文剛

摘? 要：文章以土木工程專業(yè)本科有限元課程教學(xué)為例，開展了面向?qū)W術(shù)能力培養(yǎng)的教學(xué)探索研究。在本課程的教學(xué)過程中，任課教師通過基礎(chǔ)理論普及、編程學(xué)習(xí)、軟件學(xué)習(xí)、開放性問題探索、學(xué)術(shù)能力培養(yǎng)等多種方法，提升本科學(xué)生邏輯思維能力、解決問題能力、學(xué)術(shù)能力和學(xué)生學(xué)習(xí)能力，為學(xué)生未來的工作和進一步學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：土木工程;有限元;學(xué)術(shù)能力;探索

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）20-0123-05

Abstract： The optional course Finite Element Method has been taken as an example， through which a research has been undertaken with the aim of training students' academic capability. Measures including fundamental theory study， programming coding， software training， open questions， academic training， etc.， have been adopted to enhance students' logic thinking ability， problems' solving qualification， and academic capability and acquiring knowledge capability， and lay the foundation for the students' future work and further study.

Keywords： civilengineering; Finite Element; academic capability; exploration

近年來，國家高等教育課程改革和探索不斷深入推進，特別是要培養(yǎng)素質(zhì)高、創(chuàng)新力強和與時俱進的新時代人才，以滿足國家創(chuàng)新型社會和經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的需求。2018年8月，教育部等三部門印發(fā)《關(guān)于高等學(xué)校加快“雙一流”建設(shè)的指導(dǎo)意見》，要求高等學(xué)校提升教育質(zhì)量和學(xué)生實踐創(chuàng)新能力。中山大學(xué)積極響應(yīng)國家和大灣區(qū)號召，推行“金課建設(shè)”，淘汰“水課”，提高課程難度和考核要求，進一步提升教學(xué)水平。為了大幅度提升整體教學(xué)水平，貫徹“金課建設(shè)”的指導(dǎo)思想，本科課程在實踐性和理論性等要求方面做了大量的嘗試與實踐。特別是工程設(shè)計、建設(shè)、運維、安全檢測與修復(fù)等內(nèi)容，涉及到理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、工程材料、計算機技術(shù)、數(shù)值計算、傳感器、人工智能等學(xué)科及領(lǐng)域，對學(xué)生在理論分析、實踐操作、計算分析、總結(jié)匯報等方面要求不斷提高。在此背景下，中山大學(xué)土木工程學(xué)院推出了一系列計算類和實踐操作性比較強的專業(yè)選修課程給本科學(xué)生。其中，工程結(jié)構(gòu)智能監(jiān)測與檢測、有限元等課程頗受歡迎。

有限元是一門現(xiàn)代工程計算類工具課，一般作為研究生的必修課程，是工程師進行結(jié)構(gòu)、巖土、地下空間、海洋島礁等方面設(shè)計、建造、評估等必備的計算工具，是新工科建設(shè)的必要專業(yè)技能。有限元作為一門現(xiàn)代計算工具課程，被選為土木工程專業(yè)本科選修課程，為后續(xù)專業(yè)課程提供：科學(xué)認識、問題分析方法和學(xué)術(shù)思維能力。同時，作為一門應(yīng)用十分廣泛的基礎(chǔ)工具課程，也是本專業(yè)研究生必備的工程和學(xué)術(shù)技能。但是，有限元課程具有一定的難度，需要合理安排學(xué)時和學(xué)習(xí)內(nèi)容，才能提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力，提高教學(xué)水平和學(xué)生素質(zhì)。若不能合理地安排學(xué)時和教學(xué)內(nèi)容，將嚴(yán)重影響教學(xué)效果，導(dǎo)致教學(xué)過程中無法保證教學(xué)質(zhì)量，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情也將大大降低。此外，如果不能合理地設(shè)計有限元課程的教學(xué)，很容易會將有限元課程變成某一、兩種計算軟件的教學(xué)課程，導(dǎo)致學(xué)生只能片面地去學(xué)習(xí)操作技能而非有限元的原理和思想。這樣一來，將偏離有限元課程的教學(xué)目標(biāo)和初衷，也無法從根本上提升教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的綜合素質(zhì)。

為改善有限元課程教學(xué)的效果，提升課程質(zhì)量，更好地培養(yǎng)本科生在計算分析和解決問題等方面的能力，從而提升學(xué)生素質(zhì)。本文基于作者在有限元課程教學(xué)和教學(xué)改革中的經(jīng)驗，開展了一系列的有限元課程教改探索。本文將對有限元課程教學(xué)過程中出現(xiàn)的主要問題進行總結(jié)。隨后，針對這些問題，結(jié)合作者的教改實踐進行總結(jié)，并提出一些有利于改善有限元教學(xué)質(zhì)量的建議。

一、有限元教學(xué)面臨的主要問題

（一）有限元基礎(chǔ)不夠扎實

有限元是一門應(yīng)用性強、研究成果豐富、商業(yè)開發(fā)成熟、適用面廣、理論要求高的學(xué)科。在有限元課程的學(xué)習(xí)中，需要從基本的有限元理論和相關(guān)公式的推導(dǎo)出發(fā)，逐步地了解有限元的思想方法和其數(shù)學(xué)內(nèi)涵。因此，有一定的理論基礎(chǔ)，才可以在建模計算中事半功倍，對結(jié)果有基本的分析和判斷。但是在現(xiàn)實環(huán)境中，教學(xué)面臨的主要問題是理論不夠扎實。由于很多有限元課程的經(jīng)典教材雖然體系詳盡知識全面，但是內(nèi)容太多，學(xué)生們看到厚厚的書本就有點畏懼，導(dǎo)致大部分學(xué)生僅僅了解有限元的基本思想，沒有系統(tǒng)深入學(xué)習(xí)有限元基礎(chǔ)理論，導(dǎo)致有限元基礎(chǔ)不夠扎實。此外，大部分學(xué)生沒有精力看理論推導(dǎo)過程，只喜歡直接上手進行建模和計算，從而造成了對有限元基本理論不夠了解，甚至有大部分學(xué)生覺得基礎(chǔ)理論不重要，只要會操作即可的思想。這兩種考慮基本上是同步發(fā)生的，導(dǎo)致的結(jié)果確是相同的：重視操作技術(shù)，忽視理論基礎(chǔ)。

在這種情況下，很多學(xué)生在學(xué)習(xí)有限元課程的過程中由于沒有打牢基礎(chǔ)，最終導(dǎo)致缺乏對有限元基本原理，以及計算建模過程中對必要力學(xué)知識的認識和理解。這樣一來，在建模和計算過程中很容易造成這些學(xué)生在處理“邊界條件”“材料屬性”“單元類型”等問題上不夠成熟，甚至因此造成計算錯誤。不僅如此，由于缺乏基本的理論知識，很多學(xué)生甚至無法判斷和評估這些錯誤的原因，只能重復(fù)建模，導(dǎo)致事倍功半，學(xué)習(xí)興趣和熱情也逐步喪失。這些問題的根源實際上都是由于學(xué)生在有限元知識方面的基礎(chǔ)不夠扎實，對于有限元的基本思想、核心原理的認識和理解不到位。造成這種現(xiàn)象的原因很大程度上可以歸結(jié)到教師在教學(xué)過程中對于課程設(shè)計、教學(xué)方案和教學(xué)目標(biāo)的把握不到位上來。在教學(xué)實踐過程中，由于有限元思想和方法大多以復(fù)雜的公式呈現(xiàn)，造成了教學(xué)過程中，教師因為擔(dān)心教學(xué)效果和學(xué)生難以理解而跳過這部分教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生對有限元基本知識和基本原理的了解不充分，最終只能將有限元“等同于”各自計算軟件或其操作。