基于科研需求的研究生課程 “機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析”教學(xué)改革探討

馬宗民 王珍 李淑嫻

摘? ? 要：科研能力培養(yǎng)是研究生教育的本質(zhì)，課程學(xué)習(xí)是研究生培養(yǎng)的一個重要環(huán)節(jié)。文章從研究生科研任務(wù)需求出發(fā)，探討研究生課程“機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析”教學(xué)改革。在分析課程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，闡明有限元分析法在科學(xué)研究中的地位和作用，并以接觸分析為例說明有限元分析的基本步驟，通過分析有限元接觸分析相關(guān)科研論文，學(xué)習(xí)了解科研選題原則、數(shù)據(jù)獲取等科研課題實(shí)施步驟，在進(jìn)行有限元知識學(xué)習(xí)的同時深入理解科研的基本方法和流程，實(shí)現(xiàn)“機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析”課程學(xué)習(xí)和科研需求的融合。

關(guān)鍵詞：研究生教育;科研能力;有限元分析

中圖分類號：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1002-4107（2022）04-0060-02

研究生教育是一種高層次教育，是人才培養(yǎng)的重要形式，擔(dān)負(fù)著高層次人才培養(yǎng)的重要任務(wù)?？茖W(xué)研究是研究生教育的主要特征。美國學(xué)者克拉克指出，研究生教育

“以科研為首要的成分， 教授的作用在于把科研和教學(xué)結(jié)合起來——科研活動十分恰當(dāng)?shù)爻蔀橐环N教學(xué)模式。學(xué)生的作用就是把科研和學(xué)習(xí)結(jié)合起來——科研活動轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N學(xué)習(xí)模式”[1]。北京航空航天大學(xué)的馬永紅認(rèn)為，研究生教育的主要形式是“學(xué)習(xí)者”和“研究者”角色并行[2]43。武漢大學(xué)姚金雨認(rèn)為，科學(xué)研究的“探究性”是研究生教育的首要本質(zhì);教育過程的“專業(yè)性、創(chuàng)新性、學(xué)術(shù)性”是研究生教育的次要本質(zhì)[3]?？梢?，科學(xué)研究是研究生教育最主要的特征，是研究生教育的核心和本質(zhì)。科學(xué)研究要貫穿研究生教育的整個過程。

研究生教育包括課程學(xué)習(xí)、研究訓(xùn)練及創(chuàng)新實(shí)踐三個基本環(huán)節(jié)[2]46。課程學(xué)習(xí)是研究生教育的基礎(chǔ)，服務(wù)和促進(jìn)科學(xué)研究。研究生課程教育具有學(xué)術(shù)性的教學(xué)性質(zhì)、前沿性的教學(xué)內(nèi)容、研究性的教學(xué)過程、豐富性的教學(xué)方

式，以及規(guī)范性的教學(xué)評價等特征[4]。研究生課程體系主要由基本理論課程、基礎(chǔ)知識課程、研究方法工具性課程和學(xué)術(shù)史課程等課程板塊構(gòu)成[5]?！皺C(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析”作為研究方法工具性課程，是為機(jī)械工程專業(yè)碩士研究生開設(shè)的一門課程。“機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析”課程如何開展，作為研究方法工具性課程如何與科研需求相融合，是需要深度思考的問題。

一、“機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析”課程特點(diǎn)

當(dāng)前科學(xué)研究主要有理論、實(shí)驗和數(shù)值模擬三種研究手段。數(shù)值模擬是隨著計算機(jī)和數(shù)值方法的發(fā)展而發(fā)展起來的一種理論數(shù)值求解方法。有限元分析法是數(shù)值模擬方法的一種，適用性和靈活性較強(qiáng)，廣泛用于連續(xù)介質(zhì)及場問題的求解。有限元分析法在機(jī)械電子、土木工程、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域均已廣泛使用，當(dāng)前已發(fā)布了《機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有限元力學(xué)分析通用規(guī)則》《均勻徑向荷載下金屬血管支架有限元分析方法指南》《電子裝備結(jié)構(gòu)有限元力學(xué)分析建模要求》《非組合式金屬髖關(guān)節(jié)股骨柄有限元分析標(biāo)準(zhǔn)方法》《基于Patran/Nastran軟件的航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有限元分析要求》等多個標(biāo)準(zhǔn)，以規(guī)范有限元分析法的使用。

“機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析”作為一門工具性課程，主要目標(biāo)是通過課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握有限元的基本概念、理論和建模技術(shù)，以便正確使用商業(yè)有限元軟件解決實(shí)際工程問題，特別是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)問題分析。

二、“機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析”課程教學(xué)存在的問題

1.研究生教育是本科教育結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)行深造和學(xué)

習(xí)的一種教育形式。由于部分教師受本科教育形式的影響，仍采取講授為主的方式進(jìn)行教學(xué)，這不適合研究生教育的需要。研究生是通過研究工作進(jìn)行學(xué)習(xí)的學(xué)生，學(xué)術(shù)性、研究性要貫穿整個研究生培養(yǎng)期?！皺C(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析”在教學(xué)形式上要體現(xiàn)出學(xué)術(shù)性和研究性。

2.教學(xué)內(nèi)容上看，過于偏重基本知識、基礎(chǔ)理論。研究生教育更著重通過基本知識和基礎(chǔ)理論的應(yīng)用來解決實(shí)際的問題。沒有研究的課程學(xué)習(xí)是缺乏活力的學(xué)習(xí)，因此教學(xué)內(nèi)容要充分體現(xiàn)出學(xué)術(shù)性和研究性。

3.考核方式單一，形式化過于嚴(yán)重?？己朔绞揭?guī)范、靈活多樣，要體現(xiàn)出學(xué)術(shù)性和研究性的特點(diǎn)。

三、“機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析”課程改革探索

（一）研討式為主的教學(xué)方式

研究生經(jīng)過本科階段的學(xué)習(xí)，具備了一定的專業(yè)基礎(chǔ)理論知識。研究能力培養(yǎng)是研究生教育的主要目標(biāo)。研究能力的培養(yǎng)是研究主體通過自我探索進(jìn)而發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題逐步實(shí)現(xiàn)的，在這個過程中教師僅作為引導(dǎo)者和疑難解答者，學(xué)生才是教學(xué)活動的主體。

（二）多層次的教學(xué)內(nèi)容

研究生教育不僅要求研究生掌握專門系統(tǒng)知識，更重要的是對其應(yīng)用能力的培養(yǎng)，要通過閱讀相關(guān)專業(yè)文獻(xiàn)了解專業(yè)領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢?！皺C(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析”作為研究方法工具性課程，除要求研究生學(xué)習(xí)并掌握有限元的基本概念、基本理論外，更重要的是要掌握有限元在科學(xué)研究中的應(yīng)用。通過對專業(yè)領(lǐng)域有限元相關(guān)科研論文的查找、閱讀和講解，增強(qiáng)研究生對研究方法和研究思路的了解，激發(fā)研究生科研興趣和科研熱情。

（三）多角度的教學(xué)評價

教學(xué)評價直接影響研究生對課程學(xué)習(xí)的積極性?；诮虒W(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容采取課程考試、研究小論文、研究設(shè)計、課程參與相結(jié)合的方式，全面評價研究生對有限元知識的掌握程度及發(fā)現(xiàn)問題和應(yīng)用有限元解決問題的能力。

四、“機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析”課程改革探索實(shí)施

有限元作為一種數(shù)值模擬方法在科學(xué)研究中廣泛使用，已有商業(yè)公司開發(fā)了大型通用有限元計算平臺，如ABAQUS、ANSYS、ALGOR、ADINA等，掌握一個或者多個有限元計算平臺使用方法是目前拓展有限元應(yīng)用的重要途徑。將有限元軟件的使用貫穿于有限元學(xué)習(xí)中，使研究生能夠快速、有效地建立起有限元分析的思路，并能夠觸類旁通。

機(jī)械結(jié)構(gòu)分析是有限元應(yīng)用非常成熟的一個領(lǐng)域，在靜力學(xué)、動力學(xué)、非線性等問題的研究中廣泛使用。接觸分析是非線性問題的一種，在工程結(jié)構(gòu)中有大量的接觸問題。通過表1列出的幾篇有限元接觸分析相關(guān)論文可以看出，有限元作為一種科學(xué)研究手段在機(jī)械、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域已深入應(yīng)用，得到廣大學(xué)者的認(rèn)可。

通過閱讀有限元接觸分析文獻(xiàn)，研究生可以了解相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、存在問題，以及問題解決方法和手段。下面是一個有限元接觸分析實(shí)例關(guān)鍵步驟。軟件平臺為ANSYS。

步驟1：模型建立?？梢圆捎玫谌紺AD軟件或者有限元軟件平臺自帶的建模工具。圖1為有限元模型，分別為三維模型和網(wǎng)格模型。通過模型建立，研究生可以了解實(shí)體結(jié)構(gòu)如何簡化模型、有限元模型的建模方式、建模平臺的使用、單元選擇、模型網(wǎng)格化等有限元分析處理相關(guān)內(nèi)容。

步驟2：接觸定義。接觸定義是有限元接觸分析的關(guān)鍵。通過接觸定義能夠激勵研究生主動學(xué)習(xí)接觸面、接觸類型、接觸計算公式等基本知識，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)。

步驟3：載荷約束設(shè)置。載荷約束設(shè)置是基于工程實(shí)際抽象出載荷和約束的加載方式，根據(jù)真實(shí)的物理系統(tǒng)抽象出物理模型，包括載荷和約束。

步驟4：求解和結(jié)果查看。

步驟5：結(jié)果分析與討論。對結(jié)果進(jìn)行分析，與他人結(jié)果比較異同，進(jìn)行分析解釋。

研究生通過對工程實(shí)際案例或者文獻(xiàn)案例的重復(fù)深入閱讀，既學(xué)習(xí)了有限元的知識，又了解了進(jìn)行科學(xué)研究的基本方法、基本過程。通過文獻(xiàn)重復(fù)，可以充分鍛煉研究生的科研能力，體現(xiàn)有限元在科學(xué)研究中的作用。

“機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析”應(yīng)充分發(fā)揮其研究方法工具性課程的特點(diǎn)，使其在研究生教育過程中鍛煉研究生研究能力。研究生結(jié)合科研需求既完成了有限元基本知識的學(xué)習(xí)，同時又了解了科學(xué)研究的基本方法，如選題的原則、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理分析等課題實(shí)施步驟，在進(jìn)行有限元知識學(xué)習(xí)的同時深入理解科研的基本方法和流程，實(shí)現(xiàn)“機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析”課程學(xué)習(xí)和科研需求的融合。

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■ 編輯∕陳晶