《彈性力學(xué)與有限元分析》課程教學(xué)改革研究

于玉真，李偉亮，李勵，王飛

摘要：本文針對《彈性力學(xué)與有限元分析》課程教學(xué)中存在的問題和課程的基本特點，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式三方面進行了創(chuàng)新性的教學(xué)研究。同時，通過將專業(yè)知識與工程實踐融入到理論教學(xué)之中，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，提高了教學(xué)質(zhì)量。此外，該改革將大大有利于研究生的成才教育，而且對于教師自身素質(zhì)和能力的提高也有很大的幫助。

關(guān)鍵詞：有限元；教學(xué)改革；工程實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）45-0102-02

一、引言

有限元分析是一種數(shù)值分析技術(shù)，涉及彈性力學(xué)理論、數(shù)學(xué)計算、計算機軟件和工程應(yīng)用四大方面。近年來，人們在不斷追求速度更快的交通工具、規(guī)模更大的建筑物、跨度更大的橋梁以及精度更高的機械設(shè)備。這一切都需要工程師在設(shè)計的時候就能精確地預(yù)測出產(chǎn)品和工程的技術(shù)性能，對結(jié)構(gòu)的靜、動力強度以及溫度場、流場、電磁場等技術(shù)參數(shù)進行分析和計算。隨著計算機技術(shù)和數(shù)值分析方法的不斷發(fā)展，彈性力學(xué)與有限元分析和工程實踐之間的聯(lián)系也越來越緊密，彈性力學(xué)有限元法也為解決這類復(fù)雜的工程實際問題提供了有效的途徑?；谟嬎銠C的有限元虛擬實驗，具有無損傷、低成本、高效率和可重復(fù)的特點，在許多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域和工程實際問題中得到了廣泛地應(yīng)用?？梢妼τ谘芯可呐囵B(yǎng)，彈性力學(xué)與有限元分析是一門非常重要的課程。彈性力學(xué)與有限元分析是一門知識覆蓋面廣、工程實踐應(yīng)用范圍廣的實用性特別強的專業(yè)課程。該課程的教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生掌握彈性力學(xué)與有限元分析的基本概念、基本原理和基本方法，提高其分析與計算能力，掌握有限元分析工具，并且具備初步處理工程問題的能力。早期的教學(xué)方法以教師講授為主，過于重視理論知識的傳授，而忽視了培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和工程實踐能力。該課程是一門理論與實踐聯(lián)系緊密的課程，要求學(xué)生不僅要有系統(tǒng)的理論分析能力，還要有很強的工程實踐能力。然而，在實際的教學(xué)中，彈性力學(xué)基本概念抽象，公式推演煩瑣，使得不少學(xué)生降低了對這門課的學(xué)習(xí)興趣。因此亟需對該課程的教學(xué)環(huán)節(jié)進行改革，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)水平和質(zhì)量，實現(xiàn)該課程的教學(xué)目標(biāo)。

二、教學(xué)過程中存在的問題

彈性力學(xué)與有限元分析是機械工程專業(yè)研究生的主干基礎(chǔ)課程，綜合了彈性力學(xué)理論、數(shù)值計算、矩陣分析、工程結(jié)構(gòu)等多方面的知識，有著一個復(fù)雜的理論體系，好多學(xué)校由以前的54課時縮短到了32課時，學(xué)生在一段時間內(nèi)掌握它比較困難。這門課程經(jīng)過許多年的發(fā)展，課程的理論部分已經(jīng)形成了比較完善的體系。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，多學(xué)科之間也在相互交叉與滲透，但是彈性力學(xué)與有限元分析這門課程的實踐教學(xué)內(nèi)容與實際需求之間存在脫節(jié)的現(xiàn)象。該課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)主要形式有：課堂實例分析、上機模擬實驗、工程實例研究分析。這些實踐過程都是學(xué)生根據(jù)指導(dǎo)書完成的，缺少了一定的自主性，同時工程實例也過于簡單而缺乏代表性。在信息化時代，單純的教師授課，以教師為主的課堂，師生間缺乏交流溝通，是不利于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性的。好多學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，不了解理論和有限元軟件的聯(lián)系，用軟件做仿真試驗時出錯也不知道去修改哪些參數(shù)，不能對計算結(jié)果做出合理的解釋，從而也就無法培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。還有在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，由于沒有足夠的計算機實驗教學(xué)平臺，使得學(xué)生接觸虛擬實驗的時間少，這也是制約研究生學(xué)習(xí)積極性的一個重要因素。

三、教學(xué)改革研究內(nèi)容

針對目前有限元課程教學(xué)中的問題，本文對課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核形式等進行了改革并加強了對其工程實踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練。

1.據(jù)時代發(fā)展，不斷更新教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)內(nèi)容選擇是否合適直接影響教學(xué)效果的好壞，彈性力學(xué)與有限元分析課程內(nèi)容涉及面廣，有限元法的理論研究及其工程應(yīng)用也在不斷發(fā)展，教學(xué)內(nèi)容不斷豐富。因此教師要不斷學(xué)習(xí)，了解有限元方向的最新科研成果，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)及時修改完善教學(xué)大綱，努力實現(xiàn)理論教學(xué)與實踐教學(xué)的融合。上好第一課，在第一堂課上就給學(xué)生介紹大量的工程實踐的背景知識，使學(xué)生認識到學(xué)習(xí)該課程的重要性，教師應(yīng)將授課計劃、學(xué)習(xí)要求以及考核方式告訴每位學(xué)生，以便其提前做好預(yù)復(fù)習(xí)工作，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.改變教學(xué)方法。采用多媒體教學(xué)，可以使復(fù)雜的事物簡單化，抽象原理具體化。彈性力學(xué)與有限元分析課程內(nèi)容多，而課時有限，教師在課上要注重對問題分析流程的講解：具體實際問題，然后用理論基礎(chǔ)去解釋，再用有限元軟件去分析，最后解決實際問題。學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，應(yīng)把學(xué)生放在中心位置，課堂上學(xué)生可以隨時提問，這樣就可以充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，提高其學(xué)習(xí)效率。

3.計算機平臺的構(gòu)建與先進軟件的應(yīng)用。在教學(xué)中多安排上機學(xué)習(xí)，鼓勵學(xué)生在課外時間上機練習(xí)。在軟件方面，隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，有限元軟件版本更新迭代，最新版的ANSYS已經(jīng)更新到ANSYS18.0，新版本集成了更多的模塊，計算效率更高，全新的圖形建模環(huán)境能幫助使用者更好地進行模型前處理。在硬件方面，好多學(xué)校上課還在使用老式計算機教學(xué)或是學(xué)生的筆記本。ANSYS的計算過程對計算機的要求較高，有限元的發(fā)展得益于現(xiàn)代計算機的發(fā)展，需要給學(xué)生提供性能較好的計算機。根據(jù)學(xué)校具體的研究方向，建立CAE中心，為了追求經(jīng)濟效益，同時減少資源的浪費，在滿足學(xué)生學(xué)習(xí)要求的前提下，學(xué)?？梢耘鋫湮辶_大型服務(wù)器，用于工程研究，再配備三四十臺性能一流的計算機供學(xué)生學(xué)習(xí)使用。本校的CAE中心擁有先進的軟硬件設(shè)施。中心內(nèi)配備浪潮天梭大型刀片式服務(wù)器（TS10000）1臺，浪潮圖形工作站（NP5580M3）4臺，高性能的計算機若干臺，可以實現(xiàn)最高6個刀片、12顆CPU、768G內(nèi)存的并行計算，大型國際商用軟件ANSYS15.0、ADAMS2015、DEFORM、CROE（PROE）等。同時，還可以可以完成建模、裝配、結(jié)構(gòu)靜力分析、剛體動力學(xué)分析、熱—結(jié)構(gòu)耦合分析、模態(tài)分析、流體仿真分析、電磁分析、多物理場耦合分析、非線性分析、模態(tài)綜合法柔性體分析、線性振動分析、大變形柔性體分析等各項分析任務(wù)，并能實現(xiàn)AutoDesign設(shè)計研究、魯棒性設(shè)計優(yōu)化、多目標(biāo)快速優(yōu)化等功能，為彈性力學(xué)與有限元分析課程實踐教學(xué)平臺的構(gòu)建提供了師資力量和硬件環(huán)境。這一切都為教學(xué)改革的順利開展奠定了良好的基礎(chǔ)。

4.考核方式的改革。彈性力學(xué)與有限元分析是門理論與實踐聯(lián)系很緊密的課程，只用閉卷考試這一種考核方式顯然已經(jīng)過時了，這樣不能很好地了解學(xué)生知識技能的掌握情況。為此本校綜合采用了課程中期留大作業(yè)、上機建模有限元分析以及課程報告等多元化的考核方式，以切實考查研究生知識技能的掌握情況和創(chuàng)造性解決工程實際問題的能力。做完大作業(yè)后，讓學(xué)生在課堂上講自己分析問題解決問題的過程，增加了師生間的交流。

5.工程實踐在教學(xué)中的應(yīng)用。為了實現(xiàn)該課程的教學(xué)目標(biāo)，讓學(xué)生具備初步處理工程問題的能力。筆者從近幾年的科研活動中精選出有代表性的實例供學(xué)生練習(xí)。同時，還將工程實踐與課程教學(xué)結(jié)合，在教學(xué)中取得了良好的效果。

四、結(jié)語

本文是筆者通過多年的教學(xué)實踐，針對機械工程專業(yè)特點，對課程改革所進行的積極探索，而且也較好地完成了有限元方法理論和實踐的教學(xué)銜接，主要表現(xiàn)有以下幾個方面：整合和優(yōu)化了與彈性力學(xué)與有限元分析課程相關(guān)的各種教學(xué)資源；建設(shè)了彈性力學(xué)與有限元分析課程的網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)平臺；構(gòu)建了計算機平臺，給學(xué)生提供了良好的硬件實踐環(huán)境；改革考試方式，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；將工程實踐作為實訓(xùn)素材，使專業(yè)知識與實際工程應(yīng)用融入到了彈性力學(xué)及有限元分析的理論課程學(xué)習(xí)當(dāng)中。采用多元化的課程建設(shè)和創(chuàng)新的教學(xué)模式，切實提高了課程理論與實踐教學(xué)質(zhì)量，對研究生有限元教學(xué)具有一定的指導(dǎo)意義。當(dāng)然，教學(xué)改革是一個長期的過程，教師應(yīng)加強自身學(xué)習(xí)，提高教學(xué)質(zhì)量，為社會培養(yǎng)出更多的高素質(zhì)人才。

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