有限元法課程教學改革研究與實踐

張 寧

（西北農林科技大學 水利與建筑學院，陜西 楊凌712100）

近年來，隨著我國水利、交通運輸、航天航空及機械工業的崛起，有限元法已成為現代工業設計的主要方法，廣泛應用于結構的靜力分析、動態分析與結構優化中。 現代工程科學技術的發展要求人才具備完整的知識結構，即為工程實踐、理論修養與計算能力三個方面具有高水平的訓練，三者缺一不可，否則在今后的競爭中會變得十分被動。理論修養在日常的基礎課與專業課中積累，計算能力的提高有多種途徑，應用大型商業通用程序就是其中之一。 ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC 等大型通用商業軟件的出現， 大大促進了有限元技術在工業中中的發展。由于ANSYS 功能強大，簡便易學，是首選的通用程序，我?；谟邢拊碚摻Y合ANSYS 程序開設面向本科生的選修課程。然而，由于有限元法的理論知識抽象性大，涵蓋內容廣，學生要在有限時間內掌握有限元法比較困難，對于如何提高有限元法教學效果成為一個急需解決的問題，對此，本文提出針對有限元法課程教學改革的一些嘗試。

1 合理針對性的安排教學內容

本課程的學習目的是拓展本科階段工程力學中的求解方法，培養學生運用離散化思想分析問題和利用計算機程序解決各種實際工程問題，求出問題的有限元解的能力，為以后學習和工作打下良好的基礎[1]。但是有限元法的運用領域非常廣泛，雖然運用時所依據的基本理論與原理都是一樣的，但是在細節上的里還是有專業的區別。 例如在有限元的機械領域和水利領域上有很大的區別：后者有限元模型一般要比前者復雜的多，由于前者的材料一般是金屬的，性質是線性穩定的，而對于水利領域中的材料一般是非線性的。 而且兩者的各自的計算結果的判定和可靠性評估也不同。因此在教學過程中根據專業的不同合理安排教學內容，突出教學重點。合理選用優秀的教材，編寫針對不同專業的教學方案，是提高教學質量不可或缺的手段。 由于目前各版本教材比較多，適用范圍也比較廣，一本不適合的教材誤導學生的自我定位，挫傷學習積極性，影響教師的講課，降低學生培養質量[2]。我校選用王新敏的《ANSYS 工程結構數值分析》，人民交通出版社出版的作為參考教材。

2 采用啟發式的教學方法

有限元的內容主要包括有限元分析、原理、編程及軟件應用。對于有限元編程來說，面對大量通用軟件（ANSYS），我們能做的只是二次開發，增加新的單元、本構方程等。 啟發式教學在教學目標上，注重知識，但更強調培養思維能力，實現人的全面發展[2]。 啟發式的教學方法是符合“學生為主體，教師為主導”這種現代教學思想。 在有限元課堂上進行啟發式教育，更好的發揮了學生為主體、教師為主導的作用，從而全方位提高學生的能力，分為如下幾個方面：

2.1 增加課程內容的趣味生動性以調動學生學習興趣

激發學生的學習興趣，調動學生的學習積極性，是以學生為主體的現代教學理念的落腳點[3]，對于有限元這門課程主要通過緒論講解關于有限元法的歷史資料來激發學生的學習興趣。由于對歷史資料的分析，可以使學生了解有限元法的發展軌跡，通過前人在有限元研究中的輝煌歷史激勵學生學習激情，還可以介紹國外有限元在現實生產中的典型應用來激發學生的學習興趣。通過有限元法在實際工程上的典型應用來說明學習有限元法的重要意義和價值，以此來激發學生的學習興趣，調動學生學習的主動性。

2.2 討論式教學引導學生主動思考

啟發式教學的主旨是引導學生主動探索積極思維，進而提高學生的科學素質。在啟發式教學中，教師需要對課程內容進行精要，由表及里的引導學生逐步接近知識結構。教師在講授課程內容的同時留意學生學習的障礙，并及時啟發激發學生的學習動機，在教師有效的引導下使學生自覺的發現掌握知識，從而調動他們潛在的能力。 在教學結構上，教師和學生之間是一種合作關系，表現在師生之間的自由探討和對話[4]。 在探討問題過程中，教師可以在學生認證過程中設置疑問，讓學生發現問題，從而解決問題鞏固知識。

3 理論知識與實踐相結合

現在的大學生畢業后選擇工作，作為土木類專業的畢業生，大部分企業里，使用有限元通用軟件是應聘的必要要求。 故而有限元課程重點在于教授學生如何掌握有限元方法， 如何靈活運用有限元軟件。在理論教學過程中，運用動畫和視頻展示有限元法在工程上取得的成果，啟發學生的創新欲[5]。目前實踐環節是大多數大學教育的一個普遍存在的薄弱環節。 有限元這門課程的理論比較枯燥，只有理論會讓課程學習變得空洞乏力，紙上談兵，缺乏動手能力，注重理論與實踐的結合是讓學生更好的掌握這門課程的重要手段。對于有限元的實踐主要指是在有限元軟件的使用上。對于大型通用有限元軟件（ANSYS）的使用本身就是一門學問[6]，這就要求教師增加平時上機實習的課時，對學生的疑問進行針對的指導。 上機實踐是學習有限元法的重要環節，通過學生自己的實踐，不僅可以加深對理論和方法的理解，而且可以加強對實際綜合能力的培養，激發進一步應用和研究的興趣。另外，在上機實踐中要強調軟件實際工程上的應用，因為在平時學習中接觸的都是單一的工況、約束問題，而在實際工程中，往往涉及的是整體結構，多種復雜工況下的具體問題。

現在的設計工作已經大量使用有限元軟件分析，故現在畢業生掌握一門有限元軟件使用技能，無疑是在面對畢業就業競爭時在同等學歷的情況下很有力的加分點。

4 考核方式的多樣化

為了調動學生的學習的積極性，克服應試教育的弊端，使考試成績能更加真實的反應學生的能力，我校采用中期課程設計考核制度和期末考試成績相結合的考核方式。中期的課程設計是教師準備的題目中挑選一個自己感興趣的題目，在規定期限內獨立完成，上交報告。其評分標準依據創新性、實用性為主要標準，參考學生實際情況，給出客觀的評分。 在期末考核方面主要注重分析和設計為主，合理分配試題的難易度、深廣度。

對于教學方法和手段是多樣化的，也沒有固定模式，針對不同學生不同專業不斷進行調整、摸索，合理設計教學內容，才能更好的達到預期的教學效果。 通過上述的教學方法和手段的改革，我校的有限元教學取得了明顯的效果，學生的綜合能力得到了提高，調動了學生的學習積極性，促進了學生學習的自主性。 對于有限元課程的講授任重而道遠，教師應不斷的學習與時俱進，探索更科學的教學方法和手段，解決在教學過程中遇到的問題，為培養創新型人才不懈努力。

［1］錢瑛,李成,趙華東.教研結合模式下的機械類專業有限元課程研究[J].中國科技信息,2010(14).

［2］葛藤.《有限元法》本科教學改革探討[J].科技信息,2010(13).

［3］吳翊.啟發式教學再認識[J].中國大學教育,2011(1).

［4］王文靜.有限元方法及軟件應用課程教學改革實踐探索[J].科學教育論壇，2005(22).

［5］鮑四元.本科生有限元法課程教學的現狀與若干改革研究[J].課程教育研究，2014(1).

［6］王小榮,林順洪,丁劍平,陳小亮.有限元法課程的教學改革探討[J].重慶科技學院學報：社會科學版，2011(6).