機械專業有限元課程教學改革

摘要：在機械發展水平不斷提高的情況下，必須進一步提高人才的培養質量，提高學生獨立運用有限元從事機械設計的能力，因此必須對有限元課程進行改革。本文介紹了有限元課程在機械專業中的背景及重要性，在教學中存在的問題，及提出的教學改革方法。

關鍵字：有限元；教學改革；實踐

一、有限元課程在機械專業中的背景和重要性

有限元法（FEM）是根據變分原理求解數學物理問題的數學計算方法，已廣泛應用在機械、建筑和航空航天等行業。有限元分析可為各類結構設計和工程分析提供可靠依據，已經成為工程科學中處理難題的重要手段。當前，有限元法理論體系已經成熟，常用的有限元軟件包括MSC Nastran、Ansys、Abaqus等。

隨著計算技術的發展，也極大促進了有限元技術在機械設計中的應用。特別對于結構復雜的機械產品的研發中，有限元分析已經成為設計者的重要依據。涉及有限元法相關的機械方面的科研論文眾多，已經成為科研人員重要的工具。

根據機械專業性質和知識要求，機械工程師必須具備必要的有限元分析計算能力。機械專業培養的大多數學生要求能夠獨立運用有限元法從事機械設計、研發能力，這就要求學生要成為基礎扎實、專業知識廣闊、具有創新精神和實踐能力的復合人才。在機械發展水平不斷提高的情況下，必須進一步調高人才的培養質量，提高學生獨立運用有限元從事機械設計的能力，必須對有限元課程進行改革。

二、有限元課程在機械專業教學中存在的問題

1. 重理論輕實驗

有限元理論復雜，涉及到結構力學、彈性力學、數值方法等方面的知識，不容易講也不容理解，老師往往花大量的時間灌輸基本理論。實踐環節僅僅利用計算軟件按照例子進行模擬分析，至于計算結果的準確性沒有進行分析，導致學生對有限元分析的準確性產生懷疑。有限元分析結果一方面可以參照解析解，沒有解析解的話可以做實驗進一步確認。很多本科院校根本忽略有限元相關驗證的實驗，根本原因是實驗驗證需要投入人力、物力和財力。學校和老師都應加大這方面的投入。

2.前瞻性不足

有限技術雖然已經成熟，但可供研究的內容還有很多，很多老師講課的內容只講教材，根本不講解研究前沿。只有有限元的教學和科研有機結合，才能全面掌握有限元技術。在教學時，我們既要重視基礎理論，又要重視科技前沿。要求老師對有限技術相關國內外文獻認真閱讀，將有限元前沿的知識合理灌輸給學生，讓學生實時了解有限技術的發展現狀。

3.學生學習動力不足

根據經驗，很多學生聽說有限元很難學，心里有懼怕情緒。再加上有限元課程通常是選修課，令很多學生避而言之。當然，這里有老師的因素，更多的是學生自身的因素。很多學生沒有意識到有限法對機械專業的重要性，老師也要引導學生提高學習熱情。

4.理論和實踐脫節

理論與實際工程結合才能體現有限元法的重要作用。教學過程中，老師常常拿梁、桿等簡單例子進行練習，限制了學生對有限元法對機械設計重要作用的認知。做到理論聯系實踐，需要老師要掌握利用有限元法機械設計的經驗，這給老師提出更高的要求。老師應當多參與企業實際的機械項目，不斷積累經驗。

三、教學方法改革

根據有限元課程在授課過程中存在一些問題，應從以下方面進行改革。學生只有系統掌握有限元技術的知識，才能在機械設計中合理準確地使用。

1.加強基礎知識和實踐環節的訓練

有限元法涉及的基礎學科包括結構力學、彈性力學以及數值方法相關的知識。掌握彈性力學的基本方程和彈性力學平衡問題的基本求解方法。能夠推導平面桿系、梁結構和殼單元的解析和數值解的推導方法。并利用通用的有限元軟件進行基本訓練鍛煉，加深學生對有限元基本原理和流程的理解。在編寫講義時，應著重對基礎知識系統化為側重點。

加強教師工程背景的培養，特別加大與企業的合作力度，著重從工程的實際角度深刻理解有限元法的應用。教師應從自身情況出發，對企業進行考察、調研，了解企業在產品設計中的一些難點，特別是機械設計中涉及分析計算內容。爭取將這些項目與學生的培養結合起來，培養學生實際應用的能力。學生既得到了鍛煉，又幫企業解決一些計算問題。

2.教學與研究結合

從國內外高水平的大學辦學理念來看，研究和教學相互結合才能讓學生進入高水平。國內的大多數高校關于有限元的教學不是很深入，導致學生不能深刻地消化有限元技術的精髓。從機械專業的角度來看，利用有限元相關的科研提高學生運用有限元和機械設計能力是一種很好的途徑。

有限元方面的研究文獻很多，通過研讀專業文獻，著重體會有限元建模、邊界條件簡化、求解、后處理等細節內容。特別是利用實驗驗證有限元計算結果的準確性具有的重要作用。掌握裝置的固有頻率、陣型測量實驗方法與過程。

教學改革的關鍵是教學理念的更新，實踐新的教學理念，針對有限元在機械專業中這門課程，教師應不斷將新的研究成果融入到教學內容中，采用有效地教學手段，最大限度地激發學生的學習興趣，提高學生機械設計能力。

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