《彈性力學與有限元分析》課程教學改革研究

于玉真，李偉亮，李勵，王飛

摘要：本文針對《彈性力學與有限元分析》課程教學中存在的問題和課程的基本特點，在教學內容、教學方法、考核方式三方面進行了創新性的教學研究。同時，通過將專業知識與工程實踐融入到理論教學之中，激發了學生的學習興趣和創新能力，提高了教學質量。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和能力的提高也有很大的幫助。

關鍵詞：有限元；教學改革；工程實踐

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

一、引言

有限元分析是一種數值分析技術，涉及彈性力學理論、數學計算、計算機軟件和工程應用四大方面。近年來，人們在不斷追求速度更快的交通工具、規模更大的建筑物、跨度更大的橋梁以及精度更高的機械設備。這一切都需要工程師在設計的時候就能精確地預測出產品和工程的技術性能，對結構的靜、動力強度以及溫度場、流場、電磁場等技術參數進行分析和計算。隨著計算機技術和數值分析方法的不斷發展，彈性力學與有限元分析和工程實踐之間的聯系也越來越緊密，彈性力學有限元法也為解決這類復雜的工程實際問題提供了有效的途徑。基于計算機的有限元虛擬實驗，具有無損傷、低成本、高效率和可重復的特點，在許多科學技術領域和工程實際問題中得到了廣泛地應用。可見對于研究生的培養，彈性力學與有限元分析是一門非常重要的課程。彈性力學與有限元分析是一門知識覆蓋面廣、工程實踐應用范圍廣的實用性特別強的專業課程。該課程的教學目標是讓學生掌握彈性力學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，而忽視了培養學生的自主學習能力和工程實踐能力。該課程是一門理論與實踐聯系緊密的課程，要求學生不僅要有系統的理論分析能力，還要有很強的工程實踐能力。然而，在實際的教學中，彈性力學基本概念抽象，公式推演煩瑣，使得不少學生降低了對這門課的學習興趣。因此亟需對該課程的教學環節進行改革，激發學生的學習興趣，提高教學水平和質量，實現該課程的教學目標。

二、教學過程中存在的問題

彈性力學與有限元分析是機械工程專業研究生的主干基礎課程，綜合了彈性力學理論、數值計算、矩陣分析、工程結構等多方面的知識，有著一個復雜的理論體系，好多學校由以前的54課時縮短到了32課時，學生在一段時間內掌握它比較困難。這門課程經過許多年的發展，課程的理論部分已經形成了比較完善的體系。隨著科學技術的不斷發展，多學科之間也在相互交叉與滲透，但是彈性力學與有限元分析這門課程的實踐教學內容與實際需求之間存在脫節的現象。該課程的實踐教學環節主要形式有：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生根據指導書完成的，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，是不利于培養學生學習的自主性的。好多學生在學習過程中，不了解理論和有限元軟件的聯系，用軟件做仿真試驗時出錯也不知道去修改哪些參數，不能對計算結果做出合理的解釋，從而也就無法培養學生的創新能力。還有在實踐教學環節中，由于沒有足夠的計算機實驗教學平臺，使得學生接觸虛擬實驗的時間少，這也是制約研究生學習積極性的一個重要因素。

三、教學改革研究內容

針對目前有限元課程教學中的問題，本文對課程教學內容、教學方法和考核形式等進行了改革并加強了對其工程實踐環節的訓練。

1.據時代發展，不斷更新教學內容。教學內容選擇是否合適直接影響教學效果的好壞，彈性力學與有限元分析課程內容涉及面廣，有限元法的理論研究及其工程應用也在不斷發展，教學內容不斷豐富。因此教師要不斷學習，了解有限元方向的最新科研成果，根據教學目標及時修改完善教學大綱，努力實現理論教學與實踐教學的融合。上好第一課，在第一堂課上就給學生介紹大量的工程實踐的背景知識，使學生認識到學習該課程的重要性，教師應將授課計劃、學習要求以及考核方式告訴每位學生，以便其提前做好預復習工作，提高學生的學習興趣。

2.改變教學方法。采用多媒體教學，可以使復雜的事物簡單化，抽象原理具體化。彈性力學與有限元分析課程內容多，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，然后用理論基礎去解釋，再用有限元軟件去分析，最后解決實際問題。學生是學習的主體，應把學生放在中心位置，課堂上學生可以隨時提問，這樣就可以充分調動學生的學習主動性，提高其學習效率。

3.計算機平臺的構建與先進軟件的應用。在教學中多安排上機學習，鼓勵學生在課外時間上機練習。在軟件方面，隨著有限元技術的發展，有限元軟件版本更新迭代，最新版的ANSYS已經更新到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，好多學校上課還在使用老式計算機教學或是學生的筆記本。ANSYS的計算過程對計算機的要求較高，有限元的發展得益于現代計算機的發展，需要給學生提供性能較好的計算機。根據學校具體的研究方向，建立CAE中心，為了追求經濟效益，同時減少資源的浪費，在滿足學生學習要求的前提下，學校可以配備五六臺大型服務器，用于工程研究，再配備三四十臺性能一流的計算機供學生學習使用。本校的CAE中心擁有先進的軟硬件設施。中心內配備浪潮天梭大型刀片式服務器（TS10000）1臺，浪潮圖形工作站（NP5580M3）4臺，高性能的計算機若干臺，可以實現最高6個刀片、12顆CPU、768G內存的并行計算，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、結構靜力分析、剛體動力學分析、熱—結構耦合分析、模態分析、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，并能實現AutoDesign設計研究、魯棒性設計優化、多目標快速優化等功能，為彈性力學與有限元分析課程實踐教學平臺的構建提供了師資力量和硬件環境。這一切都為教學改革的順利開展奠定了良好的基礎。

4.考核方式的改革。彈性力學與有限元分析是門理論與實踐聯系很緊密的課程，只用閉卷考試這一種考核方式顯然已經過時了，這樣不能很好地了解學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、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造性解決工程實際問題的能力。做完大作業后，讓學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.工程實踐在教學中的應用。為了實現該課程的教學目標，讓學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生練習。同時，還將工程實踐與課程教學結合，在教學中取得了良好的效果。

四、結語

本文是筆者通過多年的教學實踐，針對機械工程專業特點，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銜接，主要表現有以下幾個方面：整合和優化了與彈性力學與有限元分析課程相關的各種教學資源；建設了彈性力學與有限元分析課程的網絡課程教學平臺；構建了計算機平臺，給學生提供了良好的硬件實踐環境；改革考試方式，提高了學生的學習興趣；將工程實踐作為實訓素材，使專業知識與實際工程應用融入到了彈性力學及有限元分析的理論課程學習當中。采用多元化的課程建設和創新的教學模式，切實提高了課程理論與實踐教學質量，對研究生有限元教學具有一定的指導意義。當然，教學改革是一個長期的過程，教師應加強自身學習，提高教學質量，為社會培養出更多的高素質人才。

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