機(jī)械類研究生有限元法實踐教學(xué)探究

張小明 禹建功 王現(xiàn)輝 喬慧

摘? 要 有限元法是機(jī)械專業(yè)研究生核心學(xué)習(xí)內(nèi)容，目前已廣泛應(yīng)用于求解各類工程實際問題。然而，有限元法的應(yīng)用對于基礎(chǔ)理論的要求較高，同時復(fù)雜多變的實際工程問題對有限元法的實踐是一項巨大的挑戰(zhàn)。因此，從實踐教學(xué)環(huán)節(jié)探討有限元法教學(xué)改革具有重要意義。從項目教學(xué)、線上教學(xué)和考核方式入手，對有限元法的實踐教學(xué)模式進(jìn)行探討，通過教學(xué)實踐，取得良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 有限元法;機(jī)械專業(yè)研究生;項目教學(xué);線上教學(xué);考核改革

中圖分類號：G642.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）06-0135-02

Research on Practice Teaching of Finite Element Method for?Mechanical Graduate Students//ZHANG Xiaoming， YU Jian-gong， WANG Xianhui， QIAO Hui

Abstract Finite element method （FEM） is the core learning content of mechanical postgraduates， which has been widely used to solve various engineering problems. However， the application of the finite?element method has higher requirements for the basic theory. At the?same time， the complex practical engineering problems pose a great challenge to the practice of the finite element method. Therefore， it?is of great significance to discuss the teaching reform of finite element?method from the practical teaching link. This paper discusses the practical teaching mode of finite element method from project tea-ching， online teaching and assessment methods. Through teaching practice， good teaching effect has been achieved.

Key words finite element method; mechanical postgraduates; pro-ject teaching; online teaching; assessment reform

0 前言

由于科學(xué)技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以有限元法為代表的數(shù)值計算方法被廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域。機(jī)械專業(yè)研究生是我國機(jī)械設(shè)計行業(yè)的主力軍，他們進(jìn)行有限元法的學(xué)習(xí)和應(yīng)用十分必要。

有限元法的學(xué)習(xí)和應(yīng)用涉及彈性力學(xué)、計算機(jī)技術(shù)、計算數(shù)學(xué)、圖形學(xué)、機(jī)械專業(yè)知識以及具體工程實踐等眾多內(nèi)容[1]，一方面需要具有較強的理論知識，學(xué)習(xí)內(nèi)容抽象，公式推導(dǎo)繁多，枯燥乏味;另一方面需要具備扎實的專業(yè)知識和工程項目經(jīng)驗，無法閉門造車。因此，如何引導(dǎo)學(xué)生從實踐中學(xué)習(xí)有限元法，是教師需要著重考慮的關(guān)鍵教學(xué)問題。基于這種認(rèn)識，參考已有的教學(xué)改革方案[2-3]，

在教學(xué)手段和教學(xué)方法上進(jìn)行改革和實踐，取得一些有益的經(jīng)驗和成果。

1 課程教學(xué)改革實踐

有限元法基礎(chǔ)理論繁多，課程繁重，導(dǎo)致相應(yīng)的實踐項目層出不窮。而研究生學(xué)時和課余時間有限，為滿足基本的教學(xué)需求，并將枯燥、抽象的課程變得直觀和生動，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，本研究從項目教學(xué)方法出發(fā)，將有限元法和實際工程問題相結(jié)合，對教學(xué)模式改革進(jìn)行探討，以期能增加課程學(xué)習(xí)的趣味性，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的積極性，最大限度提高課程的教學(xué)效率和質(zhì)量。

項目教學(xué)法? 對碩士研究生來講，有限元法的講解應(yīng)突出應(yīng)用部分，因此，理論講解的時間應(yīng)相對減少。理論講解時關(guān)注有限元法的核心理論知識——彈性力學(xué)。學(xué)習(xí)彈性力學(xué)中主應(yīng)力、幾何方程、物理方程、平衡微分方程以及應(yīng)力、位移求解方法，為學(xué)生理解有限元法處理分析工程問題的原理，以及單元矩陣組裝原理、整體平衡方程矩陣的構(gòu)建方式等基本知識打下基礎(chǔ)，讓學(xué)生扎實地掌握這些理論知識，方便以后對于軟件的理解和操作。在此過程中適當(dāng)引入相關(guān)實際工程項目，如大壩的受力分析、帶孔的應(yīng)力集中問題等，為學(xué)生理解彈性力學(xué)和進(jìn)行實際工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

在有限元法實際應(yīng)用中，著重強調(diào)實際工程問題的求解。原來的授課方案是每次上機(jī)課學(xué)生統(tǒng)一分析同一個項目，且每次的項目相互獨立，不成體系化。項目教學(xué)法作為一種重要的教學(xué)方法，受到許多學(xué)者的青睞，對項目教學(xué)的選編原則、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)定位與方法等進(jìn)行初步探討，但是有限元法目前只是在教學(xué)中引入了少量的案例，且案例的安排不系統(tǒng)，以偏重單個技術(shù)應(yīng)用介紹為主。

在此，首先確定項目庫的整體架構(gòu)，通過大量項目的收集與設(shè)計、建設(shè)，對所選項目進(jìn)行進(jìn)一步的篩選和整合，使其典型化、系統(tǒng)化，使項目在課內(nèi)能融入教學(xué)，在課下可供師生查閱檢索。學(xué)生可分組選擇不同的案例。在實際上機(jī)操作之前，要求學(xué)生首先以小組的形式分析整個項目，形成系統(tǒng)的、層次分明的分析方案，并將該方案拆分成幾個獨立的小項目，然后分批、分次實現(xiàn)整個項目方案，以期培養(yǎng)學(xué)生的合作研究水平和實際操作水平，從項目分析中汲取經(jīng)驗教訓(xùn)，為后續(xù)研究生的實際科研工作打下良好的基礎(chǔ)。在各個小組完成整個項目后，教師進(jìn)一步對設(shè)計方案和結(jié)果進(jìn)行分析。某有限元模態(tài)分析結(jié)果如圖1所示。

線上教學(xué)初探? 由于疫情原因，有限元法的實踐操作不得不采用線上教學(xué)，這給有限元法的實踐操作帶來巨大的挑戰(zhàn)。如何在線上教學(xué)中加入實踐操作的內(nèi)容，是亟待解決的重要問題。結(jié)合上述項目教學(xué)法，讓學(xué)生自己組建小組在線上進(jìn)行項目內(nèi)容的討論，自主分配任務(wù)實現(xiàn)合作，以增加學(xué)生的參與度，提高學(xué)生自主性。具體操作如下：

1）在線上發(fā)布多個不同的項目，讓學(xué)生自己組建小組，進(jìn)行協(xié)調(diào)選擇，確保每位學(xué)生都有項目可做，每個小組的項目各有不同，以推動實踐教學(xué)計劃實施;

2）發(fā)布教學(xué)視頻錄像，每個視頻集中講解一個知識點，同時穿插相應(yīng)的理論知識，以加強學(xué)生的理論學(xué)習(xí)，使理論和實踐相結(jié)合;

3）作業(yè)提交，在藍(lán)墨云班課中創(chuàng)建作業(yè)任務(wù)，使學(xué)生完成任務(wù)后可以及時提交，方便教師對任務(wù)進(jìn)行分析指導(dǎo)，確保具有正確的前進(jìn)方向;

4）組建QQ群，和學(xué)生在線討論，增加互動環(huán)節(jié)，確保學(xué)生有問題可以及時解答。

由于疫情原因，推進(jìn)了本次線上教學(xué)，線上教學(xué)可作為線下面對面教學(xué)的有力補充，持續(xù)和線下教學(xué)融合，達(dá)到更好的教學(xué)效果。然而有關(guān)線上教學(xué)的基本規(guī)律，目前還在探索階段。將項目教學(xué)法融入有限元法的線上實踐教學(xué)中，既發(fā)揮了線上教學(xué)的優(yōu)勢，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源開展拓展實踐活動，又有項目教學(xué)法目標(biāo)清晰、學(xué)生自主性高等特點，在鍛煉學(xué)生動手能力的過程中，讓學(xué)生加深對理論知識的理解，達(dá)到較好的教學(xué)效果。

改革考核方式? 原來的考核主要有兩種形式。

1）提交實踐報告進(jìn)行考核。給所有學(xué)生同一個項目，讓學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)完成該項目并打印仿真結(jié)果，提交實踐報告。

2）以試卷考試和實踐報告相結(jié)合的方式考核，然后按照一定的比例，將兩個成績相結(jié)合給學(xué)生進(jìn)行打分。

從效果來看，這兩種方式均不夠理想，因此需要重新設(shè)計考核方式，主要以小組形式，按照整體項目完成情況給學(xué)生打分。在小組組員書寫項目報告時，要求將項目分析過程和具體的理論內(nèi)容加入報告中，形成一個課題報告總結(jié);然后按照項目的完成情況、項目報告總結(jié)的書寫情況以及小組成員在項目中的表現(xiàn)（該項可以讓小組成員組內(nèi)打分獲得），綜合考慮，完成對每位學(xué)生的考核。這種考核模式鼓勵學(xué)生自主學(xué)習(xí)和調(diào)研，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，同時可以讓學(xué)生了解相關(guān)的前沿科學(xué)技術(shù)。另外，由于項目各有不同，且成體系化、層次化，因此可以有效避免抄襲現(xiàn)象，且讓同組內(nèi)學(xué)生能夠相互分工，互相配合，各展所長。

2 總結(jié)

面對現(xiàn)代化教學(xué)的要求和疫情的挑戰(zhàn)，有限元法的實踐教學(xué)需要集思廣益，推陳出新。通過上述改革方案，經(jīng)過實踐，提高了有限元法的整體教學(xué)質(zhì)量，學(xué)生的主動學(xué)習(xí)意識、集體協(xié)作能力、理論知識和實踐操作能力均有所加強。學(xué)校和學(xué)院將進(jìn)一步支持研究和總結(jié)有限元法的教學(xué)方案，加強課程建設(shè)工作，提出適合河南理工大學(xué)機(jī)械類研究生的課程改革實施方案，以不斷增強有限元法的教學(xué)效果，提高研究生的研究能力。

參考文獻(xiàn)

[1]徐芝綸.彈性力學(xué)簡明教程[M].北京：高等教育出版社，2013.

[2]劉楊，趙宇來，奚方權(quán)，等.有限單元法課程教學(xué)現(xiàn)狀與改革方法探究[J].中國教育技術(shù)裝備，2019（18）：71-73.

[3]付澤民，吳力杰.學(xué)位課《彈性力學(xué)及有限元》教學(xué)改革創(chuàng)新性研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2019（29）：188-190.

*基金項目：2018年度河南理工大學(xué)研究生精品課程建設(shè)研究項目“彈性力學(xué)及有限單元法”（項目編號：2018YJP01）;2018年度新工科建設(shè)研究與實踐項目“新工科背景下面向科技創(chuàng)新競賽的工程應(yīng)用軟件課程微課教學(xué)設(shè)計與實踐”。

作者：張小明，河南理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，副教授，研究方向為彈性力學(xué);禹建功，河南理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，教授，研究方向為彈性力學(xué);王現(xiàn)輝，通信作者，河南理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，講師，研究方向為彈性力學(xué);喬慧，河南理工大學(xué)數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，講師，研究方向為計算數(shù)學(xué)（454003）。