土木工程專業本科有限元課程教學探索

陳萬祥 馬建軍 林凱榮 黃林沖 黨文剛

摘? 要：文章以土木工程專業本科有限元課程教學為例，開展了面向學術能力培養的教學探索研究。在本課程的教學過程中，任課教師通過基礎理論普及、編程學習、軟件學習、開放性問題探索、學術能力培養等多種方法，提升本科學生邏輯思維能力、解決問題能力、學術能力和學生學習能力，為學生未來的工作和進一步學習打下基礎。

關鍵詞：土木工程;有限元;學術能力;探索

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）20-0123-05

Abstract： The optional course Finite Element Method has been taken as an example， through which a research has been undertaken with the aim of training students' academic capability. Measures including fundamental theory study， programming coding， software training， open questions， academic training， etc.， have been adopted to enhance students' logic thinking ability， problems' solving qualification， and academic capability and acquiring knowledge capability， and lay the foundation for the students' future work and further study.

Keywords： civilengineering; Finite Element; academic capability; exploration

近年來，國家高等教育課程改革和探索不斷深入推進，特別是要培養素質高、創新力強和與時俱進的新時代人才，以滿足國家創新型社會和經濟高質量發展的需求。2018年8月，教育部等三部門印發《關于高等學校加快“雙一流”建設的指導意見》，要求高等學校提升教育質量和學生實踐創新能力。中山大學積極響應國家和大灣區號召，推行“金課建設”，淘汰“水課”，提高課程難度和考核要求，進一步提升教學水平。為了大幅度提升整體教學水平，貫徹“金課建設”的指導思想，本科課程在實踐性和理論性等要求方面做了大量的嘗試與實踐。特別是工程設計、建設、運維、安全檢測與修復等內容，涉及到理論力學、材料力學、結構力學、工程材料、計算機技術、數值計算、傳感器、人工智能等學科及領域，對學生在理論分析、實踐操作、計算分析、總結匯報等方面要求不斷提高。在此背景下，中山大學土木工程學院推出了一系列計算類和實踐操作性比較強的專業選修課程給本科學生。其中，工程結構智能監測與檢測、有限元等課程頗受歡迎。

有限元是一門現代工程計算類工具課，一般作為研究生的必修課程，是工程師進行結構、巖土、地下空間、海洋島礁等方面設計、建造、評估等必備的計算工具，是新工科建設的必要專業技能。有限元作為一門現代計算工具課程，被選為土木工程專業本科選修課程，為后續專業課程提供：科學認識、問題分析方法和學術思維能力。同時，作為一門應用十分廣泛的基礎工具課程，也是本專業研究生必備的工程和學術技能。但是，有限元課程具有一定的難度，需要合理安排學時和學習內容，才能提升學生的學習興趣，培養學生學習能力，提高教學水平和學生素質。若不能合理地安排學時和教學內容，將嚴重影響教學效果，導致教學過程中無法保證教學質量，學生的學習興趣和學習熱情也將大大降低。此外，如果不能合理地設計有限元課程的教學，很容易會將有限元課程變成某一、兩種計算軟件的教學課程，導致學生只能片面地去學習操作技能而非有限元的原理和思想。這樣一來，將偏離有限元課程的教學目標和初衷，也無法從根本上提升教學質量和學生的綜合素質。

為改善有限元課程教學的效果，提升課程質量，更好地培養本科生在計算分析和解決問題等方面的能力，從而提升學生素質。本文基于作者在有限元課程教學和教學改革中的經驗，開展了一系列的有限元課程教改探索。本文將對有限元課程教學過程中出現的主要問題進行總結。隨后，針對這些問題，結合作者的教改實踐進行總結，并提出一些有利于改善有限元教學質量的建議。

一、有限元教學面臨的主要問題

（一）有限元基礎不夠扎實

有限元是一門應用性強、研究成果豐富、商業開發成熟、適用面廣、理論要求高的學科。在有限元課程的學習中，需要從基本的有限元理論和相關公式的推導出發，逐步地了解有限元的思想方法和其數學內涵。因此，有一定的理論基礎，才可以在建模計算中事半功倍，對結果有基本的分析和判斷。但是在現實環境中，教學面臨的主要問題是理論不夠扎實。由于很多有限元課程的經典教材雖然體系詳盡知識全面，但是內容太多，學生們看到厚厚的書本就有點畏懼，導致大部分學生僅僅了解有限元的基本思想，沒有系統深入學習有限元基礎理論，導致有限元基礎不夠扎實。此外，大部分學生沒有精力看理論推導過程，只喜歡直接上手進行建模和計算，從而造成了對有限元基本理論不夠了解，甚至有大部分學生覺得基礎理論不重要，只要會操作即可的思想。這兩種考慮基本上是同步發生的，導致的結果確是相同的：重視操作技術，忽視理論基礎。

在這種情況下，很多學生在學習有限元課程的過程中由于沒有打牢基礎，最終導致缺乏對有限元基本原理，以及計算建模過程中對必要力學知識的認識和理解。這樣一來，在建模和計算過程中很容易造成這些學生在處理“邊界條件”“材料屬性”“單元類型”等問題上不夠成熟，甚至因此造成計算錯誤。不僅如此，由于缺乏基本的理論知識，很多學生甚至無法判斷和評估這些錯誤的原因，只能重復建模，導致事倍功半，學習興趣和熱情也逐步喪失。這些問題的根源實際上都是由于學生在有限元知識方面的基礎不夠扎實，對于有限元的基本思想、核心原理的認識和理解不到位。造成這種現象的原因很大程度上可以歸結到教師在教學過程中對于課程設計、教學方案和教學目標的把握不到位上來。在教學實踐過程中，由于有限元思想和方法大多以復雜的公式呈現，造成了教學過程中，教師因為擔心教學效果和學生難以理解而跳過這部分教學，導致學生對有限元基本知識和基本原理的了解不充分，最終只能將有限元“等同于”各自計算軟件或其操作。