基于科研需求的研究生課程 “機械結構有限元分析”教學改革探討

馬宗民 王珍 李淑嫻

摘? ? 要：科研能力培養是研究生教育的本質，課程學習是研究生培養的一個重要環節。文章從研究生科研任務需求出發，探討研究生課程“機械結構有限元分析”教學改革。在分析課程特點的基礎上，闡明有限元分析法在科學研究中的地位和作用，并以接觸分析為例說明有限元分析的基本步驟，通過分析有限元接觸分析相關科研論文，學習了解科研選題原則、數據獲取等科研課題實施步驟，在進行有限元知識學習的同時深入理解科研的基本方法和流程，實現“機械結構有限元分析”課程學習和科研需求的融合。

關鍵詞：研究生教育;科研能力;有限元分析

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1002-4107（2022）04-0060-02

研究生教育是一種高層次教育，是人才培養的重要形式，擔負著高層次人才培養的重要任務。科學研究是研究生教育的主要特征。美國學者克拉克指出，研究生教育

“以科研為首要的成分， 教授的作用在于把科研和教學結合起來——科研活動十分恰當地成為一種教學模式。學生的作用就是把科研和學習結合起來——科研活動轉變為一種學習模式”[1]。北京航空航天大學的馬永紅認為，研究生教育的主要形式是“學習者”和“研究者”角色并行[2]43。武漢大學姚金雨認為，科學研究的“探究性”是研究生教育的首要本質;教育過程的“專業性、創新性、學術性”是研究生教育的次要本質[3]。可見，科學研究是研究生教育最主要的特征，是研究生教育的核心和本質。科學研究要貫穿研究生教育的整個過程。

研究生教育包括課程學習、研究訓練及創新實踐三個基本環節[2]46。課程學習是研究生教育的基礎，服務和促進科學研究。研究生課程教育具有學術性的教學性質、前沿性的教學內容、研究性的教學過程、豐富性的教學方

式，以及規范性的教學評價等特征[4]。研究生課程體系主要由基本理論課程、基礎知識課程、研究方法工具性課程和學術史課程等課程板塊構成[5]。“機械結構有限元分析”作為研究方法工具性課程，是為機械工程專業碩士研究生開設的一門課程。“機械結構有限元分析”課程如何開展，作為研究方法工具性課程如何與科研需求相融合，是需要深度思考的問題。

一、“機械結構有限元分析”課程特點

當前科學研究主要有理論、實驗和數值模擬三種研究手段。數值模擬是隨著計算機和數值方法的發展而發展起來的一種理論數值求解方法。有限元分析法是數值模擬方法的一種，適用性和靈活性較強，廣泛用于連續介質及場問題的求解。有限元分析法在機械電子、土木工程、航空航天、生物醫學等領域均已廣泛使用，當前已發布了《機械產品結構有限元力學分析通用規則》《均勻徑向荷載下金屬血管支架有限元分析方法指南》《電子裝備結構有限元力學分析建模要求》《非組合式金屬髖關節股骨柄有限元分析標準方法》《基于Patran/Nastran軟件的航天產品結構有限元分析要求》等多個標準，以規范有限元分析法的使用。

“機械結構有限元分析”作為一門工具性課程，主要目標是通過課程的學習使學生掌握有限元的基本概念、理論和建模技術，以便正確使用商業有限元軟件解決實際工程問題，特別是復雜結構的力學問題分析。

二、“機械結構有限元分析”課程教學存在的問題

1.研究生教育是本科教育結束后繼續進行深造和學

習的一種教育形式。由于部分教師受本科教育形式的影響，仍采取講授為主的方式進行教學，這不適合研究生教育的需要。研究生是通過研究工作進行學習的學生，學術性、研究性要貫穿整個研究生培養期。“機械結構有限元分析”在教學形式上要體現出學術性和研究性。

2.教學內容上看，過于偏重基本知識、基礎理論。研究生教育更著重通過基本知識和基礎理論的應用來解決實際的問題。沒有研究的課程學習是缺乏活力的學習，因此教學內容要充分體現出學術性和研究性。

3.考核方式單一，形式化過于嚴重。考核方式要規范、靈活多樣，要體現出學術性和研究性的特點。

三、“機械結構有限元分析”課程改革探索

（一）研討式為主的教學方式

研究生經過本科階段的學習，具備了一定的專業基礎理論知識。研究能力培養是研究生教育的主要目標。研究能力的培養是研究主體通過自我探索進而發現問題、分析問題和解決問題逐步實現的，在這個過程中教師僅作為引導者和疑難解答者，學生才是教學活動的主體。

（二）多層次的教學內容

研究生教育不僅要求研究生掌握專門系統知識，更重要的是對其應用能力的培養，要通過閱讀相關專業文獻了解專業領域發展現狀和趨勢。“機械結構有限元分析”作為研究方法工具性課程，除要求研究生學習并掌握有限元的基本概念、基本理論外，更重要的是要掌握有限元在科學研究中的應用。通過對專業領域有限元相關科研論文的查找、閱讀和講解，增強研究生對研究方法和研究思路的了解，激發研究生科研興趣和科研熱情。

（三）多角度的教學評價

教學評價直接影響研究生對課程學習的積極性。基于教學方式和教學內容采取課程考試、研究小論文、研究設計、課程參與相結合的方式，全面評價研究生對有限元知識的掌握程度及發現問題和應用有限元解決問題的能力。

四、“機械結構有限元分析”課程改革探索實施

有限元作為一種數值模擬方法在科學研究中廣泛使用，已有商業公司開發了大型通用有限元計算平臺，如ABAQUS、ANSYS、ALGOR、ADINA等，掌握一個或者多個有限元計算平臺使用方法是目前拓展有限元應用的重要途徑。將有限元軟件的使用貫穿于有限元學習中，使研究生能夠快速、有效地建立起有限元分析的思路，并能夠觸類旁通。

機械結構分析是有限元應用非常成熟的一個領域，在靜力學、動力學、非線性等問題的研究中廣泛使用。接觸分析是非線性問題的一種，在工程結構中有大量的接觸問題。通過表1列出的幾篇有限元接觸分析相關論文可以看出，有限元作為一種科學研究手段在機械、生物醫學等領域已深入應用，得到廣大學者的認可。

通過閱讀有限元接觸分析文獻，研究生可以了解相關領域的研究現狀、存在問題，以及問題解決方法和手段。下面是一個有限元接觸分析實例關鍵步驟。軟件平臺為ANSYS。

步驟1：模型建立。可以采用第三方CAD軟件或者有限元軟件平臺自帶的建模工具。圖1為有限元模型，分別為三維模型和網格模型。通過模型建立，研究生可以了解實體結構如何簡化模型、有限元模型的建模方式、建模平臺的使用、單元選擇、模型網格化等有限元分析處理相關內容。

步驟2：接觸定義。接觸定義是有限元接觸分析的關鍵。通過接觸定義能夠激勵研究生主動學習接觸面、接觸類型、接觸計算公式等基本知識，變被動學習為主動學習。

步驟3：載荷約束設置。載荷約束設置是基于工程實際抽象出載荷和約束的加載方式，根據真實的物理系統抽象出物理模型，包括載荷和約束。

步驟4：求解和結果查看。

步驟5：結果分析與討論。對結果進行分析，與他人結果比較異同，進行分析解釋。

研究生通過對工程實際案例或者文獻案例的重復深入閱讀，既學習了有限元的知識，又了解了進行科學研究的基本方法、基本過程。通過文獻重復，可以充分鍛煉研究生的科研能力，體現有限元在科學研究中的作用。

“機械結構有限元分析”應充分發揮其研究方法工具性課程的特點，使其在研究生教育過程中鍛煉研究生研究能力。研究生結合科研需求既完成了有限元基本知識的學習，同時又了解了科學研究的基本方法，如選題的原則、數據獲取、數據處理分析等課題實施步驟，在進行有限元知識學習的同時深入理解科研的基本方法和流程，實現“機械結構有限元分析”課程學習和科研需求的融合。

參考文獻：

[1]? CLARK B R. 探究的場所——現代大學的科研和研究生教育[M].王承緒，譯.杭州：浙江教育出版社，2001：1.

[2]? 馬永紅，劉潤澤.研究生教育的本質和發展邏輯探?究[J].清華大學教育研究，2020，41（3）.

[3]? 姚金雨.多視角下研究生教育本質探析[J].黑龍江高教研究，2018（2）：16.

[4]? 朱順釵，葉信治.研究生教學問題與對策：基于教學?本質的分析[J].揚州大學學報（高教研究版），2018，22（2）：93-94.

[5]? 羅堯成.論研究生課程學習與科研訓練整合的三個?維度——基于30位新進校博士青年教師的調查啟迪[J].學位與研究生教育，2010（11）：60.

■ 編輯∕陳晶