學(xué)位課《彈性力學(xué)及有限元》教學(xué)改革創(chuàng)新性研究

付澤民 吳力杰

摘 ? 要：當(dāng)今各學(xué)科之間相互滲透和融合，傳統(tǒng)高校的教學(xué)模式已經(jīng)無(wú)法滿足實(shí)際需求，如何進(jìn)行傳統(tǒng)學(xué)科課程的改革，培養(yǎng)當(dāng)代研究生在學(xué)習(xí)和工作中的創(chuàng)新能力、提升其綜合素質(zhì)已成為新教育理念下急需探索的重要課題?！稄椥粤W(xué)及有限元》作為工科研究生一門重要的學(xué)位課程，有著理論性強(qiáng)、概念抽象、邏輯嚴(yán)密等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的教學(xué)模式不能很好應(yīng)對(duì)。本文從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及教學(xué)手段三個(gè)方面進(jìn)行創(chuàng)新式探索，將現(xiàn)代教學(xué)手段融入其中，同時(shí)將專業(yè)知識(shí)和工程實(shí)例融合進(jìn)理論教學(xué)，將抽象枯燥難懂的理論通過(guò)實(shí)例生動(dòng)的展現(xiàn)出來(lái)，從而大幅提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：彈性力學(xué)及有限元 ?教學(xué)改革 ?創(chuàng)新探索

中圖分類號(hào)：O343-4;G643 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）10（b）-0188-03

Abstract： Nowadays， various disciplines have penetrated and merged with each other， The traditional teaching mode of colleges and universities can no longer meet the actual needs. How to reform the teaching mode， cultivate the innovative ability of contemporary graduate students， and improve their comprehensive quality has become an important topic that needs to be explored under the new educational concept. As an important degree course for engineering graduate students， "Elasticity and Finite Element" is theoretically strong， abstract in concept and logically rigorous， which poses great challenges to the traditional teaching mode. This paper explores the three aspects of teaching content， teaching methods and teaching methods， and integrates modern teaching methods into it. At the same time， it integrates professional knowledge and engineering examples into theoretical teaching， and vividly reveals the abstract and boring theory through examples. Greatly improve the quality of teaching in colleges and universities.

Key Words： Elastic mechanics finite element; Teaching reform; Innovation exploration

1 ?引言

科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展使得工業(yè)制造技術(shù)迅速崛起，國(guó)家對(duì)于高素質(zhì)科技制造人才的需求越來(lái)越高。各大高校作為研究生的重要培養(yǎng)基地，對(duì)人才質(zhì)量的影響深遠(yuǎn)。但是通過(guò)對(duì)高校畢業(yè)的研究生在企業(yè)中并不突出的表現(xiàn)來(lái)看，高校的教育模式可能已經(jīng)無(wú)法在滿足社會(huì)對(duì)于人才的需求。事實(shí)上，我國(guó)對(duì)人才學(xué)歷的重視程度過(guò)高，可能導(dǎo)致學(xué)生能力培養(yǎng)上出現(xiàn)失衡，工作中的創(chuàng)新能力是企業(yè)對(duì)人才的普遍期望，但事實(shí)表明，各大高校培育出的人才在這方面的表現(xiàn)無(wú)法滿足社會(huì)需求?？梢?，研究生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)已經(jīng)成為當(dāng)前高校進(jìn)行教學(xué)改革的主要方向[1]。

有限元分析作為工程技術(shù)人員必須掌握的一項(xiàng)專業(yè)技能，在機(jī)械制造與建筑設(shè)計(jì)等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，它可以幫助工程師在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與設(shè)備制造過(guò)程中精確評(píng)估設(shè)計(jì)對(duì)象的精確性，檢驗(yàn)材料或設(shè)備的技術(shù)性能。隨著技術(shù)的發(fā)展，彈性力學(xué)與有限元分析在解決實(shí)際工程問(wèn)題的實(shí)踐中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用[1]。另外，軟件開發(fā)的加速使得有限元分析的效率大幅提升，有限元分析在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域以及工程技術(shù)領(lǐng)域中有了更加廣闊的應(yīng)用前景?；诖耍瑢?duì)于將來(lái)可能從事相關(guān)行業(yè)研究生就需要重視《彈性力學(xué)及有限元》這門課程。而高校關(guān)于該課程的理論教材存在不足，基礎(chǔ)概念與知識(shí)點(diǎn)晦澀難懂，而且邏輯性強(qiáng)，對(duì)教師授課與學(xué)生理解造成了較大障礙。更多情況下，學(xué)生只能通過(guò)老師的理論授課暫時(shí)掌握理論知識(shí)，對(duì)于自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)以及工程案例的處理上存在明顯缺陷。這顯然無(wú)法滿足社會(huì)對(duì)于相關(guān)行業(yè)人才的需求，因此對(duì)高校研究生學(xué)位課《彈性力學(xué)及有限元》的改革勢(shì)在必行。

2 ?基于《彈性力學(xué)及有限元》課程對(duì)當(dāng)前研究生課程教學(xué)模式的分析

2.1 課程教學(xué)內(nèi)容與模式存在問(wèn)題

在機(jī)械工程專業(yè)的研究生的課程中，彈性力學(xué)與有限元分析地位突出，該課程集彈性力學(xué)理論、數(shù)值計(jì)算、矩陣分析等知識(shí)于一體，想讓學(xué)生通過(guò)學(xué)校有限的課時(shí)掌握基本不可能。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，該課程已經(jīng)形成相對(duì)完善的體系，科技的進(jìn)步也逐漸模糊了傳統(tǒng)課程體系之間的界限[1]，這就要求課程與實(shí)際生產(chǎn)生活之間的關(guān)系也更加密切，然而該課程的內(nèi)容卻長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法得到更新，造成其與需求之間產(chǎn)生明顯的脫節(jié)。

該課程作為研究生學(xué)位課程，在教材內(nèi)容上來(lái)講和本科材教材的重復(fù)率過(guò)高，很多內(nèi)容已經(jīng)沿用許久[2]。目前主要的教學(xué)模式是理論知識(shí)的教學(xué)和上機(jī)實(shí)踐，前者的理論教學(xué)基本以老師授課為主要形式，而后者的實(shí)踐則基本是學(xué)生按照指導(dǎo)書進(jìn)行簡(jiǎn)單的實(shí)例分析、上機(jī)模擬等。這些實(shí)踐內(nèi)容比較簡(jiǎn)單且沒(méi)有代表性，學(xué)生往往在不求甚解的過(guò)程中就完成此過(guò)程，甚至在課程結(jié)束之后學(xué)生都不知道自己所學(xué)為何、軟件如何操作。這樣一來(lái)，根本無(wú)法發(fā)掘?qū)W生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，反而會(huì)適得其反，讓學(xué)生產(chǎn)生厭倦心理。

2.2 教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用不足影響教學(xué)實(shí)踐

優(yōu)質(zhì)的教學(xué)不僅需要完善的課程體系為支撐，基礎(chǔ)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也不能忽視?；谶@點(diǎn)考慮，高校增設(shè)課程所需的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)非常有必要，在有限元分析課程中，板材成形設(shè)備、高性能工作站以及Abaqus等在內(nèi)的仿真軟件是最為基礎(chǔ)的軟硬件平臺(tái)。而目前高校在這方面表現(xiàn)仍存在不足，一方面是這些教學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的缺失或者不完善，另一方面是硬件基礎(chǔ)到位但是又無(wú)法很好的投入實(shí)際教學(xué)中。為了真正的發(fā)揮實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的作用，需要強(qiáng)化校企聯(lián)合，加強(qiáng)高校與企業(yè)的合作，應(yīng)由企業(yè)提供一些技術(shù)指導(dǎo)來(lái)幫助高校、幫助學(xué)生更好的使用這些平臺(tái)，理解和鞏固所學(xué)理論知識(shí)，為以后的學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備。

3 ?以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo)的教學(xué)改革措施的制定

3.1 更新教學(xué)內(nèi)容，轉(zhuǎn)變教學(xué)方式

（1）如前文所述，該課程的教材內(nèi)容已經(jīng)脫節(jié)，需要根據(jù)當(dāng)前最新的研究熱點(diǎn)進(jìn)行更新。目前，伺服壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及整體剛性的分析、機(jī)床變形的模擬、板材沖壓成形以及回彈的動(dòng)態(tài)過(guò)程的分析等都是該領(lǐng)域較為成熟的最新成果，都可以作為經(jīng)典的工程實(shí)例要求學(xué)生掌握。學(xué)?？梢曰谶@些素材，設(shè)計(jì)一些能夠充分發(fā)掘?qū)W生創(chuàng)新能力的題目，作為學(xué)生平時(shí)的上機(jī)練習(xí)項(xiàng)目或者是考試的內(nèi)容來(lái)鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力。

（2）鑒于高校教學(xué)長(zhǎng)期以來(lái)采取的直輸式教學(xué)方式不能很好的刺激學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，甚至還會(huì)起到反作用，應(yīng)該更加強(qiáng)調(diào)啟發(fā)式的教學(xué)方式，對(duì)學(xué)生的要求不再局限于對(duì)理論知識(shí)的掌握，而是更加突出學(xué)生在對(duì)理論知識(shí)掌握的基礎(chǔ)之上培養(yǎng)實(shí)踐動(dòng)手能力，利用有限元分析軟件對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。

（3）互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)催生出多媒體教學(xué)，經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展已一種重要的現(xiàn)代教學(xué)方法。但是這樣的教學(xué)方法并不適合所有課程，尤其是對(duì)于彈性力學(xué)及有限元這類理論和實(shí)踐性強(qiáng)的現(xiàn)代學(xué)科類型[3]。當(dāng)然，此處并非否定，而是說(shuō)完全依靠多媒體教學(xué)不是最佳方式。為了更好的幫助學(xué)生，我校在校園網(wǎng)上專門建立了該課程的改革主頁(yè)，主要是借助網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方式，將教材的內(nèi)容和CAD技術(shù)、FEA仿真以及CAI教學(xué)進(jìn)行整合并放在網(wǎng)絡(luò)上，學(xué)生可以隨時(shí)通過(guò)訪問(wèn)網(wǎng)站獲取這些教學(xué)資源，更好地研究與學(xué)習(xí)[2]。

3.2 突出教學(xué)目的，培養(yǎng)創(chuàng)新能力

學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中應(yīng)當(dāng)處于主體地位，而教師則主要起引導(dǎo)作用，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，開拓學(xué)生思路，創(chuàng)新教學(xué)方法，擺脫傳統(tǒng)教學(xué)中單純的案例講解模式，調(diào)選一些具有代表性的具有工程背景的有限元實(shí)例，劃分難度等級(jí)，由學(xué)生自行完成建模、數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)分析等過(guò)程，更好的促進(jìn)學(xué)生在解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中熟練的掌握解決問(wèn)題的方法。而為了更好的實(shí)現(xiàn)該目的，在上機(jī)練習(xí)中也要選擇兼具綜合性和開放性的練習(xí)項(xiàng)目，激勵(lì)學(xué)生不斷思考，發(fā)揮想象力與創(chuàng)新能力。

3.3 改革考試方式，豐富考核途徑

考試是檢驗(yàn)課堂教學(xué)質(zhì)量的一種最直接有效的途徑，但是現(xiàn)代教學(xué)對(duì)于考試本身含義的理解上似乎出現(xiàn)了偏差，導(dǎo)致學(xué)生認(rèn)為學(xué)習(xí)的目的就是為了最后的考試，這種認(rèn)識(shí)顯然是錯(cuò)誤的?？荚嚳梢詭椭鷮W(xué)生及時(shí)的認(rèn)清自己學(xué)習(xí)中存在的薄弱環(huán)節(jié)，糾正自己的學(xué)習(xí)狀態(tài)，而且對(duì)于學(xué)校而言也可以很好的評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和學(xué)校的教學(xué)質(zhì)量。但是在今天這樣的時(shí)代，必須做出改變，變革現(xiàn)有的考核方式，不能把閉卷考試作為唯一的方式[6]。在該課程中，采取閉卷方式的方式會(huì)使學(xué)生在復(fù)習(xí)過(guò)程中消耗大量的時(shí)間在公式的記憶等方面，完全無(wú)法幫助學(xué)生拓展思維、提高創(chuàng)新能力。因此，在考試方式上，要采取復(fù)合考核的方式，在考察的內(nèi)容上要體現(xiàn)綜合性與靈活多樣性。

3.4 結(jié)合工程實(shí)踐，加強(qiáng)科教融合

一方面，高水平的教學(xué)和科研是分不開的，高質(zhì)量的教學(xué)可以促進(jìn)科研的進(jìn)步，而科研又可以不斷充實(shí)教學(xué)，所以應(yīng)該促進(jìn)兩者之間形成一種良心互動(dòng)的態(tài)勢(shì)[4]。針對(duì)該課程，可以在現(xiàn)有的國(guó)家自然科學(xué)基金等科研平臺(tái)上，注重基礎(chǔ)理論與實(shí)際工程問(wèn)題的結(jié)合，推動(dòng)教學(xué)改革，培育出社會(huì)需要的創(chuàng)新型人才[2]。

另一方面，正確認(rèn)識(shí)課程教學(xué)和工程實(shí)踐之間的關(guān)系，對(duì)該課程而言，單純的理論教學(xué)毫無(wú)意義，需要聯(lián)系工程實(shí)踐才能更好的提升學(xué)生的能力，而這需要高校加強(qiáng)與企業(yè)的合作，從中整理出一些具有代表性的有限元分析的典型實(shí)例作為學(xué)生的培訓(xùn)素材。通過(guò)這樣的方式，可以很好實(shí)現(xiàn)專業(yè)知識(shí)與工程實(shí)例在該課程教學(xué)中的有效融合，形成多元化的教學(xué)模式，大幅提升教學(xué)質(zhì)量。

4 ?結(jié)語(yǔ)

研究生人才的培養(yǎng)在我國(guó)的人才培養(yǎng)中占據(jù)非常重要的地位，而當(dāng)下社會(huì)對(duì)于人才創(chuàng)新能力的需求加劇迫使高校需要對(duì)研究生培養(yǎng)教育的方式做出改變，筆者通過(guò)自身多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合機(jī)械工程專業(yè)的特點(diǎn)，指出《彈性力學(xué)及有限元》課程在傳統(tǒng)教學(xué)模式中存在的不足：一是教學(xué)的內(nèi)容陳舊且構(gòu)成不合理;二是與課程配套的教學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的缺陷。本著對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力進(jìn)行開發(fā)的目的，提出優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容與方式、突出教學(xué)理念、改革考試模式、注重科教聯(lián)合等改革措施[7]，促進(jìn)學(xué)生在研究與學(xué)習(xí)過(guò)程注重自身創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1]于玉真，李偉亮，李勵(lì)，等.《彈性力學(xué)與有限元分析》課程教學(xué)改革研究[J].教育教學(xué)論壇，2017（45）：102-103.

[2] 付澤民.研究生學(xué)位課《彈性力學(xué)及有限元》的創(chuàng)新教學(xué)研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2016，13（19）：151-152，154.

[3] 方子帆，覃琳，何孔德，等.工學(xué)研究生學(xué)位課《有限元法》的教學(xué)與改革實(shí)踐[J].中國(guó)電力教育，2019（4）：60-62.

[4] 張?jiān)椋叱蓡T.機(jī)械類專業(yè)有限元法與應(yīng)用課程教學(xué)改革的研究與探索[J].科教文匯（上旬刊），2018（8）：76-79.

[5] 劉淑芬，李衛(wèi)民，黃海龍.“彈性力學(xué)及有限元”課程教學(xué)改革研究與創(chuàng)新——以遼寧工業(yè)大學(xué)為例[J].科教文匯（中旬刊），2019（4）：81-83.

[6] 徐杰，樊宇，王延慶.有限元分析基礎(chǔ)課程教學(xué)改革研究與實(shí)踐[J].科教文匯（下旬刊），2015（2）：67-69.

[7] 智晉寧.有限元方法課程教+學(xué)改革與實(shí)踐[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2010，27（5）：117-118.