《弹性力学与有限元分析》课程教学改革研究

于玉真，李伟亮，李励，王飞

摘要：本文针对《弹性力学与有限元分析》课程教学中存在的问题和课程的基本特点，在教学内容、教学方法、考核方式三方面进行了创新性的教学研究。同时，通过将专业知识与工程实践融入到理论教学之中，激发了学生的学习兴趣和创新能力，提高了教学质量。此外，该改革将大大有利于研究生的成才教育，而且对于教师自身素质和能力的提高也有很大的帮助。

关键词：有限元；教学改革；工程实践

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）45-0102-02

一、引言

有限元分析是一种数值分析技术，涉及弹性力学理论、数学计算、计算机软件和工程应用四大方面。近年来，人们在不断追求速度更快的交通工具、规模更大的建筑物、跨度更大的桥梁以及精度更高的机械设备。这一切都需要工程师在设计的时候就能精确地预测出产品和工程的技术性能，对结构的静、动力强度以及温度场、流场、电磁场等技术参数进行分析和计算。随着计算机技术和数值分析方法的不断发展，弹性力学与有限元分析和工程实践之间的联系也越来越紧密，弹性力学有限元法也为解决这类复杂的工程实际问题提供了有效的途径。基于计算机的有限元虚拟实验，具有无损伤、低成本、高效率和可重复的特点，在许多科学技术领域和工程实际问题中得到了广泛地应用。可见对于研究生的培养，弹性力学与有限元分析是一门非常重要的课程。弹性力学与有限元分析是一门知识覆盖面广、工程实践应用范围广的实用性特别强的专业课程。该课程的教学目标是让学生掌握弹性力学与有限元分析的基本概念、基本原理和基本方法，提高其分析与计算能力，掌握有限元分析工具，并且具备初步处理工程问题的能力。早期的教学方法以教师讲授为主，过于重视理论知识的传授，而忽视了培养学生的自主学习能力和工程实践能力。该课程是一门理论与实践联系紧密的课程，要求学生不仅要有系统的理论分析能力，还要有很强的工程实践能力。然而，在实际的教学中，弹性力学基本概念抽象，公式推演烦琐，使得不少学生降低了对这门课的学习兴趣。因此亟需对该课程的教学环节进行改革，激发学生的学习兴趣，提高教学水平和质量，实现该课程的教学目标。

二、教学过程中存在的问题

弹性力学与有限元分析是机械工程专业研究生的主干基础课程，综合了弹性力学理论、数值计算、矩阵分析、工程结构等多方面的知识，有着一个复杂的理论体系，好多学校由以前的54课时缩短到了32课时，学生在一段时间内掌握它比较困难。这门课程经过许多年的发展，课程的理论部分已经形成了比较完善的体系。随着科学技术的不断发展，多学科之间也在相互交叉与渗透，但是弹性力学与有限元分析这门课程的实践教学内容与实际需求之间存在脱节的现象。该课程的实践教学环节主要形式有：课堂实例分析、上机模拟实验、工程实例研究分析。这些实践过程都是学生根据指导书完成的，缺少了一定的自主性，同时工程实例也过于简单而缺乏代表性。在信息化时代，单纯的教师授课，以教师为主的课堂，师生间缺乏交流沟通，是不利于培养学生学习的自主性的。好多学生在学习过程中，不了解理论和有限元软件的联系，用软件做仿真试验时出错也不知道去修改哪些参数，不能对计算结果做出合理的解释，从而也就无法培养学生的创新能力。还有在实践教学环节中，由于没有足够的计算机实验教学平台，使得学生接触虚拟实验的时间少，这也是制约研究生学习积极性的一个重要因素。

三、教学改革研究内容

针对目前有限元课程教学中的问题，本文对课程教学内容、教学方法和考核形式等进行了改革并加强了对其工程实践环节的训练。

1.据时代发展，不断更新教学内容。教学内容选择是否合适直接影响教学效果的好坏，弹性力学与有限元分析课程内容涉及面广，有限元法的理论研究及其工程应用也在不断发展，教学内容不断丰富。因此教师要不断学习，了解有限元方向的最新科研成果，根据教学目标及时修改完善教学大纲，努力实现理论教学与实践教学的融合。上好第一课，在第一堂课上就给学生介绍大量的工程实践的背景知识，使学生认识到学习该课程的重要性，教师应将授课计划、学习要求以及考核方式告诉每位学生，以便其提前做好预复习工作，提高学生的学习兴趣。

2.改变教学方法。采用多媒体教学，可以使复杂的事物简单化，抽象原理具体化。弹性力学与有限元分析课程内容多，而课时有限，教师在课上要注重对问题分析流程的讲解：具体实际问题，然后用理论基础去解释，再用有限元软件去分析，最后解决实际问题。学生是学习的主体，应把学生放在中心位置，课堂上学生可以随时提问，这样就可以充分调动学生的学习主动性，提高其学习效率。

3.计算机平台的构建与先进软件的应用。在教学中多安排上机学习，鼓励学生在课外时间上机练习。在软件方面，随着有限元技术的发展，有限元软件版本更新迭代，最新版的ANSYS已经更新到ANSYS18.0，新版本集成了更多的模块，计算效率更高，全新的图形建模环境能帮助使用者更好地进行模型前处理。在硬件方面，好多学校上课还在使用老式计算机教学或是学生的笔记本。ANSYS的计算过程对计算机的要求较高，有限元的发展得益于现代计算机的发展，需要给学生提供性能较好的计算机。根据学校具体的研究方向，建立CAE中心，为了追求经济效益，同时减少资源的浪费，在满足学生学习要求的前提下，学校可以配备五六台大型服务器，用于工程研究，再配备三四十台性能一流的计算机供学生学习使用。本校的CAE中心拥有先进的软硬件设施。中心内配备浪潮天梭大型刀片式服务器（TS10000）1台，浪潮图形工作站（NP5580M3）4台，高性能的计算机若干台，可以实现最高6个刀片、12颗CPU、768G内存的并行计算，大型国际商用软件ANSYS15.0、ADAMS2015、DEFORM、CROE（PROE）等。同时，还可以可以完成建模、装配、结构静力分析、刚体動力学分析、热—结构耦合分析、模态分析、流体仿真分析、电磁分析、多物理场耦合分析、非线性分析、模态综合法柔性体分析、线性振动分析、大变形柔性体分析等各项分析任务，并能实现AutoDesign设计研究、鲁棒性设计优化、多目标快速优化等功能，为弹性力学与有限元分析课程实践教学平台的构建提供了师资力量和硬件环境。这一切都为教学改革的顺利开展奠定了良好的基础。

4.考核方式的改革。弹性力学与有限元分析是门理论与实践联系很紧密的课程，只用闭卷考试这一种考核方式显然已经过时了，这样不能很好地了解学生知识技能的掌握情况。为此本校综合采用了课程中期留大作业、上机建模有限元分析以及课程报告等多元化的考核方式，以切实考查研究生知识技能的掌握情况和创造性解决工程实际问题的能力。做完大作业后，让学生在课堂上讲自己分析问题解决问题的过程，增加了师生间的交流。

5.工程实践在教学中的应用。为了实现该课程的教学目标，让学生具备初步处理工程问题的能力。笔者从近几年的科研活动中精选出有代表性的实例供学生练习。同时，还将工程实践与课程教学结合，在教学中取得了良好的效果。

四、结语

本文是笔者通过多年的教学实践，针对机械工程专业特点，对课程改革所进行的积极探索，而且也较好地完成了有限元方法理论和实践的教学衔接，主要表现有以下几个方面：整合和优化了与弹性力学与有限元分析课程相关的各种教学资源；建设了弹性力学与有限元分析课程的网络课程教学平台；构建了计算机平台，给学生提供了良好的硬件实践环境；改革考试方式，提高了学生的学习兴趣；将工程实践作为实训素材，使专业知识与实际工程应用融入到了弹性力学及有限元分析的理论课程学习当中。采用多元化的课程建设和创新的教学模式，切实提高了课程理论与实践教学质量，对研究生有限元教学具有一定的指导意义。当然，教学改革是一个长期的过程，教师应加强自身学习，提高教学质量，为社会培养出更多的高素质人才。

参考文献：

[1]李树森.基于工程教育认证的机械结构AN SYS课程教学改革与实践[J].教育教学论坛，2016，（11）：234-235.

[2]徐芝纶.弹性力学简明教程[M].第3版.北京：高等教育出版社，2002.

[3]谭晓慧.有限单元法课程教学探索[J].教育教学论坛，2014，（41）：185-187.

[4]杨创创.有限元法课程的教与学[J].教育教学论坛，2013，（46）：93-95.endprint