研究生學位課《彈性力學及有限元》的創(chuàng)新教學研究論文

　　針對研究生學位課《彈性力學及有限元》理論性強，邏輯嚴謹、直觀性差、抽象、難理解等基本特點，該文在教學內(nèi)容、教學方法、教學手段三方面進行教學模式創(chuàng)新探索。將現(xiàn)代教學手段與傳統(tǒng)教學模式有機結(jié)合起來，將專業(yè)知識與工程實例溶入到理論教學之中，使枯燥抽象的理論知識變得生動實際，從而激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)新能力。

　　研究生學位課程《彈性力學及有限元》是一門理論性兼應用性極強的課程：一方面，理論性上，彈性力學的研究方法嚴密，基本概念及理論內(nèi)容十分抽象，公式嚴謹難以理解，即使對一些簡化的模型問題進行求解，通常需要大量的運用高數(shù)知識與理論，涉及微積分和常微分方程，更多運用偏微分方程相關思想與知識;另一方面，應用性上，彈性力學及有限元主要分析各種工程材料和工程結(jié)構(gòu)在受力過后的變形狀況，需要研究生對工程實例實踐有自己的感性認識，能夠?qū)⒗碚撝R的分析與工程實際的例子聯(lián)系起來。因此，該課程對研究生的高等數(shù)學的基礎思想和工程背景要求高，屬于研究生教學期間難度系數(shù)比較大的一門學科。

　　該課程是機械工程專業(yè)必修的主干基礎課程。涉及彈性力學平面問題(平面應力與平面應變)基本理論、直角坐標及極坐標求解、差分法和變分法、有限單元法、空間問題的基本理論等方面的內(nèi)容，綜合性強[1]。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，為彈性問題有限元法及彈塑性問題有限元法應用到機械工程的優(yōu)化設計、制造分析提供了嶄新途徑和高效手段。例如：采用先進的計算機數(shù)值模擬技術，人們可以在短短十幾分鐘之內(nèi)完成手工作業(yè)需要花費數(shù)周時間才能完成的工作，大大縮短了設計和試制周期[2]。如今幾乎所有重要的機械產(chǎn)品和機械裝備在研發(fā)階段都必須采用數(shù)值方法進行計算分析，這已經(jīng)成為探知復雜對象本質(zhì)規(guī)律的定量分析手段。數(shù)字化的“虛擬試驗”在研發(fā)時做到了高效率與低成本的完美結(jié)合，其大規(guī)模巨容量的工程計算模擬在研發(fā)中起到核心支撐作用。可見有限元方法作為一種成熟有效的分析手段，在科學研究、工程設計與研發(fā)制造中發(fā)揮了其無可替代的巨大作用。實現(xiàn)這些技術的關鍵之一，就是采用了CAD/CAE，而有限元分析技術則是其中的核心。可見對研究生培養(yǎng)來說，《彈性力學及有限元》是一門非常高端，非常重要、非常專業(yè)的課程。因此，在新的科技發(fā)展形勢下，該學位課怎樣在內(nèi)容和體系上突出拓寬基礎、提高應用能力培養(yǎng)，怎樣把課程建設建成擁有新理念、重基礎、突出應用技術、容易自學等特點的精品課程，使理論、實踐、素質(zhì)、創(chuàng)新和現(xiàn)代教育技術有機地結(jié)合在一起，是該課程改革和建設的目標。經(jīng)過此課程的基礎教授、課外作業(yè)、計算機模擬、課堂報告等教學環(huán)節(jié)，首先加深基礎理論知識的掌握，熟悉一般實際實踐中出現(xiàn)的受外力影響、邊界條件、溫度改變等因素而引發(fā)的應力變化、應變程度和位移量分析;其次加深理論結(jié)合實際，使學生通過虛功原理的位移法、力法、混合法及有限元數(shù)值模擬方法掌握工作實踐中應用的分析和求解能力，為接下來的專業(yè)課學習和學術研究做好充分準備。

　　在實踐教學環(huán)節(jié)，由于沒有足夠的計算機實驗教學平臺，使得學生接觸數(shù)值計算和參加實驗的時間少、上課內(nèi)容和實際工程沒有直接聯(lián)系，自然而然在學習過程中不能回避地產(chǎn)生一定困難，由于上述因素都很大程度影響和制約了研究生學習的積極性[3-4]。對于上述問題，除了教學中合理安排上課知識順序、細致準備教案外，還應重點探討教學模式的創(chuàng)新。可從以下幾方面問題著手。

1 明確課程教學總體思路和目標

　　高等教育的根本問題是：“培養(yǎng)什么人，怎樣培養(yǎng)人”。它的培養(yǎng)目標是教師進行創(chuàng)新教學工作的出發(fā)點和行動指南。創(chuàng)新教育使大家深刻認識到，彈性力學及有限元課程的教學目標不是培養(yǎng)上機實驗員，而是應該向社會輸送具有較強的實踐能力和創(chuàng)新能力的工程設計制造人才。因此，只有注重學生學習能力、思維能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，創(chuàng)新教育才能獲得成功。

　　創(chuàng)新教學課程《彈性力學及有限元》作為計算力學的主要方法已成為工程設計分析的最重要手段，大到航天飛機、船舶及海洋石油平臺、重型機械、汽車制造業(yè)，小到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計分析、以及進行理論研究都需要使用這一成熟而又有效的方法。目前，就有限元分析本身而言，主要涉及以下幾個方面：數(shù)值計算;力學基礎;計算機應用;工程應用。因此，“物理建模+軟件平臺+工程應用對象”是彈性力學及有限元分析這門課的三個主要特征。因此，在教改中應努力做到：(1)力求反映上述三個方面的完整內(nèi)容，達到“數(shù)值計算及力學基礎→工程概念→有限元平臺的使用→解決實際問題”的目標。(2)使研究生在彈性力學學習及有限元的數(shù)學理論分析基礎方面有較深刻的理解，著重于方法論的多元融合來分析復雜工程問題，實踐應用有限元分析的最新研究成果，力求解決一些實際的工程問題。(3)整合優(yōu)化課程體系、進一步拓展彈性力學及有限元課程的深度、廣度及應用。通過該課程教學模式的創(chuàng)新，帶動和推進其他相關課程的建設和發(fā)展，不斷提高教學質(zhì)量，培養(yǎng)研究生綜合學習與開拓創(chuàng)新能力。

2 教學方法創(chuàng)新

　　(1)重新設計課程體系，依照彈性力學及有限元技術的最新發(fā)展趨勢，修改完善教學大綱，努力實現(xiàn)理論教學與實踐教學的融合。

　　(2)采用啟發(fā)式的教學方法，要求該課程的教學內(nèi)容應由“靜態(tài)”向“動態(tài)”方向發(fā)展。“靜態(tài)”指要求學生能夠在理論層面上真正理解和掌握彈性力學及有限元方法;夯實基礎知識，加大課程信息量;“動態(tài)”指要求學生能夠在實踐層面上利用計算機有限元模擬平臺掌握分析實際工程問題的動態(tài)仿真過程，如：伺服壓力機結(jié)構(gòu)強度及整體剛度分析、折彎機床身變形模擬、板材沖壓成形及回彈動態(tài)過程等;力爭反映該領域較成熟的最新的實用成果，如：高精度方法(h-p adaptive)計算的誤差控制及計算的可靠性及收斂性問題等。課堂上，結(jié)合彈性力學理論知識，在先進的有限元數(shù)值仿真平臺上演示教學，并在工程實際實例中精選出具有典型教學代表意義和較大知識覆蓋面的實例作為教學素材，設計出一些能夠充分發(fā)揮學生創(chuàng)新能力的上機練習及考試試題。

　　(3)利用網(wǎng)絡教學手段，把課堂教學內(nèi)容的PPT、課本練習題的參考答案，常見的經(jīng)典工程結(jié)構(gòu)三維有限元動態(tài)仿真模擬動畫、視頻文件等相關教學內(nèi)容放在網(wǎng)絡上，學生可網(wǎng)上查閱，以了解該課程的各方面情況，同時也可從網(wǎng)上反饋有關信息。

　　(4)積極尋求校企聯(lián)合、共同加入課程建設和教學的`模式，積極與企業(yè)工程師共同創(chuàng)作部分與企業(yè)項目實際類似的課程設計題目，提高課程設計的實踐性，縮小課堂教學與企業(yè)實際間的距離。使專業(yè)知識與工程實例融入到彈性力學及有限元的理論教學之中，讓枯燥的抽象理論知識與實際的工程實踐知識結(jié)合起來，調(diào)動了研究生的學習積極性，激發(fā)研究生的研究興趣和創(chuàng)新能力。

　　(5)推進教學與科研相融合，高水平的教學與科研是有機結(jié)合、相互促進的，以教學促進科研，以科研充實教學，實現(xiàn)教學和科研的良性互動。在已有的包括國家自然科學基金、上海自然科學基金及上海教委創(chuàng)新基金在內(nèi)的科研平臺上，基礎理論結(jié)合實際工程問題，來推進《彈性力學及有限元》課程教學改革縱深發(fā)展，以培養(yǎng)適應機械工程領域需求的具有創(chuàng)新精神，實踐能力和創(chuàng)業(yè)精神的高素質(zhì)研究生人才。