有限元應(yīng)用的創(chuàng)新能力培養(yǎng)與探索

羅敏?趙文欣?張強(qiáng)?王晶

摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬仿真技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，有限元分析方法已成為工程設(shè)計(jì)及分析的最重要分析方法之一，提高有限元應(yīng)用的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)備受關(guān)注。從采用多媒體教學(xué)、將有限元軟件引入有限元理論教學(xué)中、將科研成果引入教學(xué)中、創(chuàng)建創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和參加競(jìng)賽五個(gè)方面，開(kāi)展提高學(xué)生有限元應(yīng)用創(chuàng)新能力，培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才的研究。

關(guān)鍵詞：有限元；教學(xué)；創(chuàng)新；ANSYS軟件

作者簡(jiǎn)介：羅敏（1968-），女，黑龍江伊春人，東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，教授；趙文欣（1969-），男，吉林白山人，東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，副教授。（黑龍江 大慶 163318）

基金項(xiàng)目：本文系黑龍江省學(xué)位與研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：JGXM_HLJ_2012025）、黑龍江省教育廳教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題（課題編號(hào)：GBC1211021）、黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：JG201210097）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）15-0088-01

隨著有限元仿真技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬仿真技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，有限元作為一種有效的數(shù)值模擬方法，在眾多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。有限元理論是以力學(xué)問(wèn)題為背景，以數(shù)值解法為主要內(nèi)容，以計(jì)算機(jī)應(yīng)用為實(shí)現(xiàn)手段，注重培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的一門課程。掌握有限元方法的基本原理和使用技巧，更好地應(yīng)用有限元分析這一強(qiáng)有力的數(shù)值計(jì)算工具，成為高校工程類大學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容和要求。由于有限元課程內(nèi)容較抽象，理論性強(qiáng)，往往使初學(xué)者望而生畏。本文主要通過(guò)采用多媒體教學(xué)、有限元軟件引入有限元理論教學(xué)中、將科研成果引入教學(xué)中、創(chuàng)建創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和參加競(jìng)賽五個(gè)方面，探討采用合理的教學(xué)模式，提高學(xué)生的有限元分析能力。

一、采用多媒體教學(xué)，促進(jìn)教學(xué)形式多樣化

一般情況下學(xué)生對(duì)工程問(wèn)題了解不多，工程素質(zhì)欠缺，且專業(yè)知識(shí)也較匱乏，所以向?qū)W生展示工程實(shí)例不能單靠語(yǔ)言來(lái)表達(dá)，這樣會(huì)使學(xué)生印象不深，且感覺(jué)空洞。更多的時(shí)候是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)照片、圖片和動(dòng)畫(huà)等方式展示出來(lái)，這樣就要求教師的教學(xué)手段要多樣化，借助于多媒體計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)，可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，增加課堂學(xué)習(xí)的趣味性。并且在多媒體教學(xué)中設(shè)計(jì)一些內(nèi)容，注重老師與學(xué)生的交流，對(duì)于不同水平的學(xué)生內(nèi)容要有所不同；注重通過(guò)運(yùn)用教學(xué)演示實(shí)例，介紹有限元方法在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，從工程實(shí)際中選出具有典型代表意義的實(shí)例作為教學(xué)素材，可增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。

采用多媒體教學(xué)，能夠增加課堂容量，使抽象的問(wèn)題形象化，能夠增加課堂教學(xué)效果。

二、將有限元軟件引入有限元理論教學(xué)中，提高學(xué)生應(yīng)用能力

根據(jù)有限元理論，人們編制了很多有限元分析軟件，ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司編制的大型有限元分析軟件，美國(guó)ANSYS公司是世界CAE行業(yè)最著名的公司之一，該軟件集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和耦合場(chǎng)分析于一體。本門課程選擇該軟件為教學(xué)載體，介紹了該軟件的使用方法及分析過(guò)程。在有限元理論課程開(kāi)設(shè)之前，學(xué)生學(xué)習(xí)有限元軟件只是注重有限元分析過(guò)程及實(shí)用操作，但單元如何選擇，程序如何計(jì)算等都不清楚，只能把這些有限元理論內(nèi)容當(dāng)成“黑匣子”，有時(shí)對(duì)工程問(wèn)題的計(jì)算可能因?yàn)槿狈碚撝笇?dǎo)，導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。通過(guò)本門課程的學(xué)習(xí)，在有限元教學(xué)中引入有限元軟件，極大地降低學(xué)生掌握有限元理論的難度，從而提高了學(xué)生學(xué)習(xí)有限元理論課的興趣，也使學(xué)生應(yīng)用有限元軟件的能力得到了提高。

例如：在講完桿系問(wèn)題，筆者會(huì)給學(xué)生介紹ANSYS軟件如何分析桿系問(wèn)題，并通過(guò)例題來(lái)演示。而且還要給學(xué)生布置作業(yè)，要求學(xué)生能夠利用所學(xué)有限元理論求解，并要求學(xué)生還要采用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)比結(jié)果，這樣，不但加深了學(xué)生的理論知識(shí)，還能使學(xué)生有目的地去學(xué)習(xí)ANSYS軟件，從而提高應(yīng)用軟件的能力。

三、將科研成果引入教學(xué)中，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)

目前，大多數(shù)高校部分本科及研究生專業(yè)開(kāi)設(shè)了有限元方面的課程，目標(biāo)是使學(xué)生了解有限元的基礎(chǔ)理論，更好地利用有限元理論知識(shí)分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題。然而，筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)有限元分析理論較為抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣不濃。

多數(shù)高校教師既從事教學(xué)，又從事科研工作，若將相關(guān)的科研成果引入課堂教學(xué)，使科研和教學(xué)有機(jī)的結(jié)合，不但可以開(kāi)拓了教學(xué)的視野，豐富了教學(xué)的手段，提高了教學(xué)的質(zhì)量，對(duì)教學(xué)工作起到了巨大的促進(jìn)和推動(dòng)作用。而且也使學(xué)生更好地了解工程背景，利用有限元理論解決工程問(wèn)題的能力，避免學(xué)生畢業(yè)時(shí)只學(xué)了大量的理論知識(shí)而與工作實(shí)際脫節(jié)，又可以反過(guò)來(lái)增加學(xué)生對(duì)有限元理論的學(xué)習(xí)和理解。

為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)本門課的興趣，在講授這門課之前，先通過(guò)列舉一些工程實(shí)例，這些工程實(shí)例都是筆者以前利用有限元方法解決的工程問(wèn)題，也是筆者曾經(jīng)做過(guò)的科研項(xiàng)目。例如：筆者利用一個(gè)油田小型柔式抽油機(jī)作為教學(xué)范例，這個(gè)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，模型如何簡(jiǎn)化，單元如何選取，精度如何提高，這些內(nèi)容都是本門課程要解決的問(wèn)題。這個(gè)結(jié)構(gòu)包括桿系結(jié)構(gòu)、平面結(jié)構(gòu)、空間實(shí)體結(jié)構(gòu)，也正是這門課所要講的內(nèi)容。通過(guò)這些工程實(shí)例的介紹，使學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到有限元課程的重要性及實(shí)用性，這樣大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)本門課程的好奇心，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)本門課程的興趣，使學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性得到了提高。在講完每部分的理論后，筆者都舉出一個(gè)以前做過(guò)的此部分的科研問(wèn)題，注重講解工程背景，讓學(xué)生針對(duì)此問(wèn)題建立力學(xué)模型，并分析和解決此科研問(wèn)題，然后再針對(duì)學(xué)生分析中存在的問(wèn)題，進(jìn)行講解，注重問(wèn)題的分析過(guò)程，使學(xué)生能更好地解決工程問(wèn)題。

科研項(xiàng)目引入教學(xué)，使學(xué)生對(duì)具體工程實(shí)際問(wèn)題的分析與求解能力得到了提高，采用這種教學(xué)方式確實(shí)收到了良好的效果。

四、創(chuàng)建創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，培養(yǎng)拔尖人才

筆者的科研團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造一切條件和機(jī)會(huì)吸引優(yōu)秀的學(xué)生參與科研，由老師、研究生和本科生組成幾個(gè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，使學(xué)生在整個(gè)大學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程中都能培養(yǎng)自己科學(xué)研究的能力，提高學(xué)生的實(shí)踐能力，并以此產(chǎn)生以點(diǎn)帶面的效應(yīng)，在學(xué)生中形成積極參與科研的氣氛。結(jié)合學(xué)生實(shí)際，筆者分兩步制訂了學(xué)生的培養(yǎng)計(jì)劃：第一步，有限元軟件或編程能力的提高過(guò)程；第二步，參與科研項(xiàng)目、應(yīng)用能力的提高過(guò)程。筆者的部分老師根據(jù)學(xué)生的特長(zhǎng)和愛(ài)好，分別為每個(gè)學(xué)生選擇一個(gè)研究方向，分配一個(gè)研究課題，這樣就使學(xué)生帶著問(wèn)題去學(xué)習(xí)，不至于太盲目。在第一步的培養(yǎng)過(guò)程中，組織科研團(tuán)隊(duì)的部分老師圍繞各個(gè)專題給學(xué)生講授應(yīng)用軟件和編程的內(nèi)容，并安排學(xué)生上機(jī)操作。通過(guò)第一步的培訓(xùn)后，學(xué)生應(yīng)用軟件和編程的能力都有所提高。培訓(xùn)后的學(xué)生就可以進(jìn)行第二步的培養(yǎng)，參與科研項(xiàng)目，注重有限元理論和工程實(shí)踐相結(jié)合。這樣學(xué)生會(huì)覺(jué)得自己學(xué)有所用，學(xué)有所得，提高了學(xué)習(xí)的熱情，在科研中遇到的問(wèn)題又會(huì)激發(fā)學(xué)生探索的積極性，自覺(jué)地去提高自己，培養(yǎng)自己的實(shí)踐能力。而且，通過(guò)參加科研，學(xué)生可以了解自己所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀，有助于他們?cè)谝院蟮膶W(xué)習(xí)中根據(jù)自己的愛(ài)好準(zhǔn)確地定位，積極主動(dòng)地找到自己的發(fā)展方向，增強(qiáng)擇業(yè)的自主性，也為畢業(yè)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

通過(guò)在創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)中的鍛煉和培養(yǎng)，使學(xué)生的研究能力得到了提高，克服了以往學(xué)生理論學(xué)習(xí)與知識(shí)應(yīng)用的脫節(jié)現(xiàn)象，培養(yǎng)了更多的拔尖人才。

五、參加競(jìng)賽，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力

學(xué)科競(jìng)賽是學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的重要環(huán)節(jié)之一，是培養(yǎng)學(xué)生綜合能力和創(chuàng)新思想的主要手段。通過(guò)競(jìng)賽能夠加強(qiáng)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力和協(xié)作精神的培養(yǎng)，提高學(xué)生的工程實(shí)踐素質(zhì)和綜合能力。為此，積極組織學(xué)生參加各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽，在競(jìng)賽過(guò)程中訓(xùn)練學(xué)生應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行力學(xué)分析計(jì)算，完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，并能根據(jù)計(jì)算設(shè)計(jì)出承載能力最強(qiáng)、質(zhì)量最輕的橋梁結(jié)構(gòu)。通過(guò)學(xué)科競(jìng)賽，可以充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高學(xué)生自身的創(chuàng)新精神和動(dòng)手能力以及實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

六、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上的培養(yǎng)提高學(xué)生有限元分析能力，增強(qiáng)了科研能力和動(dòng)手能力，有助于學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神具有重要意義，也為國(guó)家培養(yǎng)了更多更合格的拔尖人才。

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（責(zé)任編輯：王意琴）