面向不同學科背景的《計算力學》研究生課程案例教學改革探索

陳培見++趙玉成++董紀偉+劉昊

摘要：《計算力學》在教學計劃中的地位不斷提升，在科學研究和實際工程領域越來越受到重視。然而研究生教育規模的急劇擴張，不同學科背景的研究生學習《計算力學》課程導致其教學實踐存在較多問題。在這樣的形勢下，開展研究生案例教學和自主學習教學模式的探索便成了研究生教育研究的一項重要課題。針對研究生的特點，建立和完善教學課程案例教學方案，對提高研究生自主學習能力培養具有重要的意義，在今后的研究生教育中具有重要推廣價值。

關鍵詞：不同學科背景；計算力學；教學實踐；案例教學

中圖分類號：G643 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）37-0088-02

隨著計算力學的日益廣泛應用，它在教學計劃中的地位不斷提升，被普遍列為工科專業本科的必修課和研究生的學位課。同時有相當多的工程技術人員和教學研究人員通過繼續教育也在學習計算力學。經過30多年的發展，我國的計算力學的科研和教學工作已經取得了驕人的成績，大量計算力學的SCI論文、教材和專著涌現，形成了學科特色鮮明的知識體系。但也應該清醒地認識到，由于計算力學屬于跨門類的交叉學科，其知識體系涉及面廣，有變分原理、泛函理論和數值方法，也有結構力學、彈塑性力學、流體力學、結構設計等，甚至還有計算機知識，如數據結構、計算幾何、計算機體系結構等[1-3]。我國研究生教育規模的急劇擴張，土木、機械、采礦等不同學科背景的研究生學習《計算力學》課程導致其教學案例庫建設嚴重滯后，使得《計算力學》在課程學習、知識應用以及社會反饋上仍然存在一些不可忽視問題。

一、《計算力學》教學實踐中存在的問題

1.學術型研究生缺乏程序開發的興趣。在面向力學、機械等專業的學術型研究生的教學中，由于相應學習階段數學知識的尚缺和授課時間的局限，學生們一般難于搞清數值計算的理論體系，留下的印象往往是：《計算力學》課程往往就是一兩個單元的形函數的介紹，有限元就是把微分方程問題變成代數方程問題的一套力學體系，學生沒有時間接觸有限元歷史上形成的華麗編程方法，往往忽略了計算力學軟件開發興趣，在面臨需要發展新的本構模型和單元形式來模擬特種合金、復合材料等新材料和新結構的行為、需要自己動手進行二次開發時，往往摸不清頭腦，導致導師交代的課題進展緩慢，嚴重打擊科研的興趣和積極性。

2.專業型、工程碩士研究生工程實踐能力缺乏。對于面向建筑工程、采礦、安全等工程培養的專業型、工程碩士，由于課程主要側重于理論知識的講授，學生們則經常反映理論學習對于工程問題的涉及較少，缺少商業通用軟件操作方面的講解，對于課題的指導性不強，使得學生缺少面向實際工程的建模能力，無法有效地利用有限元方法指導工程實踐。

3.授課內容難以適用于各背景、各層次研究生。由于《計算力學》課程選課人數較多，選課同學學科背景差異巨大，授課內容難以適合每一位同學，本科是力學專業的研究生同學希望老師能少介紹課程所需背景知識，多花時間講授高等有限元內容，而其他專業的同學則明顯對于應力、應變、本構關系等力學專業名詞感到陌生，希望老師能把基礎知識講清楚。

4.畢業研究生自主學習能力不強。很多用人單位反映，雖然各院校均開設了《計算力學》必修課程，然而必修課程基本上是介紹性質的，有限元一點，邊界元一點，有限體積一點，無網格一點；好像什么都學了。此外，“碩士研究生本科化”傾向明顯，部分同學甚至不了解有限元或其他軟件的代碼原理，弱化了學生整體上從事計算力學深入工作的能力。然而，作為最高層次的研究生教育，學生有一定的學習能力和主觀能動性，教學實踐中積極探索主動學習的教學模式將有利于研究生的成才和發展。

在研究生教學實踐過程中，探索如何針對不同學科背景的學術型研究生、專業型和工程碩士等培養對象，建設針對性強、學科特色明顯的《計算力學》課程案例庫，綜合運用案例教學，同時積極開展主動學習教學模式實踐，加強同學們的自主學習能力的培養，歸納和推廣滿足專業需要、學生個性化發展需要的教學方法，將是研究生培養的發展趨勢，也是值得諸多高校繼續探索和嘗試的一個方向。

二、針對不同的研究生培養對象合理設計和制作案例庫

與本科生更側重于特定專業知識體系的學習不同，研究生教育面向的培養對象專業性強、學科背景更加復雜多樣、學習目的更加明確，這無疑對具體課程的教學開展和實踐提出了更高的要求。之前的教學研究和實踐主要側重于《計算力學》課程基礎知識的介紹、基本理論和方法的貫通和掌握，很少有人針對研究生的特點開展該課程案例教學和自主學習模式的探索。而碩士研究生作為我國高校一個非常龐大的群體，在學校乃至國家的發展歷程中起到了很重要的作用，如何激發和提高這個團體的實踐和自主學習能力成為了研究的當務之急。

通過實際調查研究，對研究生的學科背景、課題選擇等信息收集和研究，掌握同學們的學習目的和已具備的專業技能，充分發揮力學學科教師的教學和科研工作優勢，設計和制作難度適中、工程科學意義強、學科背景明顯的《計算力學》課程教學案例。在課程講授前，查閱國內外《計算力學》和其他相關研究生課程案例教學的最新文獻，了解國內外案例教學的成果，借鑒前人和其他課程案例教學的思路與經驗。課程開始階段，組織同學們認真填寫信息表，充分了解培養對象的專業背景、研究方向和特點、現有知識儲備，把其作為制作和運用案例的主要依據。這就要求教學實踐者在《計算力學》課程的教學實踐和科學研究中積累非常豐富的素材，合理地編排，滿足不同背景、不同層次同學的背景需要。對于力學專業和其他學術型研究生，由于其對于該課程的要求較高，在案例制作時應在兼顧基礎知識和理論的同時，讓學生理解計算力學的數值內容，設置的案例要具有一定的深度，同時要與學生的研究方向、研究課題相關；而對于面向工程的培養對象，案例設計則更強調工程實踐性，如對于土木的學生，可以設計鋼筋混泥土配筋加載等工程實際問題。

三、結合案例，探索提高研究生的自主學習能力的措施

結合設計的案例資料，利用網絡平臺，安排計算機基礎、程序設計語言以及通用商業軟件的自學；同時，將相關學科背景學生劃分若干學習小組，通過大作業、案例進展匯報、獎懲結合等措施培養研究生的自主學習和解決問題的能力，提高計算力學知識的實踐能力。在案例教學過程中，鼓勵學生自主學習和互相學習，通過網絡平臺，督促學生完成計算機基礎、程序設計語言以及通用商業軟件的自學，并合理控制案例問題解決的進度，營造融洽的課堂氛圍，提高計算力學知識的實踐能力。在設計和應用案例教學、實踐主動學習教學模式的基礎上，歸納、總結教學方法，探索建立一套教學效果優異、操作性強的案例教學方案，通過創造一個提高培養對象實踐和自主能力的教學環境，推動和提高研究生培養質量的提高。

四、結語

隨著《計算力學》課程在研究生教學中占有越來越重要的地位，大力建設和完善面向不同學科背景的《計算力學》案例庫，開展研究生案例教學和自主學習教學模式的探索便成了當前研究生教育研究的一項重要課題。這對于提高人才培養質量，提升專業和學科影響力，培養研究生的實踐和自主學習能力具有重要的意義，在今后的研究生教育中具有重要推廣價值。

參考文獻：

[1]劉齊茂，李暾，張俊，趙軍.計算力學仿真手段在結構試驗教學中的應用[J].廣西民族大學學報：哲學社會科學版，2008，（12）.

[2]陳璞，傅向榮，張群，段斌。計算力學科研、教學與CAE軟件開發[A]//北京力學會第21屆學術年會暨北京振動工程學會第22屆學術年會論文集[C].2015.

[3]干洪.計算結構力學課程的改革與學科發展[J].合肥工業大學學報：社會科學版，2003，（4）.endprint