以科研為導向的工程結構數值方法課程改革與探索

孫玉周 常利武 王錦燕

中原工學院建筑工程學院（450007）

《工程結構數值方法》是我校土木工程、建筑與土木工程專業碩士研究生的學位課，是學生運用所學力學知識解決實際問題的橋梁。通過對該課程的學習，使學生了解目前常用的數值計算方法，為后續完成學位論文及今后從事土木工程技術工作奠定基礎。以往課堂教學偏重于基本理論講授及有限元軟件操作，不利于培養學生的科研能力和創新思維，因此在課堂教學中加強科研能力和創新思維訓練顯得十分必要。 在課程教學過程中，結合課程教學內容引入科研案例作為教學例題，可以實現課程學習和科研實踐的有機結合[1-2]，將“研究性”學習貫穿到日常課程教學中，有利于提升研究生的專業素養。

1 以科研為導向的課程改革的意義

1.1 開闊學生視野，增強學生科研原動力

工程結構數值方法課程涉及的內容理論性很強、公式概念繁多，不少學生學起來感覺相對枯燥、缺乏興趣。選取本專業科研案例作為教學例題不僅可以增強教學的深度，還可以拓展學生的視野[3]。此外，將教師科研工作經驗和科研實踐作為教學案例，尤其是將教師所帶研究生完成的與課程相關的學位論文作為課堂案例，可使學生感覺課程理論應用于科研實踐不再遙不可及，從而激發學生學習和科研的熱情，增強學生科研原動力[4]。

1.2 調動學生學習主動性，提高課堂效果

選取科研案例進行課堂教學，引導學生掌握案例所涉及的理論知識的具體應用，激發其主動學習的欲望，提高學習課程的興趣。 抽取科研課題的某一部分設計為教學案例，引導學生去分析問題和解決問題，有利于學生科研素養的提升。 將教師在科研工作中積累的經驗及科研成果引入課堂，不僅可以豐富課堂教學內容，還可以促使學生盡早對文獻查閱、科研選題及試驗操作有所了解，從而提高學習的主動性，提高課堂教學效果。

1.3 鍛煉學生科研思維，提升科研創新能力

由于受導師意愿、學生能力及科研環境等因素的影響， 研究生參與課題研究受到了很大限制，所以課堂教學仍是研究生獲取專業知識和提高科研創新能力的重要渠道。 將課程組老師所從事的與課程相關的高水平科研項目作為課堂教學案例，不僅有助于鍛煉學生的科研思維，也有助于提高學生理論聯系實際的能力[5]。 將科研案例融入課堂教學，鼓勵同學們自行搜集資料并開展小組討論，可以提高其探究學習和自主學習的能力，有助于學生科研能力和創新思維能力的提升。

2 以科研為導向的課程改革實踐

以科研為導向的課程改革強調科研型教學案例在課堂教學中的作用，通過案例教學將抽象難懂的理論用直觀形象的應用案例呈現出來，旨在通過課堂教學加強學生科研思維和創新思維的訓練，增強學生的科研體驗，提高研究生培養質量。 下面介紹的是以科研為導向的課程改革的具體措施[6]。

2.1 調整優化課堂教學內容

研究生教學應遵循以自學為主、以引導為主的原則，強調研究性學習。 為此，課程改革以增加科研型教學案例為主線，對課程的教學內容進行優化調整。 課程所涉及的基本理論知識先由學生課下自學，在課堂教學中精講難點，重點放在有限元、邊界元及無網格法的基本思想、具體案例的程序實現過程上。 適當減少課上軟件上機操作學時，將部分軟件操作訓練作為學生課下作業，引導有能力的同學自己編寫簡單的有限元程序。 在課堂教學中引入一定量的科研型教學例題，引導學生加深對所涉及的基本原理和重要知識點的理解。 通過對例題、程序的講解，使學生掌握算法的程序設計及實現的過程，為以后從事科研實踐或繼續讀博奠定基礎。 此外，在課程講授過程中， 盡量多引入科研事例來培養學生的科研興趣。

2.2 提煉“科研型”教學專題

以教學專題進行課堂教學可大幅提高學生的課程參與度，進一步激發學生的學習興趣。 結合課程的教學內容和學生的科研需要，對課程組教師及所帶研究生完成的課題或科研成果進行總結和歸納，整理出若干個適合教學的教學專題。 根據課程的內容體系，主要引入具體問題的形函數構造過程、剛度矩陣的拼裝步驟、邊界條件的施加方法、有限元和無網格的融合方法、商用軟件的二次開發等專題。 每個教學專題要求學生分組討論所運用到的知識點，鼓勵優秀學生結合自己的科研方向查找相關文獻完成簡單問題的程序驗證。

2.3 重視課堂案例的分析過程

重視設計案例分析過程，鞏固所用到的基礎理論知識，引導學生去發現問題、分析問題和解決問題，實現教學和科研的深度聯系。 教學中采用啟發式教學，鼓勵學生各抒己見，多增加師生互動環節，形成良性的互動式教學氛圍。 以用無網格法構造高階單元的ANSYS 二次開發課堂案例教學為例，啟發學生思考為何要進行二次開發，引導學生正確利用用戶子程序來修改單元的剛度矩陣。 引導學生思考在遇到單元精度不滿足要求時該如何應對，啟發學生利用無網格法形函數的優點來解決高階單元不易構造的問題。 通過對具體科研案例的分析，使學生理解利用無網格法計算框架編寫的FORTRAN程序來形成高階單元的思路，通過實例操作使學生掌握如何將上述程序鏈接到ANSYS 軟件中，達到修改整體剛度矩陣的目的。

2.4 改革考核評價方式

合理的考核評價方式是客觀評價學生學習效果，促進教學方法改革的重要途徑。 近年來，隨著高等教育改革的不斷深化，過程性考核作為一種平時成績的考核方式越來越受到廣大高校教育工作者的關注。 以科研為導向的工程結構數值方法課程改革重視過程性考核，考慮到課堂考勤、課程互動、平時作業和階段性測試等多元化因素，占總評成績的60%（如表1）。平時作業以課程“大作業”為主，主要為學生課下自擬題目的上機操作或給定題目的編程作業， 旨在激發學生的自學能力和科研興趣；階段性測試主要考核學生對課程基本知識點和基本原理的掌握情況；課程互動包括課堂教學互動和網絡互動兩個方面。

表1 考核評價內容及比例分配

3 結語

研究生課堂教學中以科研為導向的課程改革在培養學生的科研能力和創新思維方面有著重要意義。 以科研能力為導向的工程結構數值方法課程改革強調學習過程的“研究性”，可以實現課程學習和科研實踐的相互融合，有利于學生創新能力的培養，有助于學生以科研為引導的自主學習習慣的養成。 將部分學院高水平的科研成果作為課堂教學案例引入課堂，不僅可以激發學生的學習興趣、開闊學生的視野，還有助于研究生科研能力的提高。 引入科研型教學專題的課堂教學，可以使學生帶著問題學習，提高學習的主觀能動性，有利于打造高效課堂。 通過課堂教學改革讓課程學習變為研究生掌握專業知識和提升科研創新能力的重要渠道，全面提高研究生培養質量。