工程應用驅動下的《有限元基礎》本科教學改革探討

黃博 崔曉璐

摘? 要：有限元法是工科本科生解決工程實踐問題的重要方法，也是未來工程設計中不可或缺的一種重要方法。由于傳統的教學方式不能很好地適用于工程應用驅動下《有限元基礎》課程的開展，該文對該課程在教學體系、教學方式和教學評估的改革進行探討，以提升教學效果，為促進學生的工程實踐能力和創新探索能力，為應用高級型人才的培養提供全新思路。

關鍵詞：有限元基礎? 教學改革? 本科教學? 工程應用

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）07（c）-0107-03

Discussion on Undergraduate Teaching Reform of “Finite Element Foundation” Driven by Engineering Application

Huang Bo1? Cui Xiaolu2

（1.College of Civil Engineering， Chongqing Jiaotong University;2.College of Mechatronics & Vehicle Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing， 400074 China）

Abstract： Finite element method is an important method for engineering undergraduates to solve engineering practice problems， and it is also an indispensable and important method in future engineering design. Because the traditional teaching method is not suitable for the development of the course of "Finite Element Foundation" driven by the engineering application， the reform of teaching system， teaching method and teaching evaluation are discussed in present paper. It is helpful to improve the teaching effect， promote students' engineering practice ability and innovative exploration ability， and provide new ideas for the cultivation of the advanced application-oriented talents.

Key Words： Finite element foundation; Teaching reform; Undergraduate teaching; Engineering application

1? 《有限元基礎》課程教學改革的意義

隨著“工業4.0”和中國制造2025的提出，要求產品的設計越來越復雜和精密，也進一步要求產品性能的預測更加準確和快速，同時對于現今產品的制造也迫切需要更多的新型加工方式。在產品開發過程的具體設計階段，一般使用計算機輔助制圖、輔助設計、輔助分析及動態分析，即計算機輔助技術，主要有CAD技術（Computer Aided Design）和CAE技術（Computer Aided Engineering）。CAD技術可以用于圖形的設計，提高設計效率，縮短設計周期，加強設計標準化。CAE技術可以基于多種數學理論模型，快速進行計算機輔助分析計算，保證產品結構設計在多種并行設計條件下的合理性，并通過與可靠性和優化設計等技術的結合，提出優化方案。基于本科生前期CAD的學習基礎，在設計階段結合有限元軟件對產品進行CAE分析。有限元法作為一種廣泛應用于工程技術中的有效計算方法，從事設計計算的工程技術人員應當了解和掌握有限元法的基本原理和基本過程，特別是對機械、土木、力學等專業的工科學生，許多工程問題都可以用有限元法求解，因此，在工程應用的驅動下，為促進學生的工程實踐能力和創新探索能力，實現高級應用型人才的培養，對工科專業本科生有限元課程的實踐教學進行探索和研究勢在必行。

通過走訪多家用人單位，普遍反映目前本科畢業生的工程應用能力較為欠缺，未能達到企業所需高級應用型人才知識、技能和素質的要求。反饋到人才的培養過程中，發現實踐環節缺乏針對性、創新性，實踐學時遠遠低于理論學習，學生的工程實踐能力和創新設計訓練較為薄弱。究其原因，主要表現在教學體系、教學方式和教學質量評估方面。針對《有限元課程》這門課程，該文將從以上3個方面展開，對該課程的教學改革進行探討。

2? 《有限元基礎》課程教學改革探討

2.1 教學體系

工科人才需要極強的實踐動手能力，在現有的工科教學體系中，首先，課程內容和工程應用脫節較大。目前對于有限元課程選用的教材大多側重于力學公式的推導，工程案例較少，讓學生無法在學習這門課程的過程中將其應用于工程實踐。并且，理論課程比重較大，工程實踐訓練在學分比重上較比以往有所提高但受限于實習場地等因素而流于形式，缺少構建面向工程應用知識結構的實踐內容，理論學習和工程實踐嚴重脫離，導致學生畢業后在面對實際工程問題中，無從下手。因此，對于工科專業本科生開設的《有限元基礎》這門課程，需要在教學體系的改革中，以工程應用為驅動導向，將理論教學和實踐教學融合，穿插進行，并且通過這種方式將專業課程之間搭建連接平臺，實現全周期教學體系的綜合優化。

首先，針對應用型人才的培養目標，在課程體系中應當加大工程實踐學分的占比，可以安排為理論課程和實踐課程1：1的分配，通過理論課程的學習，及時在實踐課程中操作應用，有效將理論課程和工程實踐相結合，讓學生在掌握理論知識的同時，將其應用于實踐操作。這里可以在有限元理論課程的安排上輔以有限元典型商業軟件Abaqus、Ansys、Midas的學習。然后，在課程的教學內容上應當將有限元原理與工程軟件的操作相結合。比如，在梁結構有限元分析的講解中，理論課程可以安排梁結剛度矩陣的建立，引入約束條件，求解桿件上每個單元的力-位移關系，并設置相應的計算案例。上機實踐課程則可以結合工程實際安排梁結構的數值分析，結合專業特色，對橋、房屋、起重機械等進行分析。基于理論課程的所學的有限元機理，通過理論推導和數值仿真對比驗證，將理論課程和工程實踐融會貫通。

2.2 教學方式

現有的有限元課程教學方式較為單一，大多仍采用教師為中心的單向傳授知識模式，在工科專業的授課內容上仍是對結構原理、計算分析、經典例題進行講解。在這種模式下，學生知識被動地接受，課堂交互性較差。盡管目前網絡課堂和翻轉課堂已經取得了一定功效，但如何做到課堂生動、學生主動，仍是一個難題。因此，在教學方式的改革中，需采用混合教學模式，充分結合網絡教學和理論教學的優勢，運用多種新型教學方法以提高學生的學習興趣，實現真正意義上的翻轉課堂。

在教學方式的改革上，應采用智能化的教學方式貫穿課前、課上和課后。“雨課堂”作為一款適用于工科教學的智能化教學工具，能夠將信息技術、PPT和微信結合，把課前、課上、課后貫通，將面對面的教學方式和線上學習的方式融合，推進學生和老師的互動交流。課前教師可以把視頻、課件等教學資料發布，學生可以實現在線的預習，教師可以通過了解學生的預習情況。課堂學習中，學生通過對教學內容不懂處進行標注，讓教師得到相應的教學數據，及時調整授課進程。教師也可實時發布聯系，檢驗教學效果。同時，雨課堂的“彈幕”功能可以加強師生間的即時溝通，調動課堂氛圍。課后復習，雨課堂的資料保存可以使學生隨時對教學內容進行回顧。

2.3 教學評估

教學評估是提高教育教學質量的關鍵舉措，制定科學合理的高校課堂教學質量評價體系尤為重要。目前對于教學質量和學習評估，大部分通過理論考試的成績來評定，而實踐考核僅為最后考核的一小部分，不能完全反映教學質量的考核水平。并且，沒有明確的反饋機制來持續改進專業的培養過程。因此，在教學質量和學習評估體系的改革中，需基于工程認證的OBE理念，以學生為中心，以學習成果為導向，建立完善的評價體系和反饋機制。

在有限元課程中，可以在考核體系中構建以考試、上機報告和專題分析的課堂評價體系。考試主要安排于期中和期末，是評價學生對理論知識的掌握和理解程度;上機報告主要安排在每次上機后提交的作業，是評價學生對理論知識和軟件實踐的綜合運用能力;專題分析主要安排在學期末的結合專業特色的工程問題分析，是反映學生自主學習和探索創新的能力。這種評價方式兼顧理論和實踐，能有效打破傳統評價的單一性。

3? 結語

有限元方法是未來工程設計中不可或缺的一種重要方法，對于工科專業的本科生，學習并掌握有限元方法對其具有重要意義。由于傳統的教學方式不能很好地適用于工程應用驅動下《有限元基礎》課程的開展，因此，在教學過程中，需不斷改進教學體系，教學方式和教學評估，理論實踐相結合，促進學生“理論知識、工程實踐、創新探索”能力的全面發展。

參考文獻

[1] 張洪偉，席軍，許月梅.基于應用能力培養的本科有限元法課程的教改探討[J].中國現代教育裝備，2016（7）：68-70.

[2] 陳世民，何琳，陳卓.以人為本，強化實踐能力培養—土建專業“有限元基礎”課程教學改革探討[J].重慶交通大學學報：社會科學版，2007（1）：143-145.

[3] 崔曉璐，陳星，陳兆瑋.車輛工程專業《有限元基礎》本科教學改革探討[J].科技創新導報，2018， 15（25）：229，231.

[4] 汪博，宋曉治，李中文.基于方法論體系的有限元教學改革細則研究[J].機械設計，2018，35（S2）：155-158.

[5] 鄧聰穎，祿盛，鄭太雄，等.面向工程應用的有限元課程教學改革實踐[J].教育現代化，2017（36）：112-114.

[6] 梁亮，朱宗銘，許焰.《有限元基礎》教學探討[J].廣州化工，2014，42（23）：203-204.

[7] 張有宏，常新龍，張青，等.基于“理論引領、應用并行、案例示范”理念的有限元方法教學改革與實踐[J].教育教學論壇，2020（6）：127-128.

[8] 杜艷迎，陳云.面向實踐與應用的有限元課程教學方法的探索[J].教育教學論壇，2019（33）：143-144.

[9] 廖艷，邱鵬飛.應用型本科《有限元分析》教學實踐探索[J].科技視界，2019（9）：109-110.