“雙碳”背景下“計算力學”教學改革

［摘 要］ 非常規油氣資源規模化開發是支撐我國“雙碳”目標的重要基礎，為使學生深入理解“計算力學”課程的重要性，探討了“計算力學”課程在“雙碳”目標背景下的教學改革，提出基于Python語言程序設計的改革策略。通過引入Python編程語言，結合實際工程案例，旨在提高學生的計算思維和工程問題解決能力。另外，通過程序設計可提高學生的編程水平，從而培養更符合新時代需求的工程技術人才。通過案例分析展示了改革的具體實施效果，驗證了該教學模式的可行性和有效性。

［關鍵詞］ “雙碳”目標；計算力學；教學改革；Python語言；程序設計

［基金項目］ 2023年度青島理工大學本科教學改革與研究項目“‘新工科’人才培養模式下材料力學課程多元考核模式探索與實踐”（F2023-151）；2023年度中國高等教育學會高等教育科學研究規劃課題“學組制：力學專業拔尖學生的培養”（A2023-350）；2023年度國家自然科學基金項目“相變-多物理場作用下能源土破壞分析的近場動力學模型與算法研究”（12302264）

［作者簡介］ 趙世軍（1988—），男，山東日照人，博士，青島理工大學理學院講師，主要從事計算力學研究；孔 亮（1969—），男，云南景東人，博士，青島理工大學理學院院長，教授（通信作者），主要從事海洋巖土力學與工程研究。

國務院于2021年10月印發《2030年前碳達峰行動方案》指出，將加快推進非常規油氣資源規模化開發作為能源轉型行動的重要舉措。天然氣水合物是天然氣與水在高壓、低溫條件下形成的籠形類冰狀結晶物質，燃燒后僅生成少量的CO2和H2O，且已探明的天然氣水合物含碳量為現有石油等傳統資源含碳總量的2倍［1-2］，是極具開發前景的戰略性接替能源。工程教育作為培養技術人才的主要途徑，必須與國家戰略相結合，改革教學內容和方法，以應對新形勢下的挑戰。

天然氣水合物的開采主要通過改變能源土內、外部溫壓環境使其分解，天然氣水合物分解會引起能源土力學性能急劇劣化，極易誘發海底滑坡等災害，會對海底工程設施構成極大危害［3］。為實現天然氣水合物的安全高效開采，需開展能源土破壞過程研究。目前，對天然氣水合物分解時能源土力學性能的研究主要通過實驗室試驗與數值模擬手段［4］。然而，天然氣水合物賦存條件苛刻，難以實施現場原位試驗［5］。由于數值模擬成本低、可重復性強，吸引了國內外學者利用以有限元等為代表的計算力學方法對能源土的力學特性進行研究［6］。隨著高性能計算機的不斷迭代，計算力學方法已被證明是研究巖土力學問題強有力的工具。

一、“計算力學”教學現狀分析

計算力學融合了數學、計算機科學等多個領域的知識，通過課程學習可培養學生的多學科思維和解決復雜問題的能力。作為工程力學本科專業的核心專業課，涵蓋了有限元分析、數值方法和計算仿真等內容。傳統的“計算力學”教學主要依賴于MATLAB、Fortran等編程語言進行計算仿真。這些編程工具雖然功能強大，但存在學習難度大、應用場景局限等問題，使得學生在工程應用中難以發揮其所學知識［7］。

傳統“計算力學”課程通常強調公式推導和理論分析，課程中實踐環節較少，學生對仿真軟件的操作和實際項目的分析經驗有限，會影響學生動手能力和實際解決問題的能力［8］。傳統的“計算力學”授課模式主要以理論講授為主，在激發學生的學習興趣和創新潛力方面存在較大缺陷。傳統評價方式通常以期末考試為主，忽視了學生在整個學習過程中的參與度和進步情況，難以全面評估學生的實際能力［9］。傳統“計算力學”課程通常專注于力學本身，較少涉及與其他學科的交叉內容，這限制了學生的跨學科思維和創新能力的發展。這些局限性顯著影響了“計算力學”課程的教學效果和學生的綜合能力提升，在國家“雙碳”目標背景下，工程教育面臨著培養高素質復合型人才的要求。隨著現代工程問題的復雜性不斷增加，學生不僅需要掌握基礎理論，還需要具備解決復雜問題的計算能力與編程技能。因此，通過不斷更新教學內容和方法，以培養學生的創新思維與實踐能力，才能使其更好地應對未來的挑戰。

二、Python編程語言的優勢與應用前景

近年來，Python語言由于其簡潔易學、功能強大和應用廣泛的特點，成為科學計算、數據分析和人工智能領域的主流編程語言。在“計算力學”教學中引入Python編程，不僅能夠降低學生的學習門檻，還能夠通過豐富的庫支持和交互式編程環境，增強學生的計算思維和實踐能力，從而更好地滿足“雙碳”目標背景下的工程教育需求［10-12］。

Python的語法設計簡潔明了，接近自然語言，降低了編程入門的難度。Python擁有龐大的標準庫和第三方庫，這使得它在數據分析、Web開發等領域具有極大的優勢。Python擁有龐大的全球社區，開發者可以方便地找到豐富的資源、教程和支持。此外，Python的生態系統非常活躍，新的工具和庫不斷涌現，擴展了Python的應用范圍，這使得Python成為許多項目快速原型設計和開發的首選語言。Python既支持面向對象編程，又支持函數式編程，這使得開發者可以根據需求靈活選擇編程范式，增強了代碼的靈活性和可維護性。在科研領域，Python也被廣泛用于數據分析、建模和仿真。目前，Python憑借其易學易用、強大的庫支持、跨平臺兼容性和廣泛的社區支持，已成為現代編程中不可或缺的語言［13-14］。

三、基于Python語言的“計算力學”教學改革策略

（一）課程內容的調整

傳統的“計算力學”課程內容主要集中在有限元方法等基礎理論的講解，忽視了編程技能和實際應用。為了更好地適應“雙碳”目標的需求，課程內容需要進行以下調整。

1.引入Python編程基礎。在課程初期，增加Python編程基礎的內容，使學生掌握基本的編程語法和數據處理方法，為后續的計算力學應用打下基礎。

2.增加數值計算與仿真案例。結合Python的科學計算庫，在教學中引入具體的數值計算和仿真案例，如結構力學中的有限元分析等，通過具體案例幫助學生理解理論知識在實際中的應用。

3.結合“雙碳”目標工程案例。在課程中增加與節能減排、能源利用相關的工程案例，使學生在學習“計算力學”的同時，了解“雙碳”目標對工程設計的影響。

（二）教學方法的創新

為了提高教學效果，基于Python編程的“計算力學”課程可以采取項目驅動教學法，將課程內容與實際工程項目相結合，設計與計算力學相關的工程項目任務。學生通過團隊合作完成項目，全面掌握計算力學的理論和方法。進行翻轉課堂與混合式教學，在課程中采用翻轉課堂模式，學生課前通過視頻等形式學習基礎理論知識，課上則以案例分析、編程實踐和討論為主。混合式教學將線上學習與線下教學相結合，提高學生的學習主動性和參與度。然后結合互動式編程教學，教師可在課堂上實時展示代碼的編寫與運行過程，學生也可通過實驗和調試，直觀地理解力學問題的求解過程。

（三）實驗與實踐環節的優化

實驗和實踐環節是“計算力學”課程的重要組成部分。為了增強實踐效果，可通過以下途徑進行優化。（1）計算力學編程實驗。設立專門的“計算力學編程”實驗課程，利用Python語言進行數值計算和仿真。（2）工程應用實踐。結合工程問題，設計與“雙碳”目標相關的應用實踐內容。使學生能夠將理論知識應用于實際問題。（3）在線實驗與虛擬仿真。利用現代信息技術，開發在線實驗平臺和虛擬仿真環境，學生可通過網絡進行實驗操作和仿真計算。

（四）考核方式的改革

為了更好地反映學生在課程中的實際表現，通過增加編程項目考核，學生需要通過完成一個實際工程問題的編程任務來展示其對計算力學知識的掌握和應用能力。結合案例分析與報告，要求學生針對特定的工程案例進行分析，并撰寫詳細的報告。重視平時成績與參與度，將平時的作業、課堂討論和實驗參與度納入成績考核，全面評價學生的學習過程和參與情況。

（五）教學案例分析與評估

為了驗證基于Python語言的“計算力學”教學改革的效果，本文設計并實施了一個具體的教學案例——“基于Python的梁結構有限元分析”。該案例覆蓋了從理論建模、數值計算到結果分析的全過程，通過具體的案例分析展示了改革后的教學方法和內容。梁結構在工程中應用廣泛，其力學性能分析是計算力學中的重要內容。本案例的目標是讓學生通過Python編程實現梁結構的有限元分析，從而掌握有限元方法的基本原理和應用技能。

1.教師講解梁結構的基本力學理論，包括彈性力學中的彎曲應力和應變關系。然后介紹有限元方法的基本原理，特別是如何將連續體力學問題離散為有限元模型。

2.Python編程實現，學生開始學習編寫Python程序，具體包括以下步驟：（1）網格剖分。將梁離散為若干有限元單元。（2）剛度矩陣的構建。根據梁的物理力學參數，構建單元剛度矩陣，將其組裝成全局剛度矩陣。（3）邊界條件的處理。根據工程條件設置邊界條件，并對全局剛度矩陣進行修改。（4）求解位移和應力。利用數值方法求解位移，并計算相應的應力和應變。（5）結果分析與討論。運行程序并分析計算結果，通過比較數值結果與理論解，驗證編寫程序的正確性。（6）案例總結。在完成編程和分析后，撰寫總結報告。

通過該案例的實施，學生不僅掌握了有限元分析的基本原理，還通過實際編程和問題求解增強了計算思維和實踐能力。此外，教師也積累了豐富的教學經驗，為后續課程的進一步優化提供了參考。

四、教學改革效果評估

（一）學生學習效果評估

為了評估基于Python的“計算力學”教學改革效果，可通過問卷調查、平時作業和期末考試成績分析等方式對學生的學習效果進行評估。通過問卷調查了解學生對新教學模式的滿意度，學生認為Python的引入降低了課程的學習難度，增強了對計算力學的興趣。通過分析學生在案例編程分析中的表現，發現學生在編程技能方面有了顯著提高，特別是在處理復雜問題時表現出更強的創新能力。相比于傳統授課模式，課程改革后的期末考試成績以及目標達成度大幅提升。

（二）教師教學反饋

教師在教學過程中也反饋了教學改革的效果。通過引入Python編程，教師認為教學內容更加豐富，學生的參與度和互動性顯著提高。同時，項目驅動和案例教學模式有效地激發了學生的學習興趣，使得教學過程更加生動有趣。

結語

在“雙碳”目標背景下，“計算力學”課程的教學改革具有重要意義。通過引入Python語言進行程序設計，結合工程案例和項目驅動教學法，能夠有效提高學生的計算思維、編程技能和實踐能力。本文通過案例分析展示了教學改革的具體實施過程和效果，驗證了基于Python編程的“計算力學”教學模式的可行性和有效性。改革后的課程內容和教學方法不僅使學生在計算力學領域具備更強的工程應用能力，還為其未來的職業發展奠定了堅實基礎。

未來，“計算力學”教學改革還可進一步深化，例如，多學科交叉融合，培養學生的跨學科思維和綜合能力。在線教育與資源共享，利用在線教育平臺和開放教育資源，擴大教學改革的影響力，使更多學生受益。建立有效的教學反饋和持續改進機制，不斷優化課程內容和教學方法，確保教學改革的長效性。

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Curriculum Reform of Computational Mechanics under the Background of “Carbon Peaking and Carbon Neutrality”： Programming Based on Python Language

ZHAO Shi-jun， KONG Liang， ZHAO Wei-na， ZHAO Xin-bo

（School of Science， Qingdao University of Technology， Qingdao， Shandong 266520， China）

Abstract： The commercial development of unconventional gas resources is an important basis to support the strategic goal of “carbon peaking and carbon neutrality”. In order to deepen students’ understanding of the importance of computational mechanics courses， this paper discusses the curriculum reform under the strategy， and puts forward the reform strategy based on Python programming. Through Python language and practical engineering cases，" students’ computational thinking and engineering problem solving ability can be improved. In addition， Python programming can improve students’ program design skills， so as to cultivate engineering talents. This paper also demonstrates the concrete implementation effect of the reform through case analysis， and verifies the feasibility and effectiveness of the curriculum reform.

Key words： “carbon peaking and carbon neutrality” target; Computational Mechanics; curriculum reform; Python language; program design