有限元法课程教学改革研究与实践

张 宁

（西北农林科技大学 水利与建筑学院，陕西 杨凌712100）

近年来，随着我国水利、交通运输、航天航空及机械工业的崛起，有限元法已成为现代工业设计的主要方法，广泛应用于结构的静力分析、动态分析与结构优化中。 现代工程科学技术的发展要求人才具备完整的知识结构，即为工程实践、理论修养与计算能力三个方面具有高水平的训练，三者缺一不可，否则在今后的竞争中会变得十分被动。理论修养在日常的基础课与专业课中积累，计算能力的提高有多种途径，应用大型商业通用程序就是其中之一。 ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC 等大型通用商业软件的出现， 大大促进了有限元技术在工业中中的发展。由于ANSYS 功能强大，简便易学，是首选的通用程序，我校基于有限元理论结合ANSYS 程序开设面向本科生的选修课程。然而，由于有限元法的理论知识抽象性大，涵盖内容广，学生要在有限时间内掌握有限元法比较困难，对于如何提高有限元法教学效果成为一个急需解决的问题，对此，本文提出针对有限元法课程教学改革的一些尝试。

1 合理针对性的安排教学内容

本课程的学习目的是拓展本科阶段工程力学中的求解方法，培养学生运用离散化思想分析问题和利用计算机程序解决各种实际工程问题，求出问题的有限元解的能力，为以后学习和工作打下良好的基础[1]。但是有限元法的运用领域非常广泛，虽然运用时所依据的基本理论与原理都是一样的，但是在细节上的里还是有专业的区别。 例如在有限元的机械领域和水利领域上有很大的区别：后者有限元模型一般要比前者复杂的多，由于前者的材料一般是金属的，性质是线性稳定的，而对于水利领域中的材料一般是非线性的。 而且两者的各自的计算结果的判定和可靠性评估也不同。因此在教学过程中根据专业的不同合理安排教学内容，突出教学重点。合理选用优秀的教材，编写针对不同专业的教学方案，是提高教学质量不可或缺的手段。 由于目前各版本教材比较多，适用范围也比较广，一本不适合的教材误导学生的自我定位，挫伤学习积极性，影响教师的讲课，降低学生培养质量[2]。我校选用王新敏的《ANSYS 工程结构数值分析》，人民交通出版社出版的作为参考教材。

2 采用启发式的教学方法

有限元的内容主要包括有限元分析、原理、编程及软件应用。对于有限元编程来说，面对大量通用软件（ANSYS），我们能做的只是二次开发，增加新的单元、本构方程等。 启发式教学在教学目标上，注重知识，但更强调培养思维能力，实现人的全面发展[2]。 启发式的教学方法是符合“学生为主体，教师为主导”这种现代教学思想。 在有限元课堂上进行启发式教育，更好的发挥了学生为主体、教师为主导的作用，从而全方位提高学生的能力，分为如下几个方面：

2.1 增加课程内容的趣味生动性以调动学生学习兴趣

激发学生的学习兴趣，调动学生的学习积极性，是以学生为主体的现代教学理念的落脚点[3]，对于有限元这门课程主要通过绪论讲解关于有限元法的历史资料来激发学生的学习兴趣。由于对历史资料的分析，可以使学生了解有限元法的发展轨迹，通过前人在有限元研究中的辉煌历史激励学生学习激情，还可以介绍国外有限元在现实生产中的典型应用来激发学生的学习兴趣。通过有限元法在实际工程上的典型应用来说明学习有限元法的重要意义和价值，以此来激发学生的学习兴趣，调动学生学习的主动性。

2.2 讨论式教学引导学生主动思考

启发式教学的主旨是引导学生主动探索积极思维，进而提高学生的科学素质。在启发式教学中，教师需要对课程内容进行精要，由表及里的引导学生逐步接近知识结构。教师在讲授课程内容的同时留意学生学习的障碍，并及时启发激发学生的学习动机，在教师有效的引导下使学生自觉的发现掌握知识，从而调动他们潜在的能力。 在教学结构上，教师和学生之间是一种合作关系，表现在师生之间的自由探讨和对话[4]。 在探讨问题过程中，教师可以在学生认证过程中设置疑问，让学生发现问题，从而解决问题巩固知识。

3 理论知识与实践相结合

现在的大学生毕业后选择工作，作为土木类专业的毕业生，大部分企业里，使用有限元通用软件是应聘的必要要求。 故而有限元课程重点在于教授学生如何掌握有限元方法， 如何灵活运用有限元软件。在理论教学过程中，运用动画和视频展示有限元法在工程上取得的成果，启发学生的创新欲[5]。目前实践环节是大多数大学教育的一个普遍存在的薄弱环节。 有限元这门课程的理论比较枯燥，只有理论会让课程学习变得空洞乏力，纸上谈兵，缺乏动手能力，注重理论与实践的结合是让学生更好的掌握这门课程的重要手段。对于有限元的实践主要指是在有限元软件的使用上。对于大型通用有限元软件（ANSYS）的使用本身就是一门学问[6]，这就要求教师增加平时上机实习的课时，对学生的疑问进行针对的指导。 上机实践是学习有限元法的重要环节，通过学生自己的实践，不仅可以加深对理论和方法的理解，而且可以加强对实际综合能力的培养，激发进一步应用和研究的兴趣。另外，在上机实践中要强调软件实际工程上的应用，因为在平时学习中接触的都是单一的工况、约束问题，而在实际工程中，往往涉及的是整体结构，多种复杂工况下的具体问题。

现在的设计工作已经大量使用有限元软件分析，故现在毕业生掌握一门有限元软件使用技能，无疑是在面对毕业就业竞争时在同等学历的情况下很有力的加分点。

4 考核方式的多样化

为了调动学生的学习的积极性，克服应试教育的弊端，使考试成绩能更加真实的反应学生的能力，我校采用中期课程设计考核制度和期末考试成绩相结合的考核方式。中期的课程设计是教师准备的题目中挑选一个自己感兴趣的题目，在规定期限内独立完成，上交报告。其评分标准依据创新性、实用性为主要标准，参考学生实际情况，给出客观的评分。 在期末考核方面主要注重分析和设计为主，合理分配试题的难易度、深广度。

对于教学方法和手段是多样化的，也没有固定模式，针对不同学生不同专业不断进行调整、摸索，合理设计教学内容，才能更好的达到预期的教学效果。 通过上述的教学方法和手段的改革，我校的有限元教学取得了明显的效果，学生的综合能力得到了提高，调动了学生的学习积极性，促进了学生学习的自主性。 对于有限元课程的讲授任重而道远，教师应不断的学习与时俱进，探索更科学的教学方法和手段，解决在教学过程中遇到的问题，为培养创新型人才不懈努力。

［1］钱瑛,李成,赵华东.教研结合模式下的机械类专业有限元课程研究[J].中国科技信息,2010(14).

［2］葛藤.《有限元法》本科教学改革探讨[J].科技信息,2010(13).

［3］吴翊.启发式教学再认识[J].中国大学教育,2011(1).

［4］王文静.有限元方法及软件应用课程教学改革实践探索[J].科学教育论坛，2005(22).

［5］鲍四元.本科生有限元法课程教学的现状与若干改革研究[J].课程教育研究，2014(1).

［6］王小荣,林顺洪,丁剑平,陈小亮.有限元法课程的教学改革探讨[J].重庆科技学院学报：社会科学版，2011(6).