土木工程有限单元法教学方法探讨

陈方方

摘要：本文针对土木工程有限单元法教学中普遍存在的三个问题：（1）学生对该课程所需预备知识掌握得不够扎实；（2） 部分学生忽视对该课程理论知识的掌握；（3） 课堂教学枯燥，实践教学环节少，学生缺乏兴趣，结合本人的教学实践，对该课程的教学方法进行探讨，提出解决这些问题的相应方法。

关键词：有限单元法；教学方法；实践环节

中图分类号：G642 文献标识码：A

1 引言

有限单元法（Finited Element Method），其概念始于20世纪40年代中后期至50年代初发展的用于结构分析的“矩阵分析法”， 1956年，美国的Clough、Turner等将其应用于波音飞机的结构分析，而有限单元法这一名称是Clough在1960發表的论文中首次正式提出的[1]。从有限单元法这一名称正式提出至今，仅仅50多年的时间，其已经得到了飞速发展，成为各类工程科学领域强有力的研究工具，广泛应用于航天、航空、交通、机电、土木、化工、海洋等工程领域，成为推动科技进步和社会发展的生产力[2]，因此，大部分理工科院校均已将有限单元法这门课程列为本科阶段的必修课程。然而，本人在长期从事该课程的教学期间，发现在现行提倡素质教育和创新能力培养的模式下，在较少的课时内使学生系统地掌握有限单元法的基本理论及其应用并非易事[3]。本文中，将结合自身教学经验对有限单元法教学中存在的问题及解决方法做一探讨。

2 有限元教学方法探讨

在近些年的教学实践中，笔者发现有限单元法的教与学存在以下三个问题，接下来将针对这三个问题及其解决方法进行探讨。

（1） 学生对该课程所需预备知识掌握得不够扎实。有限元方法本身应归于计算力学的范畴，有一个庞大而复杂的理论体系[3]，要求学生在学习该课程之前应掌握相关的数学和力学知识，如高等数学、线性代数、材料力学、结构力学、弹性力学等课程的相关内容，但是有部分学生往往对之前所学知识遗忘较多，且理解有限，造成在学习有限单元法课程时难以在规定的教学时间内理解和掌握。针对此问题，在教学过程中应注重优化教学顺序[4]，承前启后，引导学生将已学知识融会贯通，可在教学过程中拿出2-3个课时，对线性代数和弹性力学的相关内容进行复习，加深学生的理解，以便更好地掌握有限元的理论。

（2） 部分学生忽视对该课程理论知识的掌握。一方面，由于部分学生对该课程所需预备知识掌握得不够扎实，上课期间又缺乏复习，导致其觉得有限单元法的基础理论生涩难懂，进而不去深究其所以然，只是死记硬背地应付课程考试，对基础理论不求甚解；另一方面，部分学生认为自己只要学会如何应用有限元的商业化软件即可，具体的基础理论知识知道皮毛即可。这两种现象均导致学生忽视了有限单元法的基础理论，殊不知，理论知识若掌握不好，则难以正确应用有限单元法来解决实际工程问题，尤其是在应用现成的商业软件时，会出现力学计算模型不合理、参数输入不当、单元剖分不合理、算法选择有误等问题，会严重影响计算结果的精确性甚至是得到错误的计算结果。故在授课过程中，应向学生阐述若想使有限元方法成为研究和计算的得力工具，则掌握扎实的基础理论知识是必要的前提条件。

（3） 课堂教学枯燥，实践教学环节少，学生缺乏兴趣。教师在有限单元法课程的教学过程中，应注意将基础理论知识与工程实践相结合，提升学生的兴趣。同时，应重视课程的实践教学环节，实践教学环节的课时至少应占总课时量的三分之一，通过学生自己对有限元程序的应用，使学生看到这种方法在解决问题时的优势，也能帮助学生更好地理解理论课堂上所学到的知识，激发学生的学习兴趣。另外，还要鼓励学生应用有限单元法去解决之前学习中遇到的问题，如结构力学课程中的问题，或是将其应用于其它课程的课程设计或是毕业设计环节，甚至是其它自己学习、生活中遇到的想探究的力学问题等，如曾有国外学生应用其来研究踢足球时的力学问题。

本文探讨了有限单元法课程教学中存在的普遍性问题，并提出了相应的解决方法，以供参考。

参考文献：

[1] 刘怀恒. 结构及弹性力学有限单元法[M].西安：西北工业大学出版社，2007.

[2] 王小荣， 林顺洪， 丁剑平等. 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）： 178-179.

[3] 陈世民， 何琳， 陈卓. 以人为本 强化实践能力培养——土建专业 “有限元基础” 课程教学改革探讨[J]. 重庆交通大学学报： 社会科学版， 2007， 7（1）： 138-140..

[4] 王晓健. 土木工程专业有限单元法课程教学探讨[J]. 中国科技信息， 2011 （6）： 180-181.