面向不同学科背景的《计算力学》研究生课程案例教学改革探索

陈培见++赵玉成++董纪伟+刘昊

摘要：《计算力学》在教学计划中的地位不断提升，在科学研究和实际工程领域越来越受到重视。然而研究生教育规模的急剧扩张，不同学科背景的研究生学习《计算力学》课程导致其教学实践存在较多问题。在这样的形势下，开展研究生案例教学和自主学习教学模式的探索便成了研究生教育研究的一项重要课题。针对研究生的特点，建立和完善教学课程案例教学方案，对提高研究生自主学习能力培养具有重要的意义，在今后的研究生教育中具有重要推广价值。

关键词：不同学科背景；计算力学；教学实践；案例教学

中图分类号：G643 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）37-0088-02

随着计算力学的日益广泛应用，它在教学计划中的地位不断提升，被普遍列为工科专业本科的必修课和研究生的学位课。同时有相当多的工程技术人员和教学研究人员通过继续教育也在学习计算力学。经过30多年的发展，我国的计算力学的科研和教学工作已经取得了骄人的成绩，大量计算力学的SCI论文、教材和专著涌现，形成了学科特色鲜明的知识体系。但也应该清醒地认识到，由于计算力学属于跨门类的交叉学科，其知识体系涉及面广，有变分原理、泛函理论和数值方法，也有结构力学、弹塑性力学、流体力学、结构设计等，甚至还有计算机知识，如数据结构、计算几何、计算机体系结构等[1-3]。我国研究生教育规模的急剧扩张，土木、机械、采矿等不同学科背景的研究生学习《计算力学》课程导致其教学案例库建设严重滞后，使得《计算力学》在课程学习、知识应用以及社会反馈上仍然存在一些不可忽视问题。

一、《计算力学》教学实践中存在的问题

1.学术型研究生缺乏程序开发的兴趣。在面向力学、机械等专业的学术型研究生的教学中，由于相应学习阶段数学知识的尚缺和授课时间的局限，学生们一般难于搞清数值计算的理论体系，留下的印象往往是：《计算力学》课程往往就是一两个单元的形函數的介绍，有限元就是把微分方程问题变成代数方程问题的一套力学体系，学生没有时间接触有限元历史上形成的华丽编程方法，往往忽略了计算力学软件开发兴趣，在面临需要发展新的本构模型和单元形式来模拟特种合金、复合材料等新材料和新结构的行为、需要自己动手进行二次开发时，往往摸不清头脑，导致导师交代的课题进展缓慢，严重打击科研的兴趣和积极性。

2.专业型、工程硕士研究生工程实践能力缺乏。对于面向建筑工程、采矿、安全等工程培养的专业型、工程硕士，由于课程主要侧重于理论知识的讲授，学生们则经常反映理论学习对于工程问题的涉及较少，缺少商业通用软件操作方面的讲解，对于课题的指导性不强，使得学生缺少面向实际工程的建模能力，无法有效地利用有限元方法指导工程实践。

3.授课内容难以适用于各背景、各层次研究生。由于《计算力学》课程选课人数较多，选课同学学科背景差异巨大，授课内容难以适合每一位同学，本科是力学专业的研究生同学希望老师能少介绍课程所需背景知识，多花时间讲授高等有限元内容，而其他专业的同学则明显对于应力、应变、本构关系等力学专业名词感到陌生，希望老师能把基础知识讲清楚。

4.毕业研究生自主学习能力不强。很多用人单位反映，虽然各院校均开设了《计算力学》必修课程，然而必修课程基本上是介绍性质的，有限元一点，边界元一点，有限体积一点，无网格一点；好像什么都学了。此外，“硕士研究生本科化”倾向明显，部分同学甚至不了解有限元或其他软件的代码原理，弱化了学生整体上从事计算力学深入工作的能力。然而，作为最高层次的研究生教育，学生有一定的学习能力和主观能动性，教学实践中积极探索主动学习的教学模式将有利于研究生的成才和发展。

在研究生教学实践过程中，探索如何针对不同学科背景的学术型研究生、专业型和工程硕士等培养对象，建设针对性强、学科特色明显的《计算力学》课程案例库，综合运用案例教学，同时积极开展主动学习教学模式实践，加强同学们的自主学习能力的培养，归纳和推广满足专业需要、学生个性化发展需要的教学方法，将是研究生培养的发展趋势，也是值得诸多高校继续探索和尝试的一个方向。

二、针对不同的研究生培养对象合理设计和制作案例库

与本科生更侧重于特定专业知识体系的学习不同，研究生教育面向的培养对象专业性强、学科背景更加复杂多样、学习目的更加明确，这无疑对具体课程的教学开展和实践提出了更高的要求。之前的教学研究和实践主要侧重于《计算力学》课程基础知识的介绍、基本理论和方法的贯通和掌握，很少有人针对研究生的特点开展该课程案例教学和自主学习模式的探索。而硕士研究生作为我国高校一个非常庞大的群体，在学校乃至国家的发展历程中起到了很重要的作用，如何激发和提高这个团体的实践和自主学习能力成为了研究的当务之急。

通过实际调查研究，对研究生的学科背景、课题选择等信息收集和研究，掌握同学们的学习目的和已具备的专业技能，充分发挥力学学科教师的教学和科研工作优势，设计和制作难度适中、工程科学意义强、学科背景明显的《计算力学》课程教学案例。在课程讲授前，查阅国内外《计算力学》和其他相关研究生课程案例教学的最新文献，了解国内外案例教学的成果，借鉴前人和其他课程案例教学的思路与经验。课程开始阶段，组织同学们认真填写信息表，充分了解培养对象的专业背景、研究方向和特点、现有知识储备，把其作为制作和运用案例的主要依据。这就要求教学实践者在《计算力学》课程的教学实践和科学研究中积累非常丰富的素材，合理地编排，满足不同背景、不同层次同学的背景需要。对于力学专业和其他学术型研究生，由于其对于该课程的要求较高，在案例制作时应在兼顾基础知识和理论的同时，让学生理解计算力学的数值内容，设置的案例要具有一定的深度，同时要与学生的研究方向、研究课题相关；而对于面向工程的培养对象，案例设计则更强调工程实践性，如对于土木的学生，可以设计钢筋混泥土配筋加载等工程实际问题。

三、结合案例，探索提高研究生的自主学习能力的措施

结合设计的案例资料，利用网络平台，安排计算机基础、程序设计语言以及通用商业软件的自学；同时，将相关学科背景学生划分若干学习小组，通过大作业、案例进展汇报、奖惩结合等措施培养研究生的自主学习和解决问题的能力，提高计算力学知识的实践能力。在案例教学过程中，鼓励学生自主学习和互相学习，通过网络平台，督促学生完成计算机基础、程序设计语言以及通用商业软件的自学，并合理控制案例问题解决的进度，营造融洽的课堂氛围，提高计算力学知识的实践能力。在设计和应用案例教学、实践主动学习教学模式的基础上，归纳、总结教学方法，探索建立一套教学效果优异、操作性强的案例教学方案，通过创造一个提高培养对象实践和自主能力的教学环境，推动和提高研究生培养质量的提高。

四、结语

随着《计算力学》课程在研究生教学中占有越来越重要的地位，大力建设和完善面向不同学科背景的《计算力学》案例库，开展研究生案例教学和自主学习教学模式的探索便成了当前研究生教育研究的一项重要课题。这对于提高人才培养质量，提升专业和学科影响力，培养研究生的实践和自主学习能力具有重要的意义，在今后的研究生教育中具有重要推广价值。

参考文献：

[1]刘齐茂，李暾，张俊，赵军.计算力学仿真手段在结构试验教学中的应用[J].广西民族大学学报：哲学社会科学版，2008，（12）.

[2]陈璞，傅向荣，张群，段斌。计算力学科研、教学与CAE软件开发[A]//北京力学会第21届学术年会暨北京振动工程学会第22届学术年会论文集[C].2015.

[3]干洪.计算结构力学课程的改革与学科发展[J].合肥工业大学学报：社会科学版，2003，（4）.endprint