工程应用驱动下的《有限元基础》本科教学改革探讨

黄博 崔晓璐

摘  要：有限元法是工科本科生解决工程实践问题的重要方法，也是未来工程设计中不可或缺的一种重要方法。由于传统的教学方式不能很好地适用于工程应用驱动下《有限元基础》课程的开展，该文对该课程在教学体系、教学方式和教学评估的改革进行探讨，以提升教学效果，为促进学生的工程实践能力和创新探索能力，为应用高级型人才的培养提供全新思路。

关键词：有限元基础  教学改革  本科教学  工程应用

中图分类号：G642           文献标识码：A 文章编号：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  《有限元基础》课程教学改革的意义

随着“工业4.0”和中国制造2025的提出，要求产品的设计越来越复杂和精密，也进一步要求产品性能的预测更加准确和快速，同时对于现今产品的制造也迫切需要更多的新型加工方式。在产品开发过程的具体设计阶段，一般使用计算机辅助制图、辅助设计、辅助分析及动态分析，即计算机辅助技术，主要有CAD技术（Computer Aided Design）和CAE技术（Computer Aided Engineering）。CAD技术可以用于图形的设计，提高设计效率，缩短设计周期，加强设计标准化。CAE技术可以基于多种数学理论模型，快速进行计算机辅助分析计算，保证产品结构设计在多种并行设计条件下的合理性，并通过与可靠性和优化设计等技术的结合，提出优化方案。基于本科生前期CAD的学习基础，在设计阶段结合有限元软件对产品进行CAE分析。有限元法作为一种广泛应用于工程技术中的有效计算方法，从事设计计算的工程技术人员应当了解和掌握有限元法的基本原理和基本过程，特别是对机械、土木、力学等专业的工科学生，许多工程问题都可以用有限元法求解，因此，在工程应用的驱动下，为促进学生的工程实践能力和创新探索能力，实现高级应用型人才的培养，对工科专业本科生有限元课程的实践教学进行探索和研究势在必行。

通过走访多家用人单位，普遍反映目前本科毕业生的工程应用能力较为欠缺，未能达到企业所需高级应用型人才知识、技能和素质的要求。反馈到人才的培养过程中，发现实践环节缺乏针对性、创新性，实践学时远远低于理论学习，学生的工程实践能力和創新设计训练较为薄弱。究其原因，主要表现在教学体系、教学方式和教学质量评估方面。针对《有限元课程》这门课程，该文将从以上3个方面展开，对该课程的教学改革进行探讨。

2  《有限元基础》课程教学改革探讨

2.1 教学体系

工科人才需要极强的实践动手能力，在现有的工科教学体系中，首先，课程内容和工程应用脱节较大。目前对于有限元课程选用的教材大多侧重于力学公式的推导，工程案例较少，让学生无法在学习这门课程的过程中将其应用于工程实践。并且，理论课程比重较大，工程实践训练在学分比重上较比以往有所提高但受限于实习场地等因素而流于形式，缺少构建面向工程应用知识结构的实践内容，理论学习和工程实践严重脱离，导致学生毕业后在面对实际工程问题中，无从下手。因此，对于工科专业本科生开设的《有限元基础》这门课程，需要在教学体系的改革中，以工程应用为驱动导向，将理论教学和实践教学融合，穿插进行，并且通过这种方式将专业课程之间搭建连接平台，实现全周期教学体系的综合优化。

首先，针对应用型人才的培养目标，在课程体系中应当加大工程实践学分的占比，可以安排为理论课程和实践课程1：1的分配，通过理论课程的学习，及时在实践课程中操作应用，有效将理论课程和工程实践相结合，让学生在掌握理论知识的同时，将其应用于实践操作。这里可以在有限元理论课程的安排上辅以有限元典型商业软件Abaqus、Ansys、Midas的学习。然后，在课程的教学内容上应当将有限元原理与工程软件的操作相结合。比如，在梁结构有限元分析的讲解中，理论课程可以安排梁结刚度矩阵的建立，引入约束条件，求解杆件上每个单元的力-位移关系，并设置相应的计算案例。上机实践课程则可以结合工程实际安排梁结构的数值分析，结合专业特色，对桥、房屋、起重机械等进行分析。基于理论课程的所学的有限元机理，通过理论推导和数值仿真对比验证，将理论课程和工程实践融会贯通。

2.2 教学方式

现有的有限元课程教学方式较为单一，大多仍采用教师为中心的单向传授知识模式，在工科专业的授课内容上仍是对结构原理、计算分析、经典例题进行讲解。在这种模式下，学生知识被动地接受，课堂交互性较差。尽管目前网络课堂和翻转课堂已经取得了一定功效，但如何做到课堂生动、学生主动，仍是一个难题。因此，在教学方式的改革中，需采用混合教学模式，充分结合网络教学和理论教学的优势，运用多种新型教学方法以提高学生的学习兴趣，实现真正意义上的翻转课堂。

在教学方式的改革上，应采用智能化的教学方式贯穿课前、课上和课后。“雨课堂”作为一款适用于工科教学的智能化教学工具，能够将信息技术、PPT和微信结合，把课前、课上、课后贯通，将面对面的教学方式和线上学习的方式融合，推进学生和老师的互动交流。课前教师可以把视频、课件等教学资料发布，学生可以实现在线的预习，教师可以通过了解学生的预习情况。课堂学习中，学生通过对教学内容不懂处进行标注，让教师得到相应的教学数据，及时调整授课进程。教师也可实时发布联系，检验教学效果。同时，雨课堂的“弹幕”功能可以加强师生间的即时沟通，调动课堂氛围。课后复习，雨课堂的资料保存可以使学生随时对教学内容进行回顾。

2.3 教学评估

教学评估是提高教育教学质量的关键举措，制定科学合理的高校课堂教学质量评价体系尤为重要。目前对于教学质量和学习评估，大部分通过理论考试的成绩来评定，而实践考核仅为最后考核的一小部分，不能完全反映教學质量的考核水平。并且，没有明确的反馈机制来持续改进专业的培养过程。因此，在教学质量和学习评估体系的改革中，需基于工程认证的OBE理念，以学生为中心，以学习成果为导向，建立完善的评价体系和反馈机制。

在有限元课程中，可以在考核体系中构建以考试、上机报告和专题分析的课堂评价体系。考试主要安排于期中和期末，是评价学生对理论知识的掌握和理解程度;上机报告主要安排在每次上机后提交的作业，是评价学生对理论知识和软件实践的综合运用能力;专题分析主要安排在学期末的结合专业特色的工程问题分析，是反映学生自主学习和探索创新的能力。这种评价方式兼顾理论和实践，能有效打破传统评价的单一性。

3  结语

有限元方法是未来工程设计中不可或缺的一种重要方法，对于工科专业的本科生，学习并掌握有限元方法对其具有重要意义。由于传统的教学方式不能很好地适用于工程应用驱动下《有限元基础》课程的开展，因此，在教学过程中，需不断改进教学体系，教学方式和教学评估，理论实践相结合，促进学生“理论知识、工程实践、创新探索”能力的全面发展。

参考文献

[1] 张洪伟，席军，许月梅.基于应用能力培养的本科有限元法课程的教改探讨[J].中国现代教育装备，2016（7）：68-70.

[2] 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（1）：143-145.

[3] 崔晓璐，陈星，陈兆玮.车辆工程专业《有限元基础》本科教学改革探讨[J].科技创新导报，2018， 15（25）：229，231.

[4] 汪博，宋晓治，李中文.基于方法论体系的有限元教学改革细则研究[J].机械设计，2018，35（S2）：155-158.

[5] 邓聪颖，禄盛，郑太雄，等.面向工程应用的有限元课程教学改革实践[J].教育现代化，2017（36）：112-114.

[6] 梁亮，朱宗铭，许焰.《有限元基础》教学探讨[J].广州化工，2014，42（23）：203-204.

[7] 张有宏，常新龙，张青，等.基于“理论引领、应用并行、案例示范”理念的有限元方法教学改革与实践[J].教育教学论坛，2020（6）：127-128.

[8] 杜艳迎，陈云.面向实践与应用的有限元课程教学方法的探索[J].教育教学论坛，2019（33）：143-144.

[9] 廖艳，邱鹏飞.应用型本科《有限元分析》教学实践探索[J].科技视界，2019（9）：109-110.