土木工程专业本科有限元课程教学探索

陈万祥 马建军 林凯荣 黄林冲 党文刚

摘  要：文章以土木工程专业本科有限元课程教学为例，开展了面向学术能力培养的教学探索研究。在本课程的教学过程中，任课教师通过基础理论普及、编程学习、软件学习、开放性问题探索、学术能力培养等多种方法，提升本科学生逻辑思维能力、解决问题能力、学术能力和学生学习能力，为学生未来的工作和进一步学习打下基础。

关键词：土木工程;有限元;学术能力;探索

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2021）20-0123-05

Abstract： The optional course Finite Element Method has been taken as an example， through which a research has been undertaken with the aim of training students' academic capability. Measures including fundamental theory study， programming coding， software training， open questions， academic training， etc.， have been adopted to enhance students' logic thinking ability， problems' solving qualification， and academic capability and acquiring knowledge capability， and lay the foundation for the students' future work and further study.

Keywords： civilengineering; Finite Element; academic capability; exploration

近年來，国家高等教育课程改革和探索不断深入推进，特别是要培养素质高、创新力强和与时俱进的新时代人才，以满足国家创新型社会和经济高质量发展的需求。2018年8月，教育部等三部门印发《关于高等学校加快“双一流”建设的指导意见》，要求高等学校提升教育质量和学生实践创新能力。中山大学积极响应国家和大湾区号召，推行“金课建设”，淘汰“水课”，提高课程难度和考核要求，进一步提升教学水平。为了大幅度提升整体教学水平，贯彻“金课建设”的指导思想，本科课程在实践性和理论性等要求方面做了大量的尝试与实践。特别是工程设计、建设、运维、安全检测与修复等内容，涉及到理论力学、材料力学、结构力学、工程材料、计算机技术、数值计算、传感器、人工智能等学科及领域，对学生在理论分析、实践操作、计算分析、总结汇报等方面要求不断提高。在此背景下，中山大学土木工程学院推出了一系列计算类和实践操作性比较强的专业选修课程给本科学生。其中，工程结构智能监测与检测、有限元等课程颇受欢迎。

有限元是一门现代工程计算类工具课，一般作为研究生的必修课程，是工程师进行结构、岩土、地下空间、海洋岛礁等方面设计、建造、评估等必备的计算工具，是新工科建设的必要专业技能。有限元作为一门现代计算工具课程，被选为土木工程专业本科选修课程，为后续专业课程提供：科学认识、问题分析方法和学术思维能力。同时，作为一门应用十分广泛的基础工具课程，也是本专业研究生必备的工程和学术技能。但是，有限元课程具有一定的难度，需要合理安排学时和学习内容，才能提升学生的学习兴趣，培养学生学习能力，提高教学水平和学生素质。若不能合理地安排学时和教学内容，将严重影响教学效果，导致教学过程中无法保证教学质量，学生的学习兴趣和学习热情也将大大降低。此外，如果不能合理地设计有限元课程的教学，很容易会将有限元课程变成某一、两种计算软件的教学课程，导致学生只能片面地去学习操作技能而非有限元的原理和思想。这样一来，将偏离有限元课程的教学目标和初衷，也无法从根本上提升教学质量和学生的综合素质。

为改善有限元课程教学的效果，提升课程质量，更好地培养本科生在计算分析和解决问题等方面的能力，从而提升学生素质。本文基于作者在有限元课程教学和教学改革中的经验，开展了一系列的有限元课程教改探索。本文将对有限元课程教学过程中出现的主要问题进行总结。随后，针对这些问题，结合作者的教改实践进行总结，并提出一些有利于改善有限元教学质量的建议。

一、有限元教学面临的主要问题

（一）有限元基础不够扎实

有限元是一门应用性强、研究成果丰富、商业开发成熟、适用面广、理论要求高的学科。在有限元课程的学习中，需要从基本的有限元理论和相关公式的推导出发，逐步地了解有限元的思想方法和其数学内涵。因此，有一定的理论基础，才可以在建模计算中事半功倍，对结果有基本的分析和判断。但是在现实环境中，教学面临的主要问题是理论不够扎实。由于很多有限元课程的经典教材虽然体系详尽知识全面，但是内容太多，学生们看到厚厚的书本就有点畏惧，导致大部分学生仅仅了解有限元的基本思想，没有系统深入学习有限元基础理论，导致有限元基础不够扎实。此外，大部分学生没有精力看理论推导过程，只喜欢直接上手进行建模和计算，从而造成了对有限元基本理论不够了解，甚至有大部分学生觉得基础理论不重要，只要会操作即可的思想。这两种考虑基本上是同步发生的，导致的结果确是相同的：重视操作技术，忽视理论基础。

在这种情况下，很多学生在学习有限元课程的过程中由于没有打牢基础，最终导致缺乏对有限元基本原理，以及计算建模过程中对必要力学知识的认识和理解。这样一来，在建模和计算过程中很容易造成这些学生在处理“边界条件”“材料属性”“单元类型”等问题上不够成熟，甚至因此造成计算错误。不仅如此，由于缺乏基本的理论知识，很多学生甚至无法判断和评估这些错误的原因，只能重复建模，导致事倍功半，学习兴趣和热情也逐步丧失。这些问题的根源实际上都是由于学生在有限元知识方面的基础不够扎实，对于有限元的基本思想、核心原理的认识和理解不到位。造成这种现象的原因很大程度上可以归结到教师在教学过程中对于课程设计、教学方案和教学目标的把握不到位上来。在教学实践过程中，由于有限元思想和方法大多以复杂的公式呈现，造成了教学过程中，教师因为担心教学效果和学生难以理解而跳过这部分教学，导致学生对有限元基本知识和基本原理的了解不充分，最终只能将有限元“等同于”各自计算软件或其操作。