羅銘聰 高杰 董平 顏世林

摘要 在新工科及“雙一流”建設(shè)的背景下，課程組針對工程結(jié)構(gòu)有限元實踐類專業(yè)課程中存在的不足，重新規(guī)劃課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式及教學(xué)方法，提出精細化教學(xué)內(nèi)容，加強實踐與理論的結(jié)合緊密度；強調(diào)以工程應(yīng)用為導(dǎo)向，結(jié)合探討交流模式，有效實施“實用創(chuàng)新”教學(xué)；優(yōu)化教學(xué)方式，融入專業(yè)性強的實例題目，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)興趣與主觀能動性，以期培養(yǎng)出具備分析解決工程實際問題能力和創(chuàng)新意識，滿足社會需要的綜合技術(shù)型人才。

關(guān)鍵詞 工程結(jié)構(gòu)有限元；實踐類專業(yè)課程；工程應(yīng)用；教學(xué)改革

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.6.039

1課程教學(xué)改革背景及意義

根據(jù)新工科建設(shè)的內(nèi)涵，需統(tǒng)籌考慮“新的工科專業(yè)、工科的新要求”，加快培養(yǎng)新興領(lǐng)域工程科技人才，改造升級傳統(tǒng)工科專業(yè)，主動布局未來戰(zhàn)略必爭領(lǐng)域的人才培養(yǎng)[1]。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究手段及計算機的快速發(fā)展與應(yīng)用，以有限元方法為代表的數(shù)值解析方法得到了廣泛的應(yīng)用。在艦船/航空發(fā)動機的設(shè)計流程中，涉及總體設(shè)計及各零部件結(jié)構(gòu)的詳細設(shè)計與分析，而在設(shè)計過程中均會用到有限元方法，如高速旋轉(zhuǎn)的葉輪機械輪轂葉片等強度振動計算及高溫高壓部件強度計算等。有限元方法也在其他工程領(lǐng)域如大型橋梁、高層建筑、風(fēng)電設(shè)備、高速列車等設(shè)計與建造過程中得到了廣泛應(yīng)用。

有限元方法理論及實踐相關(guān)的課程是極具代表性的工科專業(yè)課程。目前，國內(nèi)已有許多高校開設(shè)了有限元方法相關(guān)理論及實踐方面的課程，各課程相關(guān)老師針對教學(xué)中存在的問題開展了一些教學(xué)改革探索與實踐并取得了效果。中國民航大學(xué)的劉文權(quán)等[2]提出將思想政治融入有限元應(yīng)用課程中以提升學(xué)生學(xué)習(xí)思想及意識，將課程分為理論講授、自主參與、課程思政和工程實踐4個模塊。南京林業(yè)大學(xué)的李海濤[3]和廈門理工學(xué)院的賴榮燊[4]提出將有限元軟件應(yīng)用到理論課程的教學(xué)中，認為通過有限元軟件的仿真分析，學(xué)生能夠直接了解各種力學(xué)作用的過程和特征，增強學(xué)生對工程結(jié)構(gòu)方面的學(xué)習(xí)興趣，取得了令學(xué)生滿意的教學(xué)改革效果。北京科技大學(xué)的徐明秀[5]將有限元方面相關(guān)的知識點引入材料力學(xué)的課程中，并利用相關(guān)有限元軟件展示了杠桿結(jié)構(gòu)的拉伸、扭轉(zhuǎn)及彎曲變形情況以提升學(xué)生深入學(xué)習(xí)材料力學(xué)課程的熱情。中國礦業(yè)大學(xué)的楊家琦[6]提出將有限元仿真融入本科教育的鋼結(jié)構(gòu)原理課程中，向?qū)W生直觀呈現(xiàn)出某種結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力分布特點以輔助學(xué)生理解教材中的力學(xué)相應(yīng)重點難點問題。

從相關(guān)課程教改的文獻來看，大多數(shù)是基于有限元相關(guān)理論課程基礎(chǔ)上的改革，文獻中加入實踐方面的內(nèi)容主要是用于輔助學(xué)生在理論課程方面的理解，而目前對于有限元方法相關(guān)實踐課程教學(xué)改革方面的研究相對較少。ANSYS/ABAQUS等基于有限元方法及計算機技術(shù)的商業(yè)軟件為工程中的結(jié)構(gòu)有限元分析提供了可靠的工具，目前這些軟件已成為全球范圍內(nèi)公認的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計分析CAE軟件，其中美國已將ANSYS軟件作為航空航天飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計的指定軟件。哈爾濱工程大學(xué)有限元課程組將工程結(jié)構(gòu)有限元這門課設(shè)置為以講解ANSYS軟件的實踐操作及應(yīng)用的一門專業(yè)選修課，在培養(yǎng)高校工科類學(xué)生熟練運用工具解決工程實際問題的能力方面具有重要的作用。該課程主要通過講解一系列相對簡單的工程實踐實例讓學(xué)生了解并掌握該軟件的使用方法及應(yīng)用領(lǐng)域。前期的高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)及力學(xué)等知識的積累是掌握有限元方法軟件使用的基礎(chǔ)，前期理論可幫助學(xué)生更好地理解該類軟件的使用、應(yīng)用及內(nèi)涵[7]。許多學(xué)生的前期基礎(chǔ)不牢固，學(xué)時相對較少，授課內(nèi)容不連貫等均會導(dǎo)致該課程教學(xué)效果不理想。同時，課程結(jié)合專業(yè)大類的工程應(yīng)用案例相對較少，課程專業(yè)性不強，教學(xué)手段單一，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的積極性與主動性。因此，有必要針對該課程進行改革。

2課程教學(xué)改革內(nèi)容

課題組長期從事燃氣輪機結(jié)構(gòu)與強度設(shè)計及工程結(jié)構(gòu)有限元等教學(xué)工作，具有非常豐富的教學(xué)經(jīng)驗和實踐工作經(jīng)驗。工程結(jié)構(gòu)有限元這門專業(yè)選修課程學(xué)時為24課時，課程內(nèi)容包含物理模型建立、離散及網(wǎng)格劃分、邊界條件的定義、求解過程及后處理等實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，同時也涉及大量的靜/動力學(xué)、模態(tài)、傳熱、振動及多物理場耦合分析等內(nèi)容，課程學(xué)習(xí)內(nèi)容相對較多，因此對該課程講解思路及內(nèi)容的整理再編排顯得尤為重要，其具體的教學(xué)改革思路及建設(shè)如下。

2.1精細化教學(xué)內(nèi)容，加強上機實踐與課程理論的結(jié)合緊密度

工程結(jié)構(gòu)有限元是以ANSYS軟件講解為主的一門上機操作實踐課程，課程實例較多，實用性強。在應(yīng)用型人才培養(yǎng)的背景下，學(xué)生需要掌握相應(yīng)的基礎(chǔ)知識及專業(yè)理論，具備一定的邏輯思維及初步工程項目的處理能力，才能將相應(yīng)的知識點和實際應(yīng)用相結(jié)合。該課程雖為實踐課程，但前期相應(yīng)的基礎(chǔ)理論儲備有利于深入理解該實踐課程的內(nèi)涵，選課學(xué)生在基本概念及理論掌握不足的情況下容易產(chǎn)生機械操作不求甚解的問題，因此需將前期的理論部分精細化以奠定軟件實踐課程的基礎(chǔ)，例如將力學(xué)中的質(zhì)點力學(xué)、理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)及彈塑性力學(xué)等相關(guān)的重要知識點進行概要介紹，并介紹重點及相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用歷史及前景，讓學(xué)生對ANSYS軟件的使用基礎(chǔ)有一定的認知。由于課時限制，相關(guān)知識點的拓展需要學(xué)生課后學(xué)習(xí)。結(jié)合實踐課程中的重點——靜/動力學(xué)、模態(tài)、傳熱、振動及多物理場耦合等工程實例進行分析，將相對簡化的工程實例進行分類并在整個工程實例中穿插講解所用到的力學(xué)知識點。例如在以平面問題為主的工程實例（如簡單的支架、掛鉤等工程實例）的講解過程中，穿插平面問題的有限元方法相關(guān)理論，并結(jié)合軟件講解相關(guān)問題在哪些情況下可以處理成平面問題；開展有限元理論部分差分、變分法與實踐部分結(jié)構(gòu)離散的穿插講解，讓學(xué)生能夠切實理解有限元方法的基本思想為離散與分片差值，是在差分法和變分法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種數(shù)值分析方法；在利用軟件對簡單結(jié)構(gòu)進行有限元分析的過程中，穿插講解矩陣位移法的相關(guān)理論，使學(xué)生能夠深入理解矩陣位移法在工程實際分析中的重要性；理論部分簡單梁桿結(jié)構(gòu)、連續(xù)體結(jié)構(gòu)等相關(guān)問題與實踐部分靜力/振動/傳熱等有限元分析實例相互穿插，穿插過程中將其教學(xué)內(nèi)容充分精細化，讓學(xué)生能夠切實體會到工程應(yīng)用實例與相應(yīng)理論之間的內(nèi)在聯(lián)系，實現(xiàn)“理論應(yīng)用于實踐”“實踐校核理論”的教學(xué)模式。

2.2以面向?qū)嶋H工程需求為導(dǎo)向，結(jié)合“單元”式教學(xué)方式，實施“實用創(chuàng)新”教學(xué)

基于教學(xué)目標要求，挑選相對簡單的強專業(yè)性工程應(yīng)用實例為課程主線，引導(dǎo)學(xué)生以“實用、適用、使用”為導(dǎo)向，提煉提升學(xué)生學(xué)習(xí)及研究能力的教學(xué)方法，其本質(zhì)是培養(yǎng)學(xué)生扎實的“學(xué)以致用”能力，并在此基礎(chǔ)上培養(yǎng)其創(chuàng)新意識。在本課程的教學(xué)過程中，選取專業(yè)相關(guān)的實踐案例，結(jié)合課程組所在的“能源動力類”燃氣輪機設(shè)計與制造行業(yè)，以工程實際應(yīng)用為主，如以燃氣輪機壓氣機部件的靜止部件/轉(zhuǎn)動部件的強度校核、設(shè)計過程中轉(zhuǎn)動部件需避開不同轉(zhuǎn)速下的共振頻率、旋轉(zhuǎn)部件在旋轉(zhuǎn)過程中的葉片及輪轂變形特征等工程實例及問題為例，進行適當簡化并結(jié)合上機實踐操作，激發(fā)學(xué)生對專業(yè)工程應(yīng)用興趣的同時讓其切實體會到利用CAE軟件解決工程實際問題的重要性。由于實踐類課程的性質(zhì)不同于理論課程，其授課形式可以師生、學(xué)生互相探討的模式為主，因此可針對某一知識點/工程案例以四到五人為單元、分單元討論并交流的方式讓所有學(xué)生參與到課程學(xué)習(xí)中，在每個知識點/工程實例講授結(jié)束后進行提問，學(xué)生以“單元”形式說出自己對知識點/工程實例的理解，同時有針對性的進一步深化講解，在與學(xué)生互動的基礎(chǔ)上使學(xué)生理解得更加透徹，具有針對性、參與性、啟發(fā)性的特點。在實施融合課程探討交流模式以專業(yè)工程實際應(yīng)用為主線的教學(xué)方法基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生“創(chuàng)新性”的基礎(chǔ)是實用，而“實用性”也是由創(chuàng)新發(fā)展而來的，因此實用與創(chuàng)新缺一不可。例如，本課程講授所使用的商用軟件ANSYS在工程應(yīng)用中針對許多共性問題的求解過程較準確，而在較特殊情況下如壓氣機/燃燒室內(nèi)部的氣液兩相流動其求解結(jié)果與實際情況存在較大的誤差，因此需引導(dǎo)學(xué)生在明確正確求解過程的前提下結(jié)合工程實際/試驗情況，通過查找相關(guān)文獻及結(jié)合“開放式”討論學(xué)習(xí)模式探討影響某問題模擬準確性的重要因素，形成“找出問題，解決問題”的創(chuàng)新性基礎(chǔ)學(xué)習(xí)模式，敦促學(xué)生以某問題的重要影響因素為主線，發(fā)散思維，找出相對合理的解決方案，為學(xué)生進一步深入專業(yè)工程實際問題的研究打下良好的理論及實踐基礎(chǔ)。

2.3充分結(jié)合課上/下多元化教學(xué)手段，發(fā)放強專業(yè)性題目作業(yè)

結(jié)合板書、多媒體、軟件操作講解及課堂討論的教學(xué)方式，并融入強專業(yè)性元素。由于課時限制，課程教學(xué)應(yīng)向課堂與課后實踐、傳統(tǒng)媒介與網(wǎng)絡(luò)媒介相結(jié)合的立體化教學(xué)空間拓展。充分利用網(wǎng)絡(luò)MOOC教學(xué)平臺，建設(shè)和完善工程結(jié)構(gòu)有限元課程的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)資源，為學(xué)生提供課后充足的學(xué)習(xí)資源。準確把握課堂教學(xué)理論及工程實例的講授，助推開展專業(yè)性課后工程實例題目作業(yè)，將專業(yè)性元素融入課程，讓學(xué)生開放式選擇“興趣”“專業(yè)性”工程實例題目，促使學(xué)生在進行相關(guān)專業(yè)文獻調(diào)研查閱、了解相關(guān)背景的基礎(chǔ)上進行求解分析，并根據(jù)完成情況作為一部分分數(shù)納入期末最終考核成績中。課后工程實例題目可參考所在專業(yè)的需求及背景，如以動力工程及工程熱物理專業(yè)為例，結(jié)合了“能源動力類”航空/船用動力的專業(yè)背景，在多個工程實例題目中分別融入燃氣輪機、柴油機、蒸汽輪機、鍋爐等小類專業(yè)元素以供學(xué)生選擇，將激發(fā)學(xué)生興趣、提升學(xué)生專業(yè)認同感、提高學(xué)生基礎(chǔ)知識的運用及創(chuàng)新能力的目標融入課程教學(xué)中。

3總結(jié)

新時代新工科建設(shè)在人才培養(yǎng)前提下針對學(xué)科建設(shè)及教育體系提出了新的要求，需要高等院校針對原有的教學(xué)課程模式進行改革以提升專業(yè)基礎(chǔ)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的質(zhì)量。課程組結(jié)合工程結(jié)構(gòu)有限元這門實踐類課程中學(xué)生前期理論基礎(chǔ)不牢固、課程專業(yè)特色不明顯、教學(xué)手段及方法單一等問題，有針對性地提出：精細化教學(xué)內(nèi)容，加強上機實踐與課程理論的結(jié)合緊密度；引導(dǎo)學(xué)生以“實用、適用、使用”為導(dǎo)向，實施“實用創(chuàng)新”教學(xué)；優(yōu)化教學(xué)手段并在課程中融入強專業(yè)性元素的工程實例題目。通過上述教學(xué)改革的實施明顯提升了教學(xué)效果，激發(fā)了學(xué)生的專業(yè)興趣及專業(yè)認同感，同時也可為工科類課程的授課教師提供一定的教學(xué)參考。

*通訊作者：顏世林

基金項目：2022年度哈爾濱工程大學(xué)本科生教學(xué)改革研究項目“新工科背景下工程結(jié)構(gòu)有限元課程教學(xué)改革與實踐”。

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