面向机械大类专业本科生的有限元课程教学改革探讨
向维，吴晓
（西南交通大学 机械工程学院，四川 成都）
摘 要： 由于经济和科技的迅猛发展，社会中的各行各业对于有一定的理论功底且工程实践能力强的综合性应用型人才的需求更加迫切，在机械领域尤其如此。有限元分析已成为工程师必须掌握的一门技术，具备应用有限元分析技术解决实际工程问题的能力已成为对机械领域从业者的基本要求。这对有限元分析课程的授课质量提出了高要求，不仅要使学生理解有限元分析的基础理论，而且要使学生掌握使用商用有限元软件进行完整的结构分析和优化设计的技能。考虑到机械大类学生的力学基础相对薄弱，理论教学部分对教学内容和教学方法有很高的要求；而且在课程学时十分有限的情况下，科学合理的上机实践教学模式更是至关重要。本文针对面向机械大类学生的有限元分析课程，从理论教学和实践教学两个方面探讨了教学内容的更新和整合以及教学方法的改进和完善的若干要点，力求达到理论与实践相互融合渗透，强化对学生的工程应用实践能力的培养。
关键词： 有限元分析；机械大类；理论教学；实践教学
一 引言
随着计算机技术的不断发展，有限元方法获得极大的推广和应用，出现了MSC Nastran、ANSYS等大型商业有限元软件。有限元分析已成为解决工程实际问题必不可少的工具，其计算结果已成为结构设计和工程分析的可靠参考依据，在机械、建筑、航空航天等行业有着广泛的应用[1-3]。
目前大部分工科院校机械类、土木类本科专业都开设了有限元分析及应用方面的课程，目标是使学生了解有限元理论以及掌握应用有限元分析软件分析实际工程问题的方法[4]。目前在教学形式方面分为两种，一种是侧重于理论研究，目标是培养研究型人才，教学内容偏重于理论学习，如根据变分原理推导有限元格式的过程、单元的构造、单元质量矩阵和刚度矩阵的计算、有限元编程的技巧等；另一种侧重于应用现有软件进行结构分析，目标是培养工程技术人员，应用有限元软件解决实际工程问题，教学内容偏重于建立模型、网格划分技巧和边界条件的处理等[5,6]。
对于给机械大类本科生开设的有限元分析课程，考虑到有限元理论深奥复杂而学生力学和数学基础相对薄弱以及学时十分有限的情况，结合有限元分析课程既具有理论性又具有实践性的特点，本文针对教学内容的深度与广度、教学方法与手段、实践训练环节和考核方式等方面进行探索与研究，以切实提高教学质量，提高学生的综合能力。
二 有限元课程教学内容和方法的探讨
有限元分析课程的教学改革重点是对教学内容进行合理调整和更新，以及探索更科学和有效的教学模式，具体从理论教学与工程实践两个方面进行。理论教学与工程实践所占教学比例应根据专业建设的需求和学生的知识基础，进行优化重组。
（一）理论教学
有限元理论的教学是必要的，否则学生难以达到较高的实用水平，解决实际问题的范围也受到很大局限。没有理论基础作为支撑，对实际问题的软件操作，包括模型的简化和等效、部件的连接方式、单元的选择、载荷的施加和计算结果的分析等等都会缺乏理解，那么学生对课程的学习仅是浮于表面，甚至导致学生无法判断自己的计算结果是否准确，无法分析结果出现的原因和代表的物理意义。
上机实践后，可鼓励学生参加大学生创业创新训练项目，也可以提供学生参与科研工作的机会。学生可自愿利用课余时间，结合大学生创业创新训练项目或教师的科研课题，独立思考并完成一些工程实例分析和创新研究工作。这个过程和经历对于学生来讲，不仅锻炼了实际动手能力，而且培养了学习兴趣，加深了对有限元理论和应用的认识，整合了课堂所学知识，提升了理论水平和专业素养。
为提高学生的兴趣，可采用多媒体教学，结合动画和影视来展示有限元法在工程上取得的成果。例如，对于模态的概念，辅以常见的工程构件如梁杆板壳的模态振型图来说明，学生会更容易理解。
理论教学对教学内容的组织和讲解方式要求很高，可以尽量用最简单的公式和原理以及列举形象直观的工程实例来说明物理问题的本质。以刚度矩阵、质量矩阵的推导为例，应该以平面问题和平面杆系结构为例来说明，在推导方式上，若从变分原理出发来推导则过于深奥，大三的本科生难以理解，若从学生熟知的几何方程、本构方程和物理方程出发来推导，学生就很容易接受。
上机教学应采用引导式教学模式，这是由于ANSYS功能强大，应用的范围和涉及的领域比较广，而不同专业对ANSYS的使用是存在较大差别的。不同于以有限元编程为主的偏向理论的教学模式，以及以建模技巧为主的偏向操作指导的教学模式，在引导式教学模式下，对于上机实例，重点在于使学生了解研究背景，培养学生独立分析问题的能力，引导学生抓住问题的实质，使学生掌握结构分析中的关键环节如分析类型的确定、既可提高计算效率又不降低计算精度的有限元模型简化方案的提出，载荷的施加方式等。而对于有限元的基本操作，如实体建模的方法和技巧、材料设置、单元选择、网格划分、约束和载荷的施加、数值结果分析、数据后处理等等具体问题，则作为辅助的知识点，穿插于上机教学的过程中。引导式教学模式的核心在于引导学生分析问题，从宏观上把握独立解决工程问题的要点。
另外，可针对学生有疑惑的知识点，不断更新教学内容，比如耦合和约束方程等；针对学生感兴趣的部分着重讲解，比如ANSYS谐响应分析中阻尼的施加方法；针对学生难以理解的部分简单介绍足矣，比如模态分析的Block Lanczos法、缩减法和子空间法等，对于这些方法的理解涉及到研究生阶段的数值分析和矩阵理论等课程，超出了大三机械专业本科生理解的范畴，因此作简要介绍即可。
（二）工程实践教学
关于上机教学素材的选择，需要全面考虑学生的专业方向和将来可能从事的工作领域，然后搜集、精选有实用价值和代表性的综合实例。对机械大类本科生而言，上机实例的分析对象主要是机械行业常见的桁架结构、钢架结构、轴承座结构、塔式起重机金属结构等，分析类型主要包括静力学分析和模态分析、谐响应分析和瞬态响应分析和优化设计，而对于热分析、非线性分析、随机分析实例就没有给出，一方面是考虑到课时有限，而且在学生今后的科研工作中这些分析类型使用并不多；另一方面，知识难度的加深不利于学生的理解和消化，徒增学生负担。
工程实践教学将上机教学与课后实践相结合。一方面通过上机练习使学生熟练应用有限元分析软件ANSYS进行各种结构的建模及分析，同时加深学生对理论知识的理解，提高理论教学的有效性；另一方面，使学生在课后的实践项目或科研课题中主动探索和创新，充分发挥学生的主观能动性，锻炼学生应用有限元软件独立自主分析问题、解决问题的能力。
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上机实践时，可给出详细的上机指南供学生参考，使学生在一步一步的操作过程中熟悉有限元分析的操作流程，提高上机教学的效率，同时使学生在有限的时间里体验科学研究的价值，使学生从成功的算例分析中产生成就感，进而诱发学生出主动学习和探索创新的热情，达到将教学延伸到课堂外的效果。
理论教学的内容主要包括有限元格式的推导、单元的构造、单元质量矩阵和刚度矩阵的计算、各种单元的特性等，涉及泛函分析、结构力学、线性代数、数值计算、计算机技术等多个学科，内容繁杂抽象，不易理解和掌握。因此首先需要了解学生在材料力学、理论力学和弹性力学等学科的知识水平，进而合理规划该课程有限元理论知识部分的深浅度，以免学生觉得知识过于艰深而失去了对该课程的信心和兴趣。
4）目前高校多采用放录像的形式让学生进行相应的实验学习，学生只能初步了解实验内容。这种实验方式应用在控制工程基础教学中，对培养本科生应用能力和工程实践能力是极为不利的，与国家要求的本科素质培养也有一定的差距。
5.1 提高生产企业管理水平 农机制造企业急需提高管理水平，开拓创新，加强现代企业管理知识的学习培训，重视企业文化建设，用高品质产品赢得用户良好的口碑。通过资源整合，兼并重组扩大企业规模，形成产业集群，政府应加大扶持力度，打造行业龙头企业，支持企业技改，正确引导企业扩大产品种类，提高创新能力和品牌意识。
三 总结
结合时代发展的需要对有限元分析这门课程进行教学改革探索对新工科人才培养具有重要意义。通过选取合理的教学内容，采用有效的教学手段，可最大限度地激发学生的学习兴趣，并结合实践环节的训练，可锻炼和提高学生独立分析和解决工程问题的能力，增强毕业生的就业竞争力，满足社会对人才的需求。
一是在选择选择精准农业应用系统时应选择大品牌、大企业、服务质量好的企业产品。二是举办专业的精准农业应用系统培训班，对农机操作人员和服务人员进行定期和不定期的理论和实践培训[1]。
参考文献
[1] 梁莉,刘和平.《有限元分析与应用》课程教学改革研究与实践[J].机械管理开发,2012(04)：198-199.
[2] 张元祥,倪成员.机械类专业有限元法与应用课程教学改革的研究与探索[J].科教文汇,2018(08)：76-79.
[3] 柏兴旺,潘风清,欧阳八生.工科专业有限元法课程教学改革的探讨[J].中国现代教育装备,2016(15)：32-34.
[4] 葛建兵,曹杰,倪向东,等.ANSYS在现代设计方法课程教学中的应用[J].机械管理开发,2010,25(01)：162-164.
[5] 张治勇,杨丽红,李鸿.非力学专业“有限元法”课程教学改革研究[J].黑龙江科技信息,2011(36)：257.
[6] 韦志林,尹辉俊,黄贵东.车辆专业有限元法课程的教学改革[J].中国科技信息 ,2008(03)：225-226.
本文引用格式： 向维,等.面向机械大类专业本科生的有限元课程教学改革探讨[J]. 教育现代化,2019,6(77)：83-84.
DOI： 10.16541/j.cnki.2095-8420.2019.77.027
基金项目： 2018年度西南交通大学校级教改项目——以学为中心的创新教学模式研究（项目编号：1804113）。
作者简介： 向维，女，西南交通大学机械工程学院，讲师，博士研究生，研究方向：结构动力学，计算力学。
标签：有限元分析论文; 机械大类论文; 理论教学论文; 实践教学论文; 西南交通大学机械工程学院论文;