罗铭聪 高杰 董平 颜世林
摘要 在新工科及“双一流”建设的背景下，课程组针对工程结构有限元实践类专业课程中存在的不足，重新规划课程的教学内容、教学模式及教学方法，提出精细化教学内容，加强实践与理论的结合紧密度；强调以工程应用为导向，结合探讨交流模式，有效实施“实用创新”教学；优化教学方式，融入专业性强的实例题目，激发学生的专业兴趣与主观能动性，以期培养出具备分析解决工程实际问题能力和创新意识，满足社会需要的综合技术型人才。
关键词 工程结构有限元；实践类专业课程；工程应用；教学改革
中图分类号：G424文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.6.039
1课程教学改革背景及意义
根据新工科建设的内涵，需统筹考虑“新的工科专业、工科的新要求”，加快培养新兴领域工程科技人才，改造升级传统工科专业，主动布局未来战略必争领域的人才培养[1]。随着现代科学技术研究手段及计算机的快速发展与应用，以有限元方法为代表的数值解析方法得到了广泛的应用。在舰船/航空发动机的设计流程中，涉及总体设计及各零部件结构的详细设计与分析，而在设计过程中均会用到有限元方法，如高速旋转的叶轮机械轮毂叶片等强度振动计算及高温高压部件强度计算等。有限元方法也在其他工程领域如大型桥梁、高层建筑、风电设备、高速列车等设计与建造过程中得到了广泛应用。
有限元方法理论及实践相关的课程是极具代表性的工科专业课程。目前，国内已有许多高校开设了有限元方法相关理论及实践方面的课程，各课程相关老师针对教学中存在的问题开展了一些教学改革探索与实践并取得了效果。中国民航大学的刘文权等[2]提出将思想政治融入有限元应用课程中以提升学生学习思想及意识，将课程分为理论讲授、自主参与、课程思政和工程实践4个模块。南京林业大学的李海涛[3]和厦门理工学院的赖荣燊[4]提出将有限元软件应用到理论课程的教学中，认为通过有限元软件的仿真分析，学生能够直接了解各种力学作用的过程和特征，增强学生对工程结构方面的学习兴趣，取得了令学生满意的教学改革效果。北京科技大学的徐明秀[5]将有限元方面相关的知识点引入材料力学的课程中，并利用相关有限元软件展示了杠杆结构的拉伸、扭转及弯曲变形情况以提升学生深入学习材料力学课程的热情。中国矿业大学的杨家琦[6]提出将有限元仿真融入本科教育的钢结构原理课程中，向学生直观呈现出某种结构的变形及应力分布特点以辅助学生理解教材中的力学相应重点难点问题。
从相关课程教改的文献来看，大多数是基于有限元相关理论课程基础上的改革，文献中加入实践方面的内容主要是用于辅助学生在理论课程方面的理解，而目前对于有限元方法相关实践课程教学改革方面的研究相对较少。ANSYS/ABAQUS等基于有限元方法及计算机技术的商业软件为工程中的结构有限元分析提供了可靠的工具，目前这些软件已成为全球范围内公认的工程结构设计分析CAE软件，其中美国已将ANSYS软件作为航空航天飞行器结构设计的指定软件。哈尔滨工程大学有限元课程组将工程结构有限元这门课设置为以讲解ANSYS软件的实践操作及应用的一门专业选修课，在培养高校工科类学生熟练运用工具解决工程实际问题的能力方面具有重要的作用。该课程主要通过讲解一系列相对简单的工程实践实例让学生了解并掌握该软件的使用方法及应用领域。前期的高等数学、线性代数及力学等知识的积累是掌握有限元方法软件使用的基础，前期理论可帮助学生更好地理解该类软件的使用、应用及内涵[7]。许多学生的前期基础不牢固，学时相对较少，授课内容不连贯等均会导致该课程教学效果不理想。同时，课程结合专业大类的工程应用案例相对较少，课程专业性不强，教学手段单一，降低了学生学习该课程的积极性与主动性。因此，有必要针对该课程进行改革。
2课程教学改革内容
课题组长期从事燃气轮机结构与强度设计及工程结构有限元等教学工作，具有非常丰富的教学经验和实践工作经验。工程结构有限元这门专业选修课程学时为24课时，课程内容包含物理模型建立、离散及网格划分、边界条件的定义、求解过程及后处理等实践教学环节，同时也涉及大量的静/动力学、模态、传热、振动及多物理场耦合分析等内容，课程学习内容相对较多，因此对该课程讲解思路及内容的整理再编排显得尤为重要，其具体的教学改革思路及建设如下。
2.1精细化教学内容，加强上机实践与课程理论的结合紧密度
工程结构有限元是以ANSYS软件讲解为主的一门上机操作实践课程，课程实例较多，实用性强。在应用型人才培养的背景下，学生需要掌握相应的基础知识及专业理论，具备一定的逻辑思维及初步工程项目的处理能力，才能将相应的知识点和实际应用相结合。该课程虽为实践课程，但前期相应的基础理论储备有利于深入理解该实践课程的内涵，选课学生在基本概念及理论掌握不足的情况下容易产生机械操作不求甚解的问题，因此需将前期的理论部分精细化以奠定软件实践课程的基础，例如将力学中的质点力学、理论力学、材料力学、结构力学、弹性力学及弹塑性力学等相关的重要知识点进行概要介绍，并介绍重点及相关行业的应用历史及前景，让学生对ANSYS软件的使用基础有一定的认知。由于课时限制，相关知识点的拓展需要学生课后学习。结合实践课程中的重点——静/动力学、模态、传热、振动及多物理场耦合等工程实例进行分析，将相对简化的工程实例进行分类并在整个工程实例中穿插讲解所用到的力学知识点。例如在以平面问题为主的工程实例（如简单的支架、挂钩等工程实例）的讲解过程中，穿插平面问题的有限元方法相关理论，并结合软件讲解相关问题在哪些情况下可以处理成平面问题；开展有限元理论部分差分、变分法与实践部分结构离散的穿插讲解，让学生能够切实理解有限元方法的基本思想为离散与分片差值，是在差分法和变分法的基础上发展起来的一种数值分析方法；在利用软件对简单结构进行有限元分析的过程中，穿插讲解矩阵位移法的相关理论，使学生能够深入理解矩阵位移法在工程实际分析中的重要性；理论部分简单梁杆结构、连续体结构等相关问题与实践部分静力/振动/传热等有限元分析实例相互穿插，穿插过程中将其教学内容充分精细化，让学生能够切实体会到工程应用实例与相应理论之间的内在联系，实现“理论应用于实践”“实践校核理论”的教学模式。
2.2以面向实际工程需求为导向，结合“单元”式教学方式，实施“实用创新”教学
基于教学目标要求，挑选相对简单的强专业性工程应用实例为课程主线，引导学生以“实用、适用、使用”为导向，提炼提升学生学习及研究能力的教学方法，其本质是培养学生扎实的“学以致用”能力，并在此基础上培养其创新意识。在本课程的教学过程中，选取专业相关的实践案例，结合课程组所在的“能源动力类”燃气轮机设计与制造行业，以工程实际应用为主，如以燃气轮机压气机部件的静止部件/转动部件的强度校核、设计过程中转动部件需避开不同转速下的共振频率、旋转部件在旋转过程中的叶片及轮毂变形特征等工程实例及问题为例，进行适当简化并结合上机实践操作，激发学生对专业工程应用兴趣的同时让其切实体会到利用CAE软件解决工程实际问题的重要性。由于实践类课程的性质不同于理论课程，其授课形式可以师生、学生互相探讨的模式为主，因此可针对某一知识点/工程案例以四到五人为单元、分单元讨论并交流的方式让所有学生参与到课程学习中，在每个知识点/工程实例讲授结束后进行提问，学生以“单元”形式说出自己对知识点/工程实例的理解，同时有针对性的进一步深化讲解，在与学生互动的基础上使学生理解得更加透彻，具有针对性、参与性、启发性的特点。在实施融合课程探讨交流模式以专业工程实际应用为主线的教学方法基础上，引导学生“创新性”的基础是实用，而“实用性”也是由创新发展而来的，因此实用与创新缺一不可。例如，本课程讲授所使用的商用软件ANSYS在工程应用中针对许多共性问题的求解过程较准确，而在较特殊情况下如压气机/燃烧室内部的气液两相流动其求解结果与实际情况存在较大的误差，因此需引导学生在明确正确求解过程的前提下结合工程实际/试验情况，通过查找相关文献及结合“开放式”讨论学习模式探讨影响某问题模拟准确性的重要因素，形成“找出问题，解决问题”的创新性基础学习模式，敦促学生以某问题的重要影响因素为主线，发散思维，找出相对合理的解决方案，为学生进一步深入专业工程实际问题的研究打下良好的理论及实践基础。
2.3充分结合课上/下多元化教学手段，发放强专业性题目作业
结合板书、多媒体、软件操作讲解及课堂讨论的教学方式，并融入强专业性元素。由于课时限制，课程教学应向课堂与课后实践、传统媒介与网络媒介相结合的立体化教学空间拓展。充分利用网络MOOC教学平台，建设和完善工程结构有限元课程的相关网络资源，为学生提供课后充足的学习资源。准确把握课堂教学理论及工程实例的讲授，助推开展专业性课后工程实例题目作业，将专业性元素融入课程，让学生开放式选择“兴趣”“专业性”工程实例题目，促使学生在进行相关专业文献调研查阅、了解相关背景的基础上进行求解分析，并根据完成情况作为一部分分数纳入期末最终考核成绩中。课后工程实例题目可参考所在专业的需求及背景，如以动力工程及工程热物理专业为例，结合了“能源动力类”航空/船用动力的专业背景，在多个工程实例题目中分别融入燃气轮机、柴油机、蒸汽轮机、锅炉等小类专业元素以供学生选择，将激发学生兴趣、提升学生专业认同感、提高学生基础知识的运用及创新能力的目标融入课程教学中。
3总结
新时代新工科建设在人才培养前提下针对学科建设及教育体系提出了新的要求，需要高等院校针对原有的教学课程模式进行改革以提升专业基础创新型人才培养的质量。课程组结合工程结构有限元这门实践类课程中学生前期理论基础不牢固、课程专业特色不明显、教学手段及方法单一等问题，有针对性地提出：精细化教学内容，加强上机实践与课程理论的结合紧密度；引导学生以“实用、适用、使用”为导向，实施“实用创新”教学；优化教学手段并在课程中融入强专业性元素的工程实例题目。通过上述教学改革的实施明显提升了教学效果，激发了学生的专业兴趣及专业认同感，同时也可为工科类课程的授课教师提供一定的教学参考。
*通讯作者：颜世林
基金项目：2022年度哈尔滨工程大学本科生教学改革研究项目“新工科背景下工程结构有限元课程教学改革与实践”。
参考文献
[1]刘雪玲，汪健生.新工科背景下能源与动力工程专业基础课程改革方法研究[J].大学教育，2020（8）：65-67.
[2]刘文权，郭巧荣，万傲霜，等.融合思政元素的结构有限元应用课程综合改革与实践[J].科教导刊，2022（5）：58-60.
[3]李海涛，杨平，黄新，等.ANSYS软件在工程结构课程教学中的应用[J].高等建筑教育，2014，23（4）：137-139.
[4]赖荣燊，黄海鹏.基于有限元分析与专业案例库的《工程力学》课程教学模式研究[J].教育教学论坛，2020（13）：276-277.
[5]徐明秀，陈章华.材料力学课程教学引入有限元学习的设计与实践[J]. 2022（5）：12-15.
[6]杨家琦.有限元仿真在本科钢结构教学中的应用[J].山西建筑，2022，48（4）：189-192.
[7]顾杰斐，宿磊，蒋毅，等.面向机械专业的有限元课程教学探索与实践[J].科技视界，2021（14）：42-43.
