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计算结构力学课堂教学中的弊病与解决措施
中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16871/j.cnki.kjwhb.2018.08.030
摘 要针对计算结构力学的课程特点及船舶与海洋工程专业硕士研究生的培养要求,分析该课程课堂教学中的问题.在此基础上针对教学过程中存在的问题,提出改革的思路,在教学过程中强化实验教学,注重学生解决实际问题能力以及编程技能的培养.分组讨论,提高学生自主学习的能力,提高课程的教学质量.
关键词计算结构力学编程实验教学自主学习
Disadvantages and Solutions in Classroom Teaching ofComputational Structural Mechanics // Zhang Jing,ShiXinghua,Li Liangbi
Abstract Considering the curriculum characteristics of computationalstructural mechanics and training requirements for mastersof Nal Architecture and Ocean Engineering, the problemsin the course teaching are analyzed. In view of the problems existingin the teaching process, the idea of course reform is provided.In the teaching process, the experimental teaching isstrengthened to improve the student´s ability to solve practicalproblems and develop their programming skills. Group discussioncan improve students´ ability of autonomous learning and improvethe quality of teaching.
Key words computational structural mechanics;programming;experimental teaching;autonomous learning
计算结构力学是结构力学和计算机应用结合的交叉学科,其建立基础是结构力学、数值分析和计算机应用[1].随着计算数学和力学的不断发展,同时现代大型工程的设计需要进行大量的强度分析,在计算机技术的飞速发展和计算机应用的迅速普及的基础上,计算结构力学作为当代力学发展的重要分支之一,已成为了高等院校工程结构类和力学类的学生或是研究生的必修课[2].本文的作者已经对学生进行了多学时的授课,积累了一定的教学经验,在教学过程中发现有很多地方还需要改进.经过长期的实践,对计算结构力学教学过程中存在的问题进行分析,并提出相应的改革措施.
1 计算结构力学课堂教学现状
计算结构力学作为一门工程力学专业的学位课和船舶与海洋工程专业的研究生主要专业课,在我院开设该课程时,课堂质量不高,学生只听不交流.课后通过与学生交流,发现学生对于理论的学习兴趣不高,特别是对于大量的数学、力学的理论存在排斥心理.通过分析发现如何提高学生的学习兴趣、消除学生的心理障碍是提高计算结构力学课堂质量急需解决的问题之一.
计算结构力学涉及的主要数学知识有泛函、数值分析以及矩阵相关计算.所以如何讲解有限元里的数学知识是教师需要解决的难点之一.同时,该课程不仅涉及弹性力学以及结构力学问题,特别是能量法、位移法,而且还与具体工程以及工程的具体要求息息相关.课堂讲授中不仅需要讲解有限元的基本理论和基本方法,需要学生掌握有限元方法的计算过程,要求学生掌握各个过程中的具体要求.由于计算结构力学涉及到具体工程计算,要求学生能够抓住工程中的主要矛盾,忽略次要的细节,掌握其中的原则.要做到数值计算模型及其过程完全与实际工程一致,既不现实也不可能.因此如何把握理论知识与实际工程之间的平衡关系也是计算结构力学的难点.
有限元法是工程分析中最广泛的数值方法之一,通用有限元平台,ANSYS 软件、ABAQUS 软件等.在有限元较为普及的时代,如何教会学生应用成熟的软件做出具有一定创新性的工作,这也是目前这门课程的难点之一.这些软件的二次开发也是目前有限元数值计算研究的热点问题,同时具有一定的创新性.二次开发均提供了Fortran 接口,所以在讲授过程中加入Fortran 语言的学习也是一个难点.
2 课堂教学的改革
针对上述弊端,根据本课程的教学特点以及近几年的教学经验,通过不断地变换思路,形成如下措施.
2.1 课程内容的改革
计算结构力学的课程内容和教学目的应具有培养学生适应社会的能力和改造社会的能力,同时兼顾有一部分继续深造的学生,为其打下坚实的读博基础.
考虑到船舶与海洋工程、工程力学专业的特点,从人才培养的多层次性和工程应用性出发,需要突出船海特色的实际工程,注重企业特别是设计公司、研究所的需求,以培养现代船舶、海洋工程设计工程师为主要目的,在加强工程分析计算训练的同时,突出创新能力的培养,如软件的二次开发、学科交叉应用.从调整课程内容与教学体系出发,突出课堂内容在船海工程的应用,注重实际工程的讲解,同时考虑学生的多层次需求注重理论知识讲授及拓展,侧重有限元的软件训练,着重培养学生的实践能力和二次开发的创新能力.
加大实践教学.在知识体系的各个环节均布置程序设计大作业,主要在刚度矩阵、其存储方式、方程求解的小程序编制；安排学生上机练习,要求学生独立上机编制和调试简单结构（板格、刚架）的计算程序.通过实践教学使理论联系实践,培养学生的工程应用能力.
结合船舶与海洋工程结构的特点,进行MSC.Patran/Nastran软件的讲授,开设试验内容从板格到加筋板直至舱段,由浅入深,使学生在掌握理论的同时,明白每一步理论对应的软件操作,即掌握每一步软件操作包含的理论知识和公式.
在现有有限元软件的二次开发方面进行适当的拓展,通过小算例让学生理解二次开发的重要性和简单的操作,激发其学习的兴趣.
课外作业是学习的重要环节,除了完成常规的作业,为培养研究生的创新和研究能力,布置与本课程相关的小论文,让学生根据本身的兴趣以及未来可能的研究课题,采用编制的小程序来开展简单结构相关的计算、进行不同边界条件、载荷等分析,同时采用有限元软件开展海洋平台、船体等工程实际问题进行结构分析,撰写简单的研究小论文.实践表明,这种新颖的课外作业可以提高学生的学习兴趣,调动学生研究探索的积极性.学生通过主动查找文献资料,主动去分析问题,解决问题,不仅加深了对有限元分析过程及理论的理解,更为重要的是让学生充当了探索、解决问题的主角,极大地调动了学生研究兴趣.
2.2 教学手段的改革
根据船舶与海洋工程行业对人才多样性的需要和本专业学科的工程背景及特点,把计算结构力学的教学分为以下两个层次：
（1）工程应用层次,只了解简单的理论、有限元分析流程中的公式,重点掌握有限元软件的使用.
（2）创新及二次开发层次：不仅掌握有限元分析过程中理论及公式,进行编程训练,学习现有有限元软件的二次开发.
在此基础上,积极推进多层次、多类型、个性化的人才培养模式,把因材施教落在实处.
在现代船舶与海洋工程专业硕士研究生教育中,必须改革以学生不思考而死记硬背和教师灌输为中心的教学法,代之以培养学生学习兴趣及进一步的创新意识和能力为中心的教学法.其中可利用程序设计和现有软件的二次开发充分激发学生的个性发展,在一些基本的模块中（刚度矩阵、方程组的求解）,采用程序设计的课程习题,训练学生的数值思维,以此激发学生编程兴趣,有利于其工程应用及创新思维的形成.
如何生动地讲解“计算结构力学”,化解学生的畏惧心理,课程的切入点很重要,如何将复杂的问题简单化很关键.当讲解一个概念的时候,通过实例的方式既可以使学生容易理解,又能让学生对讲解的内容印象深刻,提高了学生的积极性和学习效果.教师可以利用首先利用知识点的微课视频来给学生一个初步的课堂印象,在课堂授课时结合实际工程案列,如船体舱段有限元校核的图片来激发学生的学习兴趣,采取多种教学途径来提高学生的学习效率.
在教学手段上,视频、互联网、自制的实际工程案列等现代化教学手段和方法,同时配合传统黑板板书的方式实现“组合式”教学,充分讲解计算结构力学的相关理论,将理论与有限软件的过程结合起来,让学生掌握每一步软件操作过程中的理论和公式.工程图片、案列以及结构变形的形象和生动,能弥补课本知识的不足,提高学生的学习兴趣,能有效改善学生的学习效果,提高教学质量,学院和学校已经投入了一定的经费进行课程建设.
现代是大数据、信息化程度极高的时代.高度的信息化对高等教育的影响主要表现在知识能力结构、教学方法手段,特别是学生学习方法的教授等方面,因此,我们必须培养具有学习能力强、工程简化能力强、创新精神和创新能力的高素质工程技术和研究型人才,以适应大数据、信息化的必然要求.为达到上述要求,我们围绕“计算结构力学”课程建设开展系列课程设计与建设、着力营造数字化教学环境,筹备建立微课教学,并积极推进网络教学和网上教学资源的建设,推进教学内容和方法的改革与教育技术的改进：创建计算结构力学的现代化教学模式,发挥重点课程的示范作用,建立精品课程,提高学生的学习质量.
2.3 培养学生的主观能动性和创新意识
根据面向大数据时代的人才培养要求,强调和重视以培养动手、数值分析和创造力为核心的能力培养已成为课堂教学的重要任务.然而,对于一门课程来说,如何使学生既掌握该课程的基本内容,又能在其基本研究方法、流程上培养创新能力,是个需要深入研究的问题,核心问题是学生学习能力的培养及其主观能动性的调动.
在各个教学环节中都要注意发挥学生的主体作用,对于船舶与海洋工程类应用型人才培养,在船舶与海洋工程以及工程力学专业的研究生培养方面,应特别注意增强研究生的工程敏感性、学习能力.因此在教学中要特别注意发挥课程的专业技术功能,注重学生解决实际问题能力、编程技能以及软件使用能力的培养.
将每次课堂教学的学时分成两个部分,一部分是老师讲授课程内容,剩下的一部分时间用于学生之间、学生和老师之间的互动,将学生以每4 个人分为一个小组进行讨论.通过学习和讨论,明确每次课堂的基本任务及其拓展,践行每次课堂的目标,并不定期检查本课程目标、课程任务完成情况.以此培养和激发学生学习的兴趣,激发其学习能力,同时养成良好的学习、思考及其工程观察习惯,培养学生自主学习的能力.
研究生培养是培养青年高层次人才,需要做到“科学研究与高等教育的有机结合”.但目前的状况是高等教育普遍存在灌输式、课本式教学方式,不能将所学的知识与实际的科研项目结合进行授课,一流的学术并不能代表一流的人才培养质量.高水平教师大部分忙于搞科研、做学术,但他们没有把那些高深的学术理论、先进的学科项目和自己所教授的课程结合起来.由于国内教育体制和管理制度的原因,研究生在课程学习阶段较少接触到教授们进行的那些高水平科研活动,使这些最优质的教学内容失去了其宝贵的价值.针对该现状,本教学团队将自身的科研项目融入到“计算结构力学”的教学中,直接将船舶设计中的总体强度及局部校核引入课堂,培养学生科学分析解决问题的能力,直接针对研究课题和技术课题,作为教学案例加入到课程内容当中,讲解其过程及原理,将会提高学生分析解决问题的能力.激励学生敢于思考,勇于实践,善于总结,培养学生创新意识.
3 结语
根据计算结构力学课程本身的特点,对计算结构力学课程的教与学提出了一些改革意见.在计算结构力学的教学中,一定要注意专业技术功能,注重学生解决实际问题能力以及编程、软件使用技能的培养.本教学团队在教学过程中发现,实际案例教学、微课教学,促进了学生独立学习思考,培养了学生的学习能力,同时提高了教学质量.
结构力学论文范文结:
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