土木工程有限單元法教學(xué)方法探討

1、土木工程有限單元法教學(xué)方法探討 摘要：本文針對(duì)土木工程有限單元法教學(xué)中普遍存在的三個(gè)問題：（1）學(xué)生對(duì)該課程所需預(yù)備知識(shí)掌握得不夠扎實(shí)；（2） 部分學(xué)生忽視對(duì)該課程理論知識(shí)的掌握；（3） 課堂教學(xué)枯燥，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)少，學(xué)生缺乏興趣，結(jié)合本人的教學(xué)實(shí)踐，對(duì)該課程的教學(xué)方法進(jìn)行探討，提出解決這些問題的相應(yīng)方法。 關(guān)鍵詞：有限單元法；教學(xué)方法；實(shí)踐環(huán)節(jié) 中圖分類號(hào)：g642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 1 引言 有限單元法（finited element method），其概念始于20世紀(jì)40年代中后期至50年代初發(fā)展的用于結(jié)構(gòu)分析的“矩陣分析法”， 1956年，美國(guó)的clough、turner等將其應(yīng)用于波音

2、飛機(jī)的結(jié)構(gòu)分析，而有限單元法這一名稱是clough在1960發(fā)表的論文中首次正式提出的1。從有限單元法這一名稱正式提出至今，僅僅50多年的時(shí)間，其已經(jīng)得到了飛速發(fā)展，成為各類工程科學(xué)領(lǐng)域強(qiáng)有力的研究工具，廣泛應(yīng)用于航天、航空、交通、機(jī)電、土木、化工、海洋等工程領(lǐng)域，成為推動(dòng)科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展的生產(chǎn)力2，因此，大部分理工科院校均已將有限單元法這門課程列為本科階段的必修課程。然而，本人在長(zhǎng)期從事該課程的教學(xué)期間，發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)行提倡素質(zhì)教育和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的模式下，在較少的課時(shí)內(nèi)使學(xué)生系統(tǒng)地掌握有限單元法的基本理論及其應(yīng)用并非易事3。本文中，將結(jié)合自身教學(xué)經(jīng)驗(yàn)對(duì)有限單元法教學(xué)中存在的問題及解決方法做一探討

3、。 2 有限元教學(xué)方法探討 在近些年的教學(xué)實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)有限單元法的教與學(xué)存在以下三個(gè)問題，接下來(lái)將針對(duì)這三個(gè)問題及其解決方法進(jìn)行探討。 （1） 學(xué)生對(duì)該課程所需預(yù)備知識(shí)掌握得不夠扎實(shí)。有限元方法本身應(yīng)歸于計(jì)算力學(xué)的范疇，有一個(gè)龐大而復(fù)雜的理論體系3，要求學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程之前應(yīng)掌握相關(guān)的數(shù)學(xué)和力學(xué)知識(shí)，如高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)等課程的相關(guān)內(nèi)容，但是有部分學(xué)生往往對(duì)之前所學(xué)知識(shí)遺忘較多，且理解有限，造成在學(xué)習(xí)有限單元法課程時(shí)難以在規(guī)定的教學(xué)時(shí)間內(nèi)理解和掌握。針對(duì)此問題，在教學(xué)過程中應(yīng)注重優(yōu)化教學(xué)順序4，承前啟后，引導(dǎo)學(xué)生將已學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通，可在教學(xué)過程中拿出2-3個(gè)課

4、時(shí)，對(duì)線性代數(shù)和彈性力學(xué)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行復(fù)習(xí)，加深學(xué)生的理解，以便更好地掌握有限元的理論。 （2） 部分學(xué)生忽視對(duì)該課程理論知識(shí)的掌握。一方面，由于部分學(xué)生對(duì)該課程所需預(yù)備知識(shí)掌握得不夠扎實(shí)，上課期間又缺乏復(fù)習(xí)，導(dǎo)致其覺得有限單元法的基礎(chǔ)理論生澀難懂，進(jìn)而不去深究其所以然，只是死記硬背地應(yīng)付課程考試，對(duì)基礎(chǔ)理論不求甚解；另一方面，部分學(xué)生認(rèn)為自己只要學(xué)會(huì)如何應(yīng)用有限元的商業(yè)化軟件即可，具體的基礎(chǔ)理論知識(shí)知道皮毛即可。這兩種現(xiàn)象均導(dǎo)致學(xué)生忽視了有限單元法的基礎(chǔ)理論，殊不知，理論知識(shí)若掌握不好，則難以正確應(yīng)用有限單元法來(lái)解決實(shí)際工程問題，尤其是在應(yīng)用現(xiàn)成的商業(yè)軟件時(shí)，會(huì)出現(xiàn)力學(xué)計(jì)算模型不合理、參數(shù)輸

5、入不當(dāng)、單元剖分不合理、算法選擇有誤等問題，會(huì)嚴(yán)重影響計(jì)算結(jié)果的精確性甚至是得到錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果。故在授課過程中，應(yīng)向?qū)W生闡述若想使有限元方法成為研究和計(jì)算的得力工具，則掌握扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)是必要的前提條件。 （3） 課堂教學(xué)枯燥，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)少，學(xué)生缺乏興趣。教師在有限單元法課程的教學(xué)過程中，應(yīng)注意將基礎(chǔ)理論知識(shí)與工程實(shí)踐相結(jié)合，提升學(xué)生的興趣。同時(shí)，應(yīng)重視課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的課時(shí)至少應(yīng)占總課時(shí)量的三分之一，通過學(xué)生自己對(duì)有限元程序的應(yīng)用，使學(xué)生看到這種方法在解決問題時(shí)的優(yōu)勢(shì)，也能幫助學(xué)生更好地理解理論課堂上所學(xué)到的知識(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。另外，還要鼓勵(lì)學(xué)生應(yīng)用有限單元法去解

6、決之前學(xué)習(xí)中遇到的問題，如結(jié)構(gòu)力學(xué)課程中的問題，或是將其應(yīng)用于其它課程的課程設(shè)計(jì)或是畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，甚至是其它自己學(xué)習(xí)、生活中遇到的想探究的力學(xué)問題等，如曾有國(guó)外學(xué)生應(yīng)用其來(lái)研究踢足球時(shí)的力學(xué)問題。 本文探討了有限單元法課程教學(xué)中存在的普遍性問題，并提出了相應(yīng)的解決方法，以供參考。 參考文獻(xiàn)： 1 劉懷恒. 結(jié)構(gòu)及彈性力學(xué)有限單元法m.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2007. 2 王小榮， 林順洪， 丁劍平等. 有限元法課程的教學(xué)改革探討j. 重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)： 社會(huì)科學(xué)版， 2011 （6）： 178-179. 3 陳世民， 何琳， 陳卓. 以人為本 強(qiáng)化實(shí)踐能力培養(yǎng)土建專業(yè) “有限元基礎(chǔ)” 課程教學(xué)改革探討j. 重慶交通大學(xué)學(xué)