有限元应用的创新能力培养与探索

罗敏?赵文欣?张强?王晶

摘要：随着计算机技术的发展，数值模拟仿真技术的应用越来越广泛，有限元分析方法已成为工程设计及分析的最重要分析方法之一，提高有限元应用的创新能力的培养备受关注。从采用多媒体教学、将有限元软件引入有限元理论教学中、将科研成果引入教学中、创建创新团队和参加竞赛五个方面，开展提高学生有限元应用创新能力，培养拔尖创新人才的研究。

关键词：有限元；教学；创新；ANSYS软件

作者简介：罗敏（1968-），女，黑龙江伊春人，东北石油大学机械科学与工程学院，教授；赵文欣（1969-），男，吉林白山人，东北石油大学机械科学与工程学院，副教授。（黑龙江 大庆 163318）

基金项目：本文系黑龙江省学位与研究生教育教学改革研究项目（项目编号：JGXM_HLJ_2012025）、黑龙江省教育厅教育科学“十二五”规划课题（课题编号：GBC1211021）、黑龙江省高等教育教学改革项目（项目编号：JG201210097）的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）15-0088-01

随着有限元仿真技术的发展，数值模拟仿真技术的应用越来越广泛，有限元作为一种有效的数值模拟方法，在众多领域都有广泛应用。有限元理论是以力学问题为背景，以数值解法为主要内容，以计算机应用为实现手段，注重培养学生综合素质和创新能力的一门课程。掌握有限元方法的基本原理和使用技巧，更好地应用有限元分析这一强有力的数值计算工具，成为高校工程类大学生的学习内容和要求。由于有限元课程内容较抽象，理论性强，往往使初学者望而生畏。本文主要通过采用多媒体教学、有限元软件引入有限元理论教学中、将科研成果引入教学中、创建创新团队和参加竞赛五个方面，探讨采用合理的教学模式，提高学生的有限元分析能力。

一、采用多媒体教学，促进教学形式多样化

一般情况下学生对工程问题了解不多，工程素质欠缺，且专业知识也较匮乏，所以向学生展示工程实例不能单靠语言来表达，这样会使学生印象不深，且感觉空洞。更多的时候是通过现场照片、图片和动画等方式展示出来，这样就要求教师的教学手段要多样化，借助于多媒体计算机辅助教学，可以充分调动学生学习的兴趣，增加课堂学习的趣味性。并且在多媒体教学中设计一些内容，注重老师与学生的交流，对于不同水平的学生内容要有所不同；注重通过运用教学演示实例，介绍有限元方法在各个领域的应用，从工程实际中选出具有典型代表意义的实例作为教学素材，可增强学生的感性认识。

采用多媒体教学，能够增加课堂容量，使抽象的问题形象化，能够增加课堂教学效果。

二、将有限元软件引入有限元理论教学中，提高学生应用能力

根据有限元理论，人们编制了很多有限元分析软件，ANSYS软件是美国ANSYS公司编制的大型有限元分析软件，美国ANSYS公司是世界CAE行业最著名的公司之一，该软件集结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体。本门课程选择该软件为教学载体，介绍了该软件的使用方法及分析过程。在有限元理论课程开设之前，学生学习有限元软件只是注重有限元分析过程及实用操作，但单元如何选择，程序如何计算等都不清楚，只能把这些有限元理论内容当成“黑匣子”，有时对工程问题的计算可能因为缺乏理论指导，导致错误的结论。通过本门课程的学习，在有限元教学中引入有限元软件，极大地降低学生掌握有限元理论的难度，从而提高了学生学习有限元理论课的兴趣，也使学生应用有限元软件的能力得到了提高。

例如：在讲完杆系问题，笔者会给学生介绍ANSYS软件如何分析杆系问题，并通过例题来演示。而且还要给学生布置作业，要求学生能够利用所学有限元理论求解，并要求学生还要采用有限元软件进行计算，并对比结果，这样，不但加深了学生的理论知识，还能使学生有目的地去学习ANSYS软件，从而提高应用软件的能力。

三、将科研成果引入教学中，提高学生的实践能力和创新意识

目前，大多数高校部分本科及研究生专业开设了有限元方面的课程，目标是使学生了解有限元的基础理论，更好地利用有限元理论知识分析和解决工程实际问题。然而，笔者在教学中发现有限元分析理论较为抽象，学生学习的兴趣不浓。

多数高校教师既从事教学，又从事科研工作，若将相关的科研成果引入课堂教学，使科研和教学有机的结合，不但可以开拓了教学的视野，丰富了教学的手段，提高了教学的质量，对教学工作起到了巨大的促进和推动作用。而且也使学生更好地了解工程背景，利用有限元理论解决工程问题的能力，避免学生毕业时只学了大量的理论知识而与工作实际脱节，又可以反过来增加学生对有限元理论的学习和理解。

为了提高学生学习本门课的兴趣，在讲授这门课之前，先通过列举一些工程实例，这些工程实例都是笔者以前利用有限元方法解决的工程问题，也是笔者曾经做过的科研项目。例如：笔者利用一个油田小型柔式抽油机作为教学范例，这个结构比较复杂，模型如何简化，单元如何选取，精度如何提高，这些内容都是本门课程要解决的问题。这个结构包括杆系结构、平面结构、空间实体结构，也正是这门课所要讲的内容。通过这些工程实例的介绍，使学生充分认识到有限元课程的重要性及实用性，这样大大提高了学生学习本门课程的好奇心，激发了学生学习本门课程的兴趣，使学生学习的主动性得到了提高。在讲完每部分的理论后，笔者都举出一个以前做过的此部分的科研问题，注重讲解工程背景，让学生针对此问题建立力学模型，并分析和解决此科研问题，然后再针对学生分析中存在的问题，进行讲解，注重问题的分析过程，使学生能更好地解决工程问题。

科研项目引入教学，使学生对具体工程实际问题的分析与求解能力得到了提高，采用这种教学方式确实收到了良好的效果。

四、创建创新团队，培养拔尖人才

笔者的科研团队创造一切条件和机会吸引优秀的学生参与科研，由老师、研究生和本科生组成几个创新团队，使学生在整个大学学习过程中都能培养自己科学研究的能力，提高学生的实践能力，并以此产生以点带面的效应，在学生中形成积极参与科研的气氛。结合学生实际，笔者分两步制订了学生的培养计划：第一步，有限元软件或编程能力的提高过程；第二步，参与科研项目、应用能力的提高过程。笔者的部分老师根据学生的特长和爱好，分别为每个学生选择一个研究方向，分配一个研究课题，这样就使学生带着问题去学习，不至于太盲目。在第一步的培养过程中，组织科研团队的部分老师围绕各个专题给学生讲授应用软件和编程的内容，并安排学生上机操作。通过第一步的培训后，学生应用软件和编程的能力都有所提高。培训后的学生就可以进行第二步的培养，参与科研项目，注重有限元理论和工程实践相结合。这样学生会觉得自己学有所用，学有所得，提高了学习的热情，在科研中遇到的问题又会激发学生探索的积极性，自觉地去提高自己，培养自己的实践能力。而且，通过参加科研，学生可以了解自己所学知识的应用和发展现状，有助于他们在以后的学习中根据自己的爱好准确地定位，积极主动地找到自己的发展方向，增强择业的自主性，也为毕业设计打下基础。

通过在创新团队中的锻炼和培养，使学生的研究能力得到了提高，克服了以往学生理论学习与知识应用的脱节现象，培养了更多的拔尖人才。

五、参加竞赛，提高学生的创新能力

学科竞赛是学生理论联系实际的重要环节之一，是培养学生综合能力和创新思想的主要手段。通过竞赛能够加强对学生创新能力、动手能力和协作精神的培养，提高学生的工程实践素质和综合能力。为此，积极组织学生参加各种结构设计大赛，在竞赛过程中训练学生应用有限元分析软件ANSYS进行力学分析计算，完成设计说明书，并能根据计算设计出承载能力最强、质量最轻的桥梁结构。通过学科竞赛，可以充分发挥学生的主观能动性，提高学生自身的创新精神和动手能力以及实践中发现问题和解决问题的能力。

六、结语

通过以上的培养提高学生有限元分析能力，增强了科研能力和动手能力，有助于学生综合能力的培养，对培养学生创新能力和创新精神具有重要意义，也为国家培养了更多更合格的拔尖人才。

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，（4）：198-199.

[2]朱艳峰，王红.理论教学、传统实验与“有限元分析”有机结合的探索与研究[J].广东工业大学学报（社会科学版），2010，10（4）：25-28.

[3]李未，肖黎.突出特色 鼓勵创新 培养拔尖人才——理工科研究生拔尖创新人才培养模式的探索与实践[J].北京航空航天大学学报（社会科学版），2009，22（S1）：1-4.

（责任编辑：王意琴）