以科研为导向的工程结构数值方法课程改革与探索

孙玉周 常利武 王锦燕

中原工学院建筑工程学院（450007）

《工程结构数值方法》是我校土木工程、建筑与土木工程专业硕士研究生的学位课，是学生运用所学力学知识解决实际问题的桥梁。通过对该课程的学习，使学生了解目前常用的数值计算方法，为后续完成学位论文及今后从事土木工程技术工作奠定基础。以往课堂教学偏重于基本理论讲授及有限元软件操作，不利于培养学生的科研能力和创新思维，因此在课堂教学中加强科研能力和创新思维训练显得十分必要。 在课程教学过程中，结合课程教学内容引入科研案例作为教学例题，可以实现课程学习和科研实践的有机结合[1-2]，将“研究性”学习贯穿到日常课程教学中，有利于提升研究生的专业素养。

1 以科研为导向的课程改革的意义

1.1 开阔学生视野，增强学生科研原动力

工程结构数值方法课程涉及的内容理论性很强、公式概念繁多，不少学生学起来感觉相对枯燥、缺乏兴趣。选取本专业科研案例作为教学例题不仅可以增强教学的深度，还可以拓展学生的视野[3]。此外，将教师科研工作经验和科研实践作为教学案例，尤其是将教师所带研究生完成的与课程相关的学位论文作为课堂案例，可使学生感觉课程理论应用于科研实践不再遥不可及，从而激发学生学习和科研的热情，增强学生科研原动力[4]。

1.2 调动学生学习主动性，提高课堂效果

选取科研案例进行课堂教学，引导学生掌握案例所涉及的理论知识的具体应用，激发其主动学习的欲望，提高学习课程的兴趣。 抽取科研课题的某一部分设计为教学案例，引导学生去分析问题和解决问题，有利于学生科研素养的提升。 将教师在科研工作中积累的经验及科研成果引入课堂，不仅可以丰富课堂教学内容，还可以促使学生尽早对文献查阅、科研选题及试验操作有所了解，从而提高学习的主动性，提高课堂教学效果。

1.3 锻炼学生科研思维，提升科研创新能力

由于受导师意愿、学生能力及科研环境等因素的影响， 研究生参与课题研究受到了很大限制，所以课堂教学仍是研究生获取专业知识和提高科研创新能力的重要渠道。 将课程组老师所从事的与课程相关的高水平科研项目作为课堂教学案例，不仅有助于锻炼学生的科研思维，也有助于提高学生理论联系实际的能力[5]。 将科研案例融入课堂教学，鼓励同学们自行搜集资料并开展小组讨论，可以提高其探究学习和自主学习的能力，有助于学生科研能力和创新思维能力的提升。

2 以科研为导向的课程改革实践

以科研为导向的课程改革强调科研型教学案例在课堂教学中的作用，通过案例教学将抽象难懂的理论用直观形象的应用案例呈现出来，旨在通过课堂教学加强学生科研思维和创新思维的训练，增强学生的科研体验，提高研究生培养质量。 下面介绍的是以科研为导向的课程改革的具体措施[6]。

2.1 调整优化课堂教学内容

研究生教学应遵循以自学为主、以引导为主的原则，强调研究性学习。 为此，课程改革以增加科研型教学案例为主线，对课程的教学内容进行优化调整。 课程所涉及的基本理论知识先由学生课下自学，在课堂教学中精讲难点，重点放在有限元、边界元及无网格法的基本思想、具体案例的程序实现过程上。 适当减少课上软件上机操作学时，将部分软件操作训练作为学生课下作业，引导有能力的同学自己编写简单的有限元程序。 在课堂教学中引入一定量的科研型教学例题，引导学生加深对所涉及的基本原理和重要知识点的理解。 通过对例题、程序的讲解，使学生掌握算法的程序设计及实现的过程，为以后从事科研实践或继续读博奠定基础。 此外，在课程讲授过程中， 尽量多引入科研事例来培养学生的科研兴趣。

2.2 提炼“科研型”教学专题

以教学专题进行课堂教学可大幅提高学生的课程参与度，进一步激发学生的学习兴趣。 结合课程的教学内容和学生的科研需要，对课程组教师及所带研究生完成的课题或科研成果进行总结和归纳，整理出若干个适合教学的教学专题。 根据课程的内容体系，主要引入具体问题的形函数构造过程、刚度矩阵的拼装步骤、边界条件的施加方法、有限元和无网格的融合方法、商用软件的二次开发等专题。 每个教学专题要求学生分组讨论所运用到的知识点，鼓励优秀学生结合自己的科研方向查找相关文献完成简单问题的程序验证。

2.3 重视课堂案例的分析过程

重视设计案例分析过程，巩固所用到的基础理论知识，引导学生去发现问题、分析问题和解决问题，实现教学和科研的深度联系。 教学中采用启发式教学，鼓励学生各抒己见，多增加师生互动环节，形成良性的互动式教学氛围。 以用无网格法构造高阶单元的ANSYS 二次开发课堂案例教学为例，启发学生思考为何要进行二次开发，引导学生正确利用用户子程序来修改单元的刚度矩阵。 引导学生思考在遇到单元精度不满足要求时该如何应对，启发学生利用无网格法形函数的优点来解决高阶单元不易构造的问题。 通过对具体科研案例的分析，使学生理解利用无网格法计算框架编写的FORTRAN程序来形成高阶单元的思路，通过实例操作使学生掌握如何将上述程序链接到ANSYS 软件中，达到修改整体刚度矩阵的目的。

2.4 改革考核评价方式

合理的考核评价方式是客观评价学生学习效果，促进教学方法改革的重要途径。 近年来，随着高等教育改革的不断深化，过程性考核作为一种平时成绩的考核方式越来越受到广大高校教育工作者的关注。 以科研为导向的工程结构数值方法课程改革重视过程性考核，考虑到课堂考勤、课程互动、平时作业和阶段性测试等多元化因素，占总评成绩的60%（如表1）。平时作业以课程“大作业”为主，主要为学生课下自拟题目的上机操作或给定题目的编程作业， 旨在激发学生的自学能力和科研兴趣；阶段性测试主要考核学生对课程基本知识点和基本原理的掌握情况；课程互动包括课堂教学互动和网络互动两个方面。

表1 考核评价内容及比例分配

3 结语

研究生课堂教学中以科研为导向的课程改革在培养学生的科研能力和创新思维方面有着重要意义。 以科研能力为导向的工程结构数值方法课程改革强调学习过程的“研究性”，可以实现课程学习和科研实践的相互融合，有利于学生创新能力的培养，有助于学生以科研为引导的自主学习习惯的养成。 将部分学院高水平的科研成果作为课堂教学案例引入课堂，不仅可以激发学生的学习兴趣、开阔学生的视野，还有助于研究生科研能力的提高。 引入科研型教学专题的课堂教学，可以使学生带着问题学习，提高学习的主观能动性，有利于打造高效课堂。 通过课堂教学改革让课程学习变为研究生掌握专业知识和提升科研创新能力的重要渠道，全面提高研究生培养质量。