基于科研需求的研究生课程 “机械结构有限元分析”教学改革探讨

马宗民 王珍 李淑娴

摘    要：科研能力培养是研究生教育的本质，课程学习是研究生培养的一个重要环节。文章从研究生科研任务需求出发，探讨研究生课程“机械结构有限元分析”教学改革。在分析课程特点的基础上，阐明有限元分析法在科学研究中的地位和作用，并以接触分析为例说明有限元分析的基本步骤，通过分析有限元接触分析相关科研论文，学习了解科研选题原则、数据获取等科研课题实施步骤，在进行有限元知识学习的同时深入理解科研的基本方法和流程，实现“机械结构有限元分析”课程学习和科研需求的融合。

关键词：研究生教育;科研能力;有限元分析

中图分类号：G642      文献标识码：A      文章编号：1002-4107（2022）04-0060-02

研究生教育是一种高层次教育，是人才培养的重要形式，担负着高层次人才培养的重要任务。科学研究是研究生教育的主要特征。美国学者克拉克指出，研究生教育

“以科研为首要的成分， 教授的作用在于把科研和教学结合起来——科研活动十分恰当地成为一种教学模式。学生的作用就是把科研和学习结合起来——科研活动转变为一种学习模式”[1]。北京航空航天大学的马永红认为，研究生教育的主要形式是“学习者”和“研究者”角色并行[2]43。武汉大学姚金雨认为，科学研究的“探究性”是研究生教育的首要本质;教育过程的“专业性、创新性、学术性”是研究生教育的次要本质[3]。可见，科学研究是研究生教育最主要的特征，是研究生教育的核心和本质。科学研究要贯穿研究生教育的整个过程。

研究生教育包括课程学习、研究训练及创新实践三个基本环节[2]46。课程学习是研究生教育的基础，服务和促进科学研究。研究生课程教育具有学术性的教学性质、前沿性的教学内容、研究性的教学过程、丰富性的教学方

式，以及规范性的教学评价等特征[4]。研究生课程体系主要由基本理论课程、基础知识课程、研究方法工具性课程和学术史课程等课程板块构成[5]。“机械结构有限元分析”作为研究方法工具性课程，是为机械工程专业硕士研究生开设的一门课程。“机械结构有限元分析”课程如何开展，作为研究方法工具性课程如何与科研需求相融合，是需要深度思考的问题。

一、“机械结构有限元分析”课程特点

当前科学研究主要有理论、实验和数值模拟三种研究手段。数值模擬是随着计算机和数值方法的发展而发展起来的一种理论数值求解方法。有限元分析法是数值模拟方法的一种，适用性和灵活性较强，广泛用于连续介质及场问题的求解。有限元分析法在机械电子、土木工程、航空航天、生物医学等领域均已广泛使用，当前已发布了《机械产品结构有限元力学分析通用规则》《均匀径向荷载下金属血管支架有限元分析方法指南》《电子装备结构有限元力学分析建模要求》《非组合式金属髋关节股骨柄有限元分析标准方法》《基于Patran/Nastran软件的航天产品结构有限元分析要求》等多个标准，以规范有限元分析法的使用。

“机械结构有限元分析”作为一门工具性课程，主要目标是通过课程的学习使学生掌握有限元的基本概念、理论和建模技术，以便正确使用商业有限元软件解决实际工程问题，特别是复杂结构的力学问题分析。

二、“机械结构有限元分析”课程教学存在的问题

1.研究生教育是本科教育结束后继续进行深造和学

习的一种教育形式。由于部分教师受本科教育形式的影响，仍采取讲授为主的方式进行教学，这不适合研究生教育的需要。研究生是通过研究工作进行学习的学生，学术性、研究性要贯穿整个研究生培养期。“机械结构有限元分析”在教学形式上要体现出学术性和研究性。

2.教学内容上看，过于偏重基本知识、基础理论。研究生教育更着重通过基本知识和基础理论的应用来解决实际的问题。没有研究的课程学习是缺乏活力的学习，因此教学内容要充分体现出学术性和研究性。

3.考核方式单一，形式化过于严重。考核方式要规范、灵活多样，要体现出学术性和研究性的特点。

三、“机械结构有限元分析”课程改革探索

（一）研讨式为主的教学方式

研究生经过本科阶段的学习，具备了一定的专业基础理论知识。研究能力培养是研究生教育的主要目标。研究能力的培养是研究主体通过自我探索进而发现问题、分析问题和解决问题逐步实现的，在这个过程中教师仅作为引导者和疑难解答者，学生才是教学活动的主体。

（二）多层次的教学内容

研究生教育不仅要求研究生掌握专门系统知识，更重要的是对其应用能力的培养，要通过阅读相关专业文献了解专业领域发展现状和趋势。“机械结构有限元分析”作为研究方法工具性课程，除要求研究生学习并掌握有限元的基本概念、基本理论外，更重要的是要掌握有限元在科学研究中的应用。通过对专业领域有限元相关科研论文的查找、阅读和讲解，增强研究生对研究方法和研究思路的了解，激发研究生科研兴趣和科研热情。

（三）多角度的教学评价

教学评价直接影响研究生对课程学习的积极性。基于教学方式和教学内容采取课程考试、研究小论文、研究设计、课程参与相结合的方式，全面评价研究生对有限元知识的掌握程度及发现问题和应用有限元解决问题的能力。

四、“机械结构有限元分析”课程改革探索实施

有限元作为一种数值模拟方法在科学研究中广泛使用，已有商业公司开发了大型通用有限元计算平台，如ABAQUS、ANSYS、ALGOR、ADINA等，掌握一个或者多个有限元计算平台使用方法是目前拓展有限元应用的重要途径。将有限元软件的使用贯穿于有限元学习中，使研究生能够快速、有效地建立起有限元分析的思路，并能够触类旁通。

机械结构分析是有限元应用非常成熟的一个领域，在静力学、动力学、非线性等问题的研究中广泛使用。接触分析是非线性问题的一种，在工程结构中有大量的接触问题。通过表1列出的几篇有限元接触分析相关论文可以看出，有限元作为一种科学研究手段在机械、生物医学等领域已深入应用，得到广大学者的认可。

通过阅读有限元接触分析文献，研究生可以了解相关领域的研究现状、存在问题，以及问题解决方法和手段。下面是一个有限元接触分析实例关键步骤。软件平台为ANSYS。

步骤1：模型建立。可以采用第三方CAD软件或者有限元软件平台自带的建模工具。图1为有限元模型，分别为三维模型和网格模型。通过模型建立，研究生可以了解实体结构如何简化模型、有限元模型的建模方式、建模平臺的使用、单元选择、模型网格化等有限元分析处理相关内容。

步骤2：接触定义。接触定义是有限元接触分析的关键。通过接触定义能够激励研究生主动学习接触面、接触类型、接触计算公式等基本知识，变被动学习为主动学习。

步骤3：载荷约束设置。载荷约束设置是基于工程实际抽象出载荷和约束的加载方式，根据真实的物理系统抽象出物理模型，包括载荷和约束。

步骤4：求解和结果查看。

步骤5：结果分析与讨论。对结果进行分析，与他人结果比较异同，进行分析解释。

研究生通过对工程实际案例或者文献案例的重复深入阅读，既学习了有限元的知识，又了解了进行科学研究的基本方法、基本过程。通过文献重复，可以充分锻炼研究生的科研能力，体现有限元在科学研究中的作用。

“机械结构有限元分析”应充分发挥其研究方法工具性课程的特点，使其在研究生教育过程中锻炼研究生研究能力。研究生结合科研需求既完成了有限元基本知识的学习，同时又了解了科学研究的基本方法，如选题的原则、数据获取、数据处理分析等课题实施步骤，在进行有限元知识学习的同时深入理解科研的基本方法和流程，实现“机械结构有限元分析”课程学习和科研需求的融合。

参考文献：

[1]  CLARK B R. 探究的场所——现代大学的科研和研究生教育[M].王承绪，译.杭州：浙江教育出版社，2001：1.

[2]  马永红，刘润泽.研究生教育的本质和发展逻辑探 究[J].清华大学教育研究，2020，41（3）.

[3]  姚金雨.多视角下研究生教育本质探析[J].黑龙江高教研究，2018（2）：16.

[4]  朱顺钗，叶信治.研究生教学问题与对策：基于教学 本质的分析[J].扬州大学学报（高教研究版），2018，22（2）：93-94.

[5]  罗尧成.论研究生课程学习与科研训练整合的三个 维度——基于30位新进校博士青年教师的调查启迪[J].学位与研究生教育，2010（11）：60.

■ 编辑∕陈晶