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探索面向新时期的计算机专业研究生创新人才培养模式

发布时间:2020-12-24
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 有限元法已成为工程剖析中强有力的数值剖析工具,在多数工科院校中,“有限单元法”曾经普遍作为研讨生课程中一门重要的的学位课。理论证明,经过教学变革增强根底理论教学、工程概念,加强学生通用软件编写才能,讨论通用有限元剖析软件应用与工程实践问题的处理对学生系统控制该课程的理论和办法具有积极的作用,进步了学生应用有限元办法处理实践工程问题的才能,为本专业的学习打下了良好的根底。

  机械工程专业研讨生需求控制计算机科学等现代科学技术的理论办法,研讨各种机械系统、构造及其元件的工作原理、运动和动力学性能、模仿仿真及优化的理论办法,振动与噪声、摩擦、磨损与光滑、传动、创新创造与设计及计算办法等。作为一种相对成熟的数值计算办法——有限元办法成为机械工程专业研讨生停止机械设计、处理工程实践问题必不可少的工具之一,因此有限单元法普遍列入了研讨生的学位课程。同时有限元法是一个庞大和复杂的理论体系,需求有较深沉的数学力学根底学问,学生在一定时间内控制有限元法比拟艰难,因而如何进步有限元法教学效果成为一个急需处理的问题。

  一、传统教学办法存在的问题

  教学方式的变革是我国当前高教变革的重要内容之一。在有限元传统的承受式教学形式中,课程的“教”和“学”的内容都是预先设定好的,而且内容多是前人的经历积聚;大多数的授课教员在教学过程中常常只注重于传统理论学问的解说,这在一定水平上不利于启示教学对象的创新性思想。有限元办法作为一门同工程理论联络较强的课程,应该注重培育学生处理实践工程问题的才能,而不只仅只是局限于理论学问的灌输。只要让学生在本人入手处理实践工程问题的过程中,体验到该课程强大的处理问题的才能和作用,才干够鼓励学生控制有限元办法的热情,调动学习的客观能动性。因而,要将有限元教学从传统的以教员为主体的教学形式向以学生为主体的教学形式停止转变。在教学过程中,教员的作用更多表现在引导、组织问题的讨论和启示学生的创新性思想。只要进步学生学习的客观能动性,才干够取得更好的教学效果。

  “有限元办法”是在根底力学课程中不时开展而独立出来的一门课程。教员在教学时,应该依据机械工程专业的研讨生的培育目的,肯定相应教学内容。对机械工程专业研讨生来说,该课程教学内容相对多:既包括常见的平面杆系及平面应力、应变问题等二维的有限元剖析的根本办法,同时,又包括三维问题的有限元剖析和静力学、动力学、线性有限元问题的剖析。非线性问题是工程中最为常见的问题,非线性有限元问题的剖析应该作为一个教学的重点和难点。在教学过程中应该时辰表现教学目的:不但使学生了解根底的计算理论,而且需求增强处理问题办法和才能的锻炼,从而使学生在学习该课程后,可以用有限元的办法去处理一些常见的工程问题。传统办法以培育学生的扎实理论学问为目的对学生停止系统的有限元理论学问解说和剖析推导,而关于大多数机械工程专业非力学专业的研讨生来说,由于有限元办法的理论学问包含数学、力学、资料力学、弹性力学、变分原理、线性代数、数值计算办法等多门课程的内容,理论起点较高,教学效果不太理想。因而要依据机械工程专业研讨生的培育请求,探究合适培育研讨生处理实践问题才能的教学办法是非常必要的。

  二、增强根底理论的教学

  根底理论学问的学习是保证良好的教学效果必不可少的。矩阵位移法作为有限元法的课程主线,是最为根底的理论学问。矩阵位移法的根底是线性代数的矩阵运算以及构造力学中学习到的位移法。矩阵位移法理论根底就是加权余量法以及在弹性力学根本原理之一——变分原理。在教学过程中发现,多数学生在根底理论学问方面存在欠缺以及遗忘的状况,因而,在教学过程中应该增强理论学问的补充,将有限元理论的根底学问的教学进步到其应用的注重水平上,才干够保证以后本课程的教学效果。在学习根底理论学问的过程中,应该使学生明白如何将解题的过程采用矩阵的方式停止表达,同时如何应用计算机计算程序来完成。保证足够的教学时间来学习和进步有限元最为根底的础理论学问是很有必要的,在教学的过程中,同时需求注重启示引导和互动,强化学生对所学的根底理论学问的了解和应用,进步学生应用根底理论学问剖析问题以及处理问题的才能,从而进步学生学习理论学问的积极性,认识到学习理论学问的作用。

  三、树立有限元剖析问题的思想

  有限元法是一种工程适用性十分强的数值剖析工具,在有限元办法的学习过程中,树立有限元剖析问题的思想是很重要的。简单说就是要明白有限元办法的本质,以及处置问题过程的步骤和留意的问题,在以往的教学中这个问题没有得到相应的注重。

  有限元法最为根底的思想是将复杂问题用相对简单的问题替代后停止求解,在这个过程中,有限元法将求解域划分为许多小的互连子域(称为有限单元),在对单元假定一个相对简单的位移形式,从而得到每一单元近似解,在此根底上推导求解这个域总的均衡方程,最终得到所求问题的解。有限元办法固然应用的范畴很多,但是针对不同物理性质以及数学模型的问题,有限元求解法的根本原理以及步骤大致是相同的,区别仅仅表现于不同物理模型的公式推导和运算求解办法。有限元法的根本步骤通常是相同和固定的:首先肯定问题以及定义求解域;其次是将求解域离散化;再此需求肯定状态变量和控制方程,通常做法是将微分方程转化为等价泛函方式;推导有限单元的列式,结构单元合适的近似解,得到单元矩阵;最后联立方程组,得到总求解并对结果的合理性停止解释。

  增强学生本人入手应用高级编程言语或者数学工具对某些详细构造的问题停止有限元计算,对培育学生构成有限元剖析问题的思想是必不可少的。作为教学的引导者,教员应该提供典型的有限元计算程序,并停止必要的解说,使学生在这个过程中对有限元剖析问题的思想有更进一步的认识。

  四、以实践工程应用为目的增加软件教学

  有限单元法是工程剖析中应用最普遍的数值办法之一,世界各国均开发了本人的大型通用有限元计算平台。控制一种或者多个有限元计算平台是目前拓展有限元应用的重要途径。目前主流的有限元软件主要有:ABAQUS、ANSYS、MSC.MARC、ADINA等。

  为进步学生的实践应用才能,可采用国际上通用的大型有限元软件停止案例教学的办法,有针对性地提炼收工程中典型的构造作为案例,将有限元软件的各种功用及操作贯串在实践的构造剖析中。在每个案例剖析中主要偏重模型树立单元网格划分边境条件定义和载荷施加等操作办法的解说,使学生可以快速、有效地树立起有限元剖析的思绪,并可以举一反三。针对不同的工况停止有效地剖析,能够使学生控制有限元软件根本的操作过程以及一些必要的操作技巧。在教学过程中,选用的教学案例应该有针对性,比方对机械工程中常见的构造剖析问题,应该包括普通的静态剖析;非线性常见的曲屈和失稳接触剖析、冲激剖析、资料失效和断裂行为等问题剖析;动力学剖析中的振动模态剖析、瞬态动力学问题等。在热剖析问题中,应该包括稳态热传导剖析以及对流散热剖析和热辐射剖析等;在多场耦合教学中应包括热力耦合剖析等。

  五、运用多媒体教学和增强上机理论教学

  作为一种数值计算办法,有限元办法与程序设计必定在教学过程中不可防止地接触大量的公式以及公式的推导,并且这些公式大多相当冗杂。传统的教学形式中有大量的板书,这样对教员来说工作量大,而学生常常对这些单调的数学计算不感兴味,招致教学质量不高。在规则的课时内要保证教学效果,多媒体教学为本课程的学习提供了优秀的媒介。应用多媒体技术,能够将有限元剖析中的根本原理和有限元办法完成的过程更为形象生动地展示给学生,使教员有更多的时间去解释剖析问题的过程,并能和学生完成教学互动,有充足的课时针对学生学习过程中普遍呈现的难点和重点停止有针对性地解说。在教学形式上应该采用多媒体教学和板书相分离,应用多媒体将笼统的理论、办法以及机械构造较为详细地展示,从而使得学生在承受学问的过程中更形象直观,进步了教学质量。同时,应用多媒体教学,能够使得教学采用的有限元剖析软件的操作演示得以完成,可以使得学生更为直观地看到应用有限元剖析软件处理问题的过程,缩短了学生学习软件的时间。

  上机理论也是停止有限元理论与操作技术教学的重要环节之一,是学生消化吸收所学学问和真正控制有限元软件应用的关键问题。只要经过上机理论,才干够加深学生对有限元理论学问的了解和培育学生的实践入手处理问题的才能。更为重要的是,经过上机理论,学生才干够真正领会用有限元办法剖析问题的整个过程,并可以在这个过程中发现问题,在独立或者在教员的协助下剖析问题,最终经过本课程的学习,真正具备应用有限元办法处理问题的才能。

  六、“有限单元法”课程的变革

  经过几年的教学理论,在“有限元理论与应用”课程的教学变革方面笔者以为应该在以下几个方面停止强化:

  一是需求在课程内容上强化有限元办法根底理论学问教学和恰当延长教学课时,同时又要融入有限元法在工程范畴的最新成果;在教学过程中进步学生学习的主动性,同时采用灵敏的教学手腕,着重从办法和思绪方面加以解说,启示学生的求知欲,变学生的被动学习为主动学习。

  二是加强学生软件编写典型有限元计算通用程序的才能的锻炼,使学生在本人编制有限元计算程序以及应用成熟的大型商用通用工程有限元剖析问题的过程中加深应用有限元办法处理问题的思想和才能。

  三是在教学过程中,恰当增加大型通用有限元剖析软件操作的课时。这些软件一方面具有强大的计算才能和前后处置及可视化才能,另一方面缩短了编写程序的时间和维护运转程序的费用,计算的结果具有更强的可比性和压服力。

  四是注重课程教学内容上教学与工程理论的分离。教学中采用的教学实例,应该从工程理论中精选出具有代表性的实例;让学生参与到实践工程的数值计算中,最终完成该课程教学与工程理论相分离的目的。

  七、总结

  总之,“有限单元法”是一门理论与理论相分离的课程,不只需求学生有系统的理论剖析才能,还需求很强的工程理论才能。因而采用多元化教学办法和手腕讲授有限单元法,才干够使学生系统控制该课程的理论和办法,并且具备独立剖析处理问题的才能,从而到达本课程教学、学习的目的。

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