论本科生有限元法教学中编程能力的培养

Science&TechnologyVision科技视界论本科生有限元法教学中编程能力的培养朱水文(西南科技大学土木工程与建筑学院袁四川绵阳621010)揖摘要铱有限元法已成为工科院校本科力学的必修课遥一直以来,在有限元课程的本科教学中都没有把有限元程序编制作为教学重点遥本文给出了在Matlab软件平台下的两种编程教学方案以提高学生的有限元编程能力遥教学实践表明袁两种方案不但能提高学生编写程序的技能还能提高有限元理论学习兴趣遥揖关键词铱有限元法曰Matlab曰编程能力中图分类号院TH136文献标识码院A文章编号院2095-2457渊2019冤28-0138-002DOI院10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.28.062揖Abstract铱Thefiniteelementmethodhasbecomeacompulsorycourseforundergraduatemechanicsinengineeringcolleges.Itisdifficulttokeepthebalanceoftheoryteachingandtheprogrammingskillsdevelopingofthefinitetheprogrammingabilityofstudents.elementcourse.Inthispaper,twoprogrammingteachingschemesweregivenundertheMatlabplatform.Teachingpracticesshowedthatthetwoschemescannotonlyimprovetheinterestoftheorylearningofthefiniteelementbutalsoimprove揖Keywords铱Finiteelementmethod;Matlab;Programmingability0引言自1943年出现有限元法概念以来袁有限元法在结养学生有限元编程能力为重点目标袁对本科生有限元法的教学方法进行探讨遥构理论各学科领域里已被广泛采用遥有限元法已成为工科院校力学本科学生的必修课程遥对于本课程的学习袁需要学生具备扎实的弹性力学尧泛函分析尧数值分析等课程的基础知识及一定的编程语言基础遥一般来说袁通过该课程的学习袁可培养学生以下三方面能力[1]1编程软件或平台的选择传统的有限元法教程中的有限元程序一般是用Fortran语言编制的遥Fortran是世界上最早出现的计算域遥Fortran语言以其特有的功能在数值尧科学和工程计元分析的基本理论和方法曰2冤应用程序设计语言编制院1冤有限机高级程序设计语言袁广泛应用于科学和工程计算领有限元程序曰3冤应用成熟的商业有限元软件进行有限元分析遥在本课程的实践教学中袁普遍存在两种极端的教学路线[2,3]遥一种路线是袁以介绍有限元理论基础为主袁算领域发挥着重要作用遥成熟的有限元分析软件袁如ANSYS尧ABAQUS尧SPA等都是采用Fortran语言编写的遥现在仍然有大量的科研工作者和工程技术人员采用Fortran编写计算程序遥后来出现的C语言袁由于其功能丰富袁表达灵活袁目标程序效率高袁可移植性强等特点袁开始成为开发高质量软件的主要编程语言遥之后袁随着面向对象技术的成熟袁涌现了一批用C++编写的面向对象的有限元程序代码遥以上提及的这样语言语法规范尧结构严谨袁都适合编制有限元程序遥基于以往的教学经验袁作者认为作为本科生袁选用Matlab软件作为有限元程序入门平台比较合适遥Matlab是美国MathWorks公司推出的一种以矩阵为基本单位的高效数值计算语言袁相比其他高级程序设计语言袁Matlab淡化有限元程序的编制遥这样做的结果虽然加强了学生的理论素养袁但无法使学生充分认识到有限元的强大效果及对解决实际问题的能力缺乏训练遥另一种路线是袁跳出原来的以理论教学为主的传统框架袁教学内容以介绍基于有限元分析软件的工程应用为主袁着力培养学生的实际工程应用能力遥其后果是培养的学生理论基础不扎实袁且缺乏有限元编程能力遥以上两种路线都没有把有限元程序编制作为教学重点遥鉴于此袁本文以培作者简介院朱水文(1978要),男,博士,讲师,从事工程力学类的教学与研究遥138科技视界Science&TechnologyVisionScience&TechnologyVision科技视界编制的有限元程序有如下优势[4,5]院1冤Matlab的语言规则更接近数学表达袁更容易让人理解曰2冤语言简洁袁功能强大袁且计算结构可信度高曰3冤以矩阵为基本运算元素袁运算方便袁对变量不需要事先定义袁编制程序灵活曰4冤提供了良好的用户界面及许多方便实用的库函数供编程人员直接使用遥常实用袁因为学习有限元编程有一定的难度袁而采用这两种方案袁学生既不会感觉无处下手袁又能对有限元程序的整体运行过程有充分的认识遥从作者的教学经验来看袁应用Matlab作为有限元法的教学编程软件袁能提高学生的学习兴趣和热情遥从教学效果来说袁学生的动手能力得到了培养遥2有限元编程教学安排有限元程序的编写离不开有限元理论的支持遥因3结论以Matlab软件作为有限元编程平台袁通过上述的有此在学习有限元编程之前袁必须对有限元理论进行系统学习遥鉴于本科教学理论不宜过于深入袁对于有限元法理论部分宜本着简单的原则遥作者在教学中袁以结构单元渊杆尧梁尧桁架尧刚架冤的野矩阵位移法冶为核心袁初步涉及弹性力学的平面问题的形函数袁等参元等概念和理论遥淡化用泛函知识对有限元理论的理论推导袁不需要讲解有限元非线性问题的处理遥有限元编程能力的初步培养采用了以下两种方案院1冤教师搭建有限元计算程序的大框架袁学生实现限元的教学实践袁本科生的编程热情得到了鼓舞袁编程能力得到了提高袁学生初步具有了有限元编程的能力袁为进一步的有限元编程学习好实践打下了良好的基础遥尽管如此袁在今后的教学工作中仍需要继续努力袁掌握有限元法课程的教学规律性袁不断改革进取袁进一步提高学生编制有限元程序和利用有限元程序解决实际工程问题的能力遥揖参考文献铱咱员暂石钟慈.有限元方法[M].北京院科学出版社袁2016.教改探讨[J].教育教学论坛,2017(5):118-118.咱猿暂周炬.机械类专业有限元法课程教学方面的探索[J].科技视界,2013(13):77+158.咱源暂KattanHeidelberg,Springer-Verlag,2003.PL.MATLABguidetofiniteelement[M].Berlin咱圆暂郭利明,周新建,张庆敏.高校本科生有限元方法课程的子程序和子函数遥例如袁在刚架结构有限元程序开发中袁教师先把主程序的结构编制出来袁让学生编制单元刚度矩阵或者整体刚度矩阵的求解函数遥2冤教师提供有限元计算程序的简单版本袁让学生扩充袁对程序进行二次开发遥例如袁教师提供的对于梁的有限元计算的简易版本中袁需要手工计算梁节点的载荷渊将作用的梁上面的载荷等效到节点上冤袁学生可进一步开发载荷等效子程序袁以扩充程序的适用性遥以上两种方案对于初学有限元编程的学生来说非渊上接第129页冤共同实施毕业设计尧创新项目曰与动力谷园区湖南德龙研究院尧湖南格兰德芯微电子等8家单位袁联合共享学生实验尧实训设施设备袁编写多媒体课件及教学音像资料袁建立有利于学生训练和实践的教学环境与平台遥野互动式冶兴趣激发体系院建立形式多样尧界面亲和的互动式创新创业兴趣激发体系袁激发大学生创新创业的热情袁改革教学方法尧改进训练评价方式尧建立激励机制袁构建与创新创业教育理念相适应的管理模式袁使学生学习有目标尧有动力遥野仿真型冶实践体系院加强与区域政府尧企业联合袁推动项目解决社会生产生活中的野真问题冶袁将合适项目投入社会的野真市场冶袁通过与真实社会环境相对接袁帮助学生创新创业项目走出大学的野阳光房冶遥野全程式冶资源保障体系院积极与中国动力谷科技园区尧风险投资机构等社会力量进行互补对接袁建立优质项目与科技园尧风投机构野投资评估冶同进行的无缝对接机制袁为学生创新创业梦想插上腾飞的翅膀遥随着校地企深度协同创新创业教育模式的不断实咱缘暂徐荣桥,杨仲轩,吕朝锋.MATLAB在有限元教学中的应用实践[J].力学与践,2010,32(4):101-103.践袁学院已与中车株洲所尧联诚集团尧天桥起重尧等30余家轨道交通装备尧汽车电子企业建立广泛合作袁共建了野先进轨道交通装备冶国家制造业创新中心等国家级尧省级平台6项袁汇聚了国家野万人计划冶领军人才等称号的材袁年均受益学生500余人袁就业率保持在97%左右袁学生团队开发的野电力机车谐波监测仪冶野电力机车电动刮雨器控制器冶野电力机车高压绝缘检测系统冶等10余个项目实现产业化袁累计荣获国家级学科竞赛奖项20余项遥揖参考文献铱咱员暂朱敏袁朱永祥袁谭会生.野四维融合冶式电子科学与技术专业改革与实践[J].教育教学论坛袁2018渊49冤院31-33.养链[J].大学渊研究版冤袁2015渊8冤院17-21.创业教育[J].创新创业袁2017渊2冤院34-38.咱圆暂张希胜.以学生为中心袁强化创新创业教育袁完善人才培咱猿暂兰建华.探索建设以实践平台为载体的高校大学生创新师资队伍50余人袁编写了一批国家规划教材尧特色课程教Science&TechnologyVision科技视界139