数值模拟课程中培养学生创新能力的教学探索

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1、〔值模拟课程中培养学生创新能力的教学探索摘要：数值模拟技术是土木工程专业学生开展学术研宄的基本技能，通过开设数值模拟课程，在教学实践中提出“软件超市”的教学模式，满足了学生的多样化及个性化需求。以结构设计竞赛题目和工程案例为训练任务，锻炼学生团队协作能力，激发学生学习兴趣，培养学生创新意识和解决实际问题的能力。经过土木工程分析软件与应用课程的三年教学实践，教学效果良好，提高了学生的科研水平。关键词：数值模拟；软件超市；课程改革；创新能力中图分类号：G642.0文献标志码：A文章编号：1005-290903-0069-04目前我国社会经济快速发展，为提升核心竞争力，获得竞

2、争优势，需要大批素质全面的具有综合职业能力，直接服务于生产一线，从事技术和管理的应用型卓越工程人才[1-3]。高等学校的根本任务是培养具有创新精神和实践能力的高素质创新人才，而开展教学改革、创新教学方法则是培养创新人才的重要举措。随着计算机技术的发展，计算机辅助教学手段逐步完善，数值模拟以其适用性强，便于处理非均质、非线性、复杂边界诸多问题等优点，已成为分析工程实际问题不可替代的手段［4-5］。数值模拟技术作为解决工程实际问题的有效手段，己成为土木工程研究生学术研究的重要工具，因此，让学生快速掌握数值模拟方法，更好地开展科研工作是一项重要任务。土木工程学科实践性强，如何

3、针对学科特点制定合理的数值模拟课程，培养具备较强数值计算分析和创新能力的人才，是目前土木工程专业研究生教育的重要内容。为使学生更好地掌握数值分析软件，提高其科研水平和创新能力，我们结合实际，专门为研宄生开设了土木工程分析软件与应用课程，从该课程近几年的教学实践和反馈来看，取得了较好的教学效果。一、课程教学现状土木工程分析软件与应用课程目前主要存在着两大问题。课时少，任务重该课程面临讲授课时少，讲解内容多的矛盾。目前该课程共有32学时，包括上机和理论课时，如果按照每个数值分析软件安排8学时讲授来算，那么整门课程最多能讲授4个软件。而目前学生的研宄方向和研宄深度各有不同，为

4、满足学生的最大化需求，需要尽可能选择多个软件进行讲解，因此就要做好课程讲授软件的选择。同时，教学中难以做到像本科学习PKPM或AutoCAD之类的软件，课堂上教师带领学生一步一步地操作，所以必须对课程内容进行精简和合理编排，给学生设置有效作业任务，发挥学生主动性，提高上课效率。教学手段不够丰富同时该课程教学手段单一，教师讲台上讲解，学生下面练习的教学方法过于落后，难以满足学生的实际科研需要，也无法快速有效地运用所学的数值软件知识辅助科研。学生学习积极性不高，在其进行课题研究和科研工作过程中，存在概念不清，软件不会用的问题。基于上述问题，我们将采取以学生为中心，以教师为引

5、导的教学方式，教师通过教学激活知识，引起学生学习的兴趣，调动学生学习的主动性和积极性，从而将外在的知识内化为自己的知识结构，增强分析问题的能力，提高其创新意识。二、数值模拟软件的选择与特点目前中国石油大学土木工程专业研究生主要分为结构工程方向和岩土工程方向。根据专业特点和学生自身需求，每学期课程开始之前先对学生的研究方向和拟用数值软件进行广泛调查，在此基础上，结合近年来土木工程领域数值模拟的发展趋势，遴选土木工程中应用广泛的几种数值软件作为主要教学内容。经过多年的教学实践，我们选择的几种数值分析软件的主要特点和适用范围如表1所示、教学改革探索与实践一门课程能取得良好的教

6、学效果，与教令W内容的合理组织和安排，以及恰当的教学方法有密不可分的关系。为此我们从以下四个方面进行教学改革。构建“软件超市”，满足学生需要为拓宽学生视野，尽可能满足学生的科研需求，适时选择多种土木工程常用分析软件，为研究生构建了内容丰富的“软件超市”，软件超市包括ANSYS，FLAC,ABAQUS,SAP,ADINA,COMSOL等工程数值软件，学生可结合自己的兴趣特长、研究方向及论文课题等进行针对性学习。为了提高学习效率，要求学生在上课之前对所讲软件有基本的了解。给学生讲述各种软件的特点、适用范围以及优缺点，以方便学生结合自己的课题需求选择合适的软件。数值软件主要是

7、计算理论的运用和数值算法的实现，要想完全掌握并熟练应用软件，必须要清楚该软件所运用的计算理论和数值算法，了解同一个问题用不同数值软件求解结果异同的原因。如ANSYS属于有限元软件，有限元法是用较简单的问题代替复杂问题后再求解，将求解域分成有限元互连子域，对每一单元假定一个合适的近似解，利用变分原理和最小势能原理推导求解该域总的满足条件，从而得到问题的解。而FLAC3D属于有限差分软件，其本质是在每个节点处建立差分格式的近似方程求解。数值解不是准确解，而是近似解。许多工程问题都归结于求解偏微分方程，不同软件采用不同的方法而已，但殊途同归，最