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新生研讨课“结构数字化分析的探讨”的实践
2009-03-06    层 攀 蒙红缨 卢永进 高 懿

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  "有限元分析"课程涉及本科生、研究生以及实践环节等几种层次。为此,清华大学机械工程系开设了"有限元方法"、"有限元分析及应用"、"工程中的有限元分析专题"课程。最近,我们又针对大一新生,开设了研讨型、互动性、能激发新生求知欲和学习兴趣的课程"结构数字化分析的探讨"。该课程引导学生初步了解数字化的结构与分析,以桥梁结构、万吨液压机结构、共价键化合物纳米结构为实例,采用先进的数字化分析软件平台和通俗易懂的描述方式,完整再现数字化分析的细节和过程,使学生在较短的时间内就可以涉足数字化分析领域,具备初步应用数字化工具的能力。在此基础上,引导学生进行自主分析和研讨,充分发挥学生自由想象的潜力,并激发学生采用数字化方法进行初步创意的兴趣,体现"引导入门、教你上手、自主研讨、激发创造"的研讨课特点。

  1.高层次人才培养的知识体系

  清华大学机械系的本科生实行"按机械大类培养"的、加强通识教育基础上的宽口径专业教育,以培养厚基础、宽口径的创新型高素质人才。实行学分制管理和弹性学习年限,对完成并符合培养方案要求的学生授予"机械工程及自动化"工学学士学位。课程学习的总学分为176,包括人文社科通识教育课程(占总学分的 20%)、自然科学基础课程(占总学分的 20%)、信息技术基础课程(占总学分的 6%)、机械大类核心课程(涉及机械原理与设计基础、制造工程基础、控制工程基础、测试与检测技术基础、工程材料、理论力学和材料力学、传热学、热力学与流体力学,占总学分的23%)、专业限选及选修课程(占总学分的 14%)、实践环节(占总学分的 9%)、综合论文训练(占总学分的8%);课程设置注重学生综合素质、专业技术基础、实践能力以及创新意识与能力的培养。

  机械工程系本科生培养的理念和定位是:厚基础、宽口径、重实践、强素质。

  厚基础:清华大学机械工程系的本科机械工程专业及自动化专业按机械大类进行培养,其课程总学时的50%为自然科学与人文社科基础,大类平台及基础课程占36%,涉及:机械设计与制造、工程材料、控制工程基础、测试与检测技术基础、力学(理论力学、材料力学、流体力学)、传热学、工程热力学、电工电子信息基础、计算机软硬件基础。本系的专业基础及专业课程覆盖材料及其加工、检测与机电控制、模拟仿真与信息管理等方面。

  宽口径:清华大学机械工程系本科生培养的领域涉及机械工程、材料工程、自动化技术,在培养类型方面,涉及学术型(主要从事基础研究)、应用型(主要从事工程技术)及管理型(主要从事企业管理)。现代科技发展的特征之一就是学科交叉,本专业的厚基础、宽口径的培养模式将为学生的进一步发展奠定基础。

  重实践:实践是人才培养的根本出发点,清华大学机械工程系经过长期的教学研究与实践以及课程建设,建立了重视实践教学的培养体系,主要体现在:(1)本系的主干和重要课程都包含有实验与实践内容;(2)在材料及其加工与制造、检测与机电控制、模拟仿真与信息管理等重要学科基础方面都开设有综合性的实践和实验课程;(3)为将认识生产、认识社会,并与生产实际相结合,专门设置了生产实习社会实践环节;(4)开设培养专门能力的训练环节,即专题训练,以进行初步科研能力的训练;(4)还建成了"工程材料实验室"、 "机电控制实验室"、"检测技术实验室"以及"制造系统实验室"等基本实验教学基地;(5)所拥有的先进成形制造(教育部重点实验室)面向本科生开放,成为材料加工系列实验的基本实验基地;(6)形成了高层次的实践教学师资队伍,贯穿本科生培养全过程和全方位的实践教学体系以及高层次的实践教学队伍为培养高素质、创新型的优秀人才创造了基础。

  强素质:高素质的一流人才除了需要具备创新意识与创新能力外,还必须具备坚实宽广的知识、分析能力、前瞻性和社会责任感与道德意识。在国外大学的培养目标中,除了对基础知识的掌握、运用知识的能力、解决工程问题、开展项目设计能力方面提出明确目标外,还十分重视交流能力、在团队中发挥作用的能力、创新意识、领导意识、道德意识以及终生学习的意识与能力的培养。本系通过研究型的教学方式、综合性较强的教学实践环节、分组开展的课程设计、项目研究、社会实践、课外科技活动以及以实际科研项目为背景的综合论文训练等全方位加强对学生综合素质的培养。

  工程训练是加强新生综合素质的重要环节和措施,涉及:材料工程、机械设计、机电控制、数字化分析等方面;本课程就是以结构数字化分析为载体,对学生的工程分析能力进行引导和培养。

  由于信息及计算科学技术的发展和带动,成形制造技术的研究方法正在酝酿着重大突破,由传统的经验方法向基于知识的模拟仿真和试验相结合的方向发展。模拟仿真正在成为产品设计及零件成形制造研究与开发中不可缺少的环节,成形制造过程的计算机模拟仿真已成为信息科学促进制造科学与材料科学发展的重要领域。美国等工业发达国家已经将计算机模拟仿真方法大量应用于飞机、导弹、汽车等产品的设计和成形制造等研发过程。研究成形制造过程(铸、锻、轧、焊及热处理)的模拟仿真技术,开发实用化、专业化大型铸、锻、轧、焊和热处理模拟仿真软件包,可有效帮助实现成形制造零部件的成分设计及成形制造过程的优化控制,预测零件组织、性能和使用寿命等。模拟仿真技术可帮助大量节约资源与能源,显著减少研发费用,缩短研发周期,大大加快先进成形制造技术的研发进度。根据美国科学院工程技术委员会的测算, 模拟仿真可提高产品质量5~15倍、增加材料利用率25%、降低工程技术成本13%~30%、降低人工成本5%~20%、增加投入设备的利用率30%~60%、缩短产品设计和试制周期30%~60%、增加分析问题广度和深度的能力3~3.5倍等。我国成形制造模拟仿真技术的应用水平仍需大幅度提高,这些背景向数字化分析提出了很高的要求。

  在结构的数字化分析方面,清华大学机械工程系对本科生开设了新生研讨课"结构数字化分析的探讨"以及高年级选修课"有限元方法";在研究生层次,清华大学机械工程系开设了学位课"有限元分析及应用"以及注重实践性的课程"工程中的有限元分析专题",目的是构建一个多层次的有限元课程体系。

  2.新生研讨课"结构数字化分析的探讨"的目标定位

  目前,世界各国都把研究型教学放到非常重要的位置,其主要特征就是将教学与研究有机地结合起来,重视教师与学生之间"教与学"的互动与沟通;在教育理念上,更强调以探索和研究为基础的教学,注重在教学过程中激发学生的求知欲、好奇心和学习兴趣,培养创新意识和创新能力;在教学方式上,强调师生互动,突出教学与训练方法的科学研究特色,培养学生的评判和探索精神。新生研讨课"结构数字化分析的探讨"的目标定位包括:

  (1)构建一种教授与新生沟通的渠道,为新生与专业领域的教授进行交流和互动提供机会,缩短新生与新生之间的距离,更好地了解机械学科的发展前沿;特别是通过实例和研讨了解数字化研究的发展现状。

  (2)给新生创造一个在亲自参与下进行探究式学习的机会,旨在启发新生探索科学世界的兴趣,初步培养提出问题、解决问题的能力,在学习知识的同时,培养自己的认知能力,使得新生在大学的开始阶段就建立一种在教师的指导下进行研究探索的学习方式,以更好地适应大学的学习方式。

  (3)改变传统的以传授知识为主的教学方式,给新生创建一种"教和学互动,学与思交替,思与做并重"的教学方式,"我学习、我参与、我快乐",体现出"知之者不如好之者,好之者不如乐之者"的境界。

  3.新生研讨课"结构数字化分析的探讨"的课程体系

  该课程体系体现了以下几个方面的特点:原理的基础性(基于中学的知识)、方法的直观性(采用图示的方式)、选题的趣味性(来源于重要的实际背景)、上机的实践性(精心设计算例)、研讨的参与性(列出议题,深入讨论)、认知的创造性(启发学生新的思维),并构建"一个基础(结构分析原理)、两种能力(建模、分析)、三个环境(讲义、平台、研讨)"的课程教学体系。具体的授课内容包括:

  第1章  引论

  1.1结构与失效:飞机;1.2结构与失效:国外桥梁;1.3结构与失效:广东南海九江大桥;1.4结构与失效:北京顺义一悬索桥静态承重测试时坍塌;1.5问题思考

  第2章  结构变形的基本概念

  2.1应力与应变;2.2材料的本构行为:物理方程;2.3变形体的描述:变量与方程;2.4变形体力学方程的求解方式;2.5问题思考

  第3章  结构的数字化分析原理

  3.1 数字化分析与真实的实验;3.2 力学分析的目的;3.3 求解方法;3.4 有限元分析的典型实例;3.5 数字化分析与有限元分析软件;3.6  问题思考

  第4章  桥梁的结构数字化分析算例

  4.1 关于桥梁;4.2 桁架桥梁的计算建模与分析(GUI方式,命令流方式,参数化方式);4.3 进一步的建模和计算建议

  第5章  大型液压机的结构数字化分析算例

  5.1 关于液压机;5.2 8万吨(800MN)液压机的简化计算建模与分析(GUI方式,命令流方式,参数化方式);5.3  进一步的建模和计算建议

  第6章  纳米分子振动的数字化分析算例

  6.1 碳纳米材料;6.2 水分子振动的建模与分析(GUI方式,命令流方式,参数化方式)

  为体现出研讨课的特征,还专门设计了研讨思考题,如

  Q1  为什么要定义应力和应变?

  Q2  材料的物理方程的作用是什么?

  Q3  描述任意形状变形体的方式是什么?

  Q4  如何理解数值求解的近似性?

  Q5  数字化分析与真实实验的关系。

  Q6  举出一些与"有限元分析的离散化"思路相类似的例子。

  Q7  思考数字化分析可靠性的保证措施。

  Q8  讨论数字化分析与一般的动画仿真的关系。

  这些思考题为开展课堂讨论提供了良好的素材。

  4.新生研讨课"结构数字化分析的探讨"的教学方式

  为实现该课程的研讨性教学理念,其教学特色表现为:基于案例和背景知识的启发式教学;基于基本原理的知识传授式教学;基于计算平台的引导式实践教学;基于思考题的讨论式教学;基于专题的研究型教学。

  目前,该课程主要针对大一新生,小班上课(10~15人),充分体现"学习知识、经历认知、教师引导、师生互动、自我学习、小组讨论,以问题为载体训练学生的基本研究能力"的特征。在课程的教学方式上,也采用多样化的形式,即:选用国际上著名的有限元分析上机平台;教师进行课堂讲授与上机演示;根据所提供的建模资料,学生上机完成练习,教师进行辅导;学生自主完成上机练习;学生完成自主的计算报告(word文件),在课堂上进行讨论和ppt交流。

  为上好这门新开设的课程,我们专门编写了讲义,构建了完整的支撑系统(硬件、助教、课程及操作指南、教辅),以保证该课程教学过程的高效实施。所选用的有关数字化分析的工程背景包括:航空方面(2007年7月1日波音767客机(国航CA941)飞机机头和部分机腹前倾着地,导致机上5名机组人员和3名旅客摔倒受伤);桥梁方面(2007年6月15日清晨5时15分左右,325国道广东省境内的南海九江大桥遭一艘运砂船撞击桥墩,导致部分桥体坍塌,约160多米桥面堕入江中,该路段交通中断,事发时,桥上共有2名工作人员和四辆正在行驶的汽车均坠入江中,车上共有司乘人员7人,9人中无一人生还)。从这些实际的工程背景中,使学生更清楚地了解数字化分析在结构设计中所具有的重要作用,从而启发学生的学习兴趣。

  5.教学效果

  研讨课的考核采取专题研究和课堂讨论的方式。考核分为四部分,首先要求完成课堂算例,然后完成专题报告,并进行课堂的专题研讨及热点问题讨论,每位同学都按要求完成所有的考核内容。由于每个同学的选题都是自主选择的,都不相同,因此具有较大的灵活性和难度,选题涉及桥梁结构、足球、自行车结构、大型液压机结构等常见结构的数值分析,可以充分发挥学生的主观能动性,展示学生的综合素质能力。所有学生都认真完成了专题研究报告,个别同学的分析还具有相当的深度,因此成绩显现两个比较集中的分数段86~88分以及90~93分左右。

  几乎每一位同学都从该课程中取得较大的收获。以下是一些同学在课程结束后的感想:

  "很高兴我能够选上您的新生研讨课,伴我走过在清华的第一个学期,在这堂课里我也学到了很多,希望以后有机会能再和您一起探讨问题。"

  "在这学期的研讨课学习过程中,我对数字化分析的原理以及方法有了一定的认识,使我对机械设计有了更深的认识。通过这学期的学习我获益匪浅。"

  "该课程的教学理念很不错。课程通俗易懂,激发了我的学习兴趣,同时也让我初步了解了数字化分析。在学习过程中,我也充分调动了自己的分析和动脑能力,认真研究了老师给的案例。我也通过自己的努力,做了自己的ansys算例,很有成就感。"

  "我看到了这种研讨课的魅力,觉得研讨课是真正能够让学生开拓思维的课程,是难得的好课。"

  "教学理念很先进,以师生互动为本,启发学生进行探讨和设计,激起学生的学习兴趣,符合研讨课的开课理念。能够充分发掘学生的兴趣,自主设计创造。有助于学生创新设计理念的培养。教学内容很丰富,并且注重上机实践,进行模拟训练,锻炼了学生的动手实践的能力。教学方法很人性化,处处以学生为出发点,通过一个个实例使学生逐步了解数字化分析的奥妙。对机械设计的数字化分析有了初步的认识,并且产生了浓厚的兴趣,学习了这门课程很有收获。"

  "我学了这门课,在很多方面都有了很大的提高。比如改变了以前不敢提问题的思想;再比如在计算机一些软件的应用方面有了很大进步,这对我个人以后的发展非常重要"。

  我们希望再进一步总结该课程的经验,不断进行改进和完善,使该课程更具有特色,成为结构数字化分析方面的精品课程。(层 攀 蒙红缨 卢永进 高 懿   清华大学机械工程系, 北京100084

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