有限元分析软件在教学中的应用及探索—以MIDAS软件为例

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　　近年来，国家高等教育课程改革和探索不断深入推进，特别是要培养素质高、创新力强和与时俱进的新时代人才，以满足国家创新型社会和经济高质量发展的需求。当前，国家致力于新工科建设，为建成工程教育强国推出了一系列重大战略，对高校工科人才培养提出了更高要求，应在人才培养全过程中始终融入新工科理念。

　　有限元基础课程本科教学改革探讨

　　有限元法作为一种广泛应用于工程技术中的有效计算方法，从事设计计算的工程技术人员应当了解和掌握有限元法的基本原理和基本过程，特别是对机械、土木、力学等专业的工科学生，许多工程问题都可以用有限元法求解，因此，在工程应用的驱动下，为促进学生的工程实践能力和创新探索能力，实现高级应用型人才的培养，对工科专业本科生有限元课程的实践教学进行探索和研究势在必行。

　　通过调研用人单位，普遍反映目前本科毕业生的工程应用能力较为欠缺，未能达到企业所需高级应用型人才知识、技能和素质的要求。反馈到人才的培养过程中，发现实践环节缺乏针对性、创新性，实践学时远远低于理论学习，学生的工程实践能力和创新设计训练较为薄弱。有限元课程具有一定的难度，需要合理安排学时和学习内容，才能提升学生的学习兴趣，培养学生学习能力，提高教学水平和学生素质。

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　　教学体系

　　面临的问题：

　　课程内容和工程应用脱节较大，理论课程比重较大

　　解决思路：

　　1、需要在教学体系的改革中，以工程应用为驱动导向，将理论教学和实践教学融合，穿插进行，并且通过这种方式将专业课程之间搭建连接平台，实现全周期教学体系的综合优化。

　　2、当加大工程实践学分的占比，可以安排为理论课程和实践课程 1:1 的分配；在课程的教学内容上应当将有限元原理与工程软件的操作相结合，让学生在掌握理论知识的同时，将其应用于实践操作。这里可以在有限元理论课程的安排上辅以有限元典型商业软件MIDAS的学习。然后，在课程的教学内容上应当将有限元原理与工程软件的操作相结合。

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　　教学方式

　　面临问题：

　　课程教学方式较为单一，大多仍采用教师为中心的单向传授知识模式，在工科专业的授课内容上仍是对结构原理、计算分析、经典例题进行讲解。学生知识被动地接受，课堂交互性较差。

　　与南林合作开展慕课建设

　　解决思路：教学方式的改革中，需采用混合教学模式，充分结合网络教学和理论教学的优势，运用多种新型教学方法以提高学生的学习兴趣，实现真正意义上的翻转课堂。

　　案例分享

　　基于MIDAS的土木工程专业

　　材料力学教学改革

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　　教学方式改革势在必行

　　材料力学是土木工程专业的必修课，在专业课程体系中占有举足轻重的地位。因理论课程中公式原理繁多较抽象，学习难度较高；实验课程学时有限且实验内容较单一；学生层次有差异，采用传统教学方式的教学效果差强人意，导致理论基础不扎实、工程实际应用能力不强、综合创新能力不足等，不符合新工科背景下新工科人才培养的需求。因此，探索和完善材料力学教学方法势在必行。

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　　改革思路

　　材料力学是理论和实验相结合的专业基础课程。根据教学大纲要求，学生不仅需要理解各类受力杆件内力、应力、变形、强度、刚度和稳定性等的相关原理和计算方法；掌握基本实验操作能力；还需具备工程认知和创新实践能力。基于新工科背景，为有效传授专业知识，促进学生对理论基础的理解、强化实验技能、培养学生综合创新能力，结合 MIDAS 数值仿真软件，研究探索其在理论和实验课程中的具体应用。

　　材料力学在目前高校教学中学时有限，但教学内容颇多，为在课堂有限学时内有效改善理论教学效果，应合理选择时点和 MIDAS辅助教学内容，激发学生进一步学习教材新知识的欲望。MIDAS中Civil和Gen等系列进行数值模拟分析的流程可分为三个阶段：前处理建立模型、求解参数设置、后处理查看结果与分析。MIDAS在材料力学理论课程中的辅助教学流程，见图所示。

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　　理论课程中融入MIDAS逐级展开教学

　　课堂上在进行教材以上知识点具体讲解前，先采用 MIDAS 数值仿真建模计算、操作和展示结果云图和表格等，让学生有生动直观的初步认识，激发起他们探索的兴趣后，再结合教材具体讲解新原理和公式，有助于深刻理解知识点。课后将相应知识点的MIDAS建模操作演示视频上传至线上学习平台，以便满足学生的不同需求。学生可学习 MIDAS 建模基本步骤，初步掌握土木专业软件建模，可进行课后作业解答后的验证等，拓展专业学习内容，提高建模技能。

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　　实验课程中结合MIDAS强化实践创新

　　应用迈达斯软件计算

　　简单荷载作用下悬臂梁的内力

　　材料力学实验教学学时有限，实验内容和教学模式较单一，不利于学生工程技能、综合能力、创新思维等新工科人才素质的培养。结合教学现状，提出了分层次实验教学改革措施，即强化全员学生有效掌握基本型实验；督促各层次学生有效参与综合型实验；锻炼高层次学生有效开展创新型实验。其中，作为自主开放性实验的综合型和创新型实验中，部分选题需要结合MIDAS数值仿真软件建计算、对比理论和实验数据、验证实验方案合理性可行性和优化结构设计。

　　应用迈达斯软件计算

　　简单荷载作用下悬臂梁的位移

　　综合型实验由不同层次学生自主选题或设计选题，选题方向与本课程和本专业相关。学生可进行组合梁应力实验，测定和比较组合梁在不同材料不同约束下的应力分布情况和区别。也可进行教材中相关结论的验证。在教师辅助指导下，学生进行自主实验方案设计和相关验证。验证包括实验数据、理论计算数据和MIDAS仿真建模数据相互验证。

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　　效果

　　根据 2020-2021 第一学期进行的教学实践效果显示，材料力学理论课程授课各环节中，适时采用 MIDAS仿真建模形象展示构件内力、应力和变形等，可激发学习积极性，加深专业知识理解，加强工程认知；材料力学实验课程中结合MIDAS仿真软件进行综合创新型实验和实践，可提高专业软件应用水平，强化实验实践方案设计和优化能力。

　　参考文献（如侵删）

　　[1] 章芳芳 ——基于MIDAS的土木工程专业材料力学教学改革研究

　　[2] 黄博,崔晓璐——工程应用驱动下的<有限元基础>本科教学改革探讨

　　迈达斯软件可有效应用于

　　高校土木专业基础及专业课程教学，

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