“双碳”背景下“计算力学”教学改革

［摘 要］ 非常规油气资源规模化开发是支撑我国“双碳”目标的重要基础，为使学生深入理解“计算力学”课程的重要性，探讨了“计算力学”课程在“双碳”目标背景下的教学改革，提出基于Python语言程序设计的改革策略。通过引入Python编程语言，结合实际工程案例，旨在提高学生的计算思维和工程问题解决能力。另外，通过程序设计可提高学生的编程水平，从而培养更符合新时代需求的工程技术人才。通过案例分析展示了改革的具体实施效果，验证了该教学模式的可行性和有效性。

［关键词］ “双碳”目标；计算力学；教学改革；Python语言；程序设计

［基金项目］ 2023年度青岛理工大学本科教学改革与研究项目“‘新工科’人才培养模式下材料力学课程多元考核模式探索与实践”（F2023-151）；2023年度中国高等教育学会高等教育科学研究规划课题“学组制：力学专业拔尖学生的培养”（A2023-350）；2023年度国家自然科学基金项目“相变-多物理场作用下能源土破坏分析的近场动力学模型与算法研究”（12302264）

［作者简介］ 赵世军（1988—），男，山东日照人，博士，青岛理工大学理学院讲师，主要从事计算力学研究；孔 亮（1969—），男，云南景东人，博士，青岛理工大学理学院院长，教授（通信作者），主要从事海洋岩土力学与工程研究。

国务院于2021年10月印发《2030年前碳达峰行动方案》指出，将加快推进非常规油气资源规模化开发作为能源转型行动的重要举措。天然气水合物是天然气与水在高压、低温条件下形成的笼形类冰状结晶物质，燃烧后仅生成少量的CO2和H2O，且已探明的天然气水合物含碳量为现有石油等传统资源含碳总量的2倍［1-2］，是极具开发前景的战略性接替能源。工程教育作为培养技术人才的主要途径，必须与国家战略相结合，改革教学内容和方法，以应对新形势下的挑战。

天然气水合物的开采主要通过改变能源土内、外部温压环境使其分解，天然气水合物分解会引起能源土力学性能急剧劣化，极易诱发海底滑坡等灾害，会对海底工程设施构成极大危害［3］。为实现天然气水合物的安全高效开采，需开展能源土破坏过程研究。目前，对天然气水合物分解时能源土力学性能的研究主要通过实验室试验与数值模拟手段［4］。然而，天然气水合物赋存条件苛刻，难以实施现场原位试验［5］。由于数值模拟成本低、可重复性强，吸引了国内外学者利用以有限元等为代表的计算力学方法对能源土的力学特性进行研究［6］。随着高性能计算机的不断迭代，计算力学方法已被证明是研究岩土力学问题强有力的工具。

一、“计算力学”教学现状分析

计算力学融合了数学、计算机科学等多个领域的知识，通过课程学习可培养学生的多学科思维和解决复杂问题的能力。作为工程力学本科专业的核心专业课，涵盖了有限元分析、数值方法和计算仿真等内容。传统的“计算力学”教学主要依赖于MATLAB、Fortran等编程语言进行计算仿真。这些编程工具虽然功能强大，但存在学习难度大、应用场景局限等问题，使得学生在工程应用中难以发挥其所学知识［7］。

传统“计算力学”课程通常强调公式推导和理论分析，课程中实践环节较少，学生对仿真软件的操作和实际项目的分析经验有限，会影响学生动手能力和实际解决问题的能力［8］。传统的“计算力学”授课模式主要以理论讲授为主，在激发学生的学习兴趣和创新潜力方面存在较大缺陷。传统评价方式通常以期末考试为主，忽视了学生在整个学习过程中的参与度和进步情况，难以全面评估学生的实际能力［9］。传统“计算力学”课程通常专注于力学本身，较少涉及与其他学科的交叉内容，这限制了学生的跨学科思维和创新能力的发展。这些局限性显著影响了“计算力学”课程的教学效果和学生的综合能力提升，在国家“双碳”目标背景下，工程教育面临着培养高素质复合型人才的要求。随着现代工程问题的复杂性不断增加，学生不仅需要掌握基础理论，还需要具备解决复杂问题的计算能力与编程技能。因此，通过不断更新教学内容和方法，以培养学生的创新思维与实践能力，才能使其更好地应对未来的挑战。

二、Python编程语言的优势与应用前景

近年来，Python语言由于其简洁易学、功能强大和应用广泛的特点，成为科学计算、数据分析和人工智能领域的主流编程语言。在“计算力学”教学中引入Python编程，不仅能够降低学生的学习门槛，还能够通过丰富的库支持和交互式编程环境，增强学生的计算思维和实践能力，从而更好地满足“双碳”目标背景下的工程教育需求［10-12］。

Python的语法设计简洁明了，接近自然语言，降低了编程入门的难度。Python拥有庞大的标准库和第三方库，这使得它在数据分析、Web开发等领域具有极大的优势。Python拥有庞大的全球社区，开发者可以方便地找到丰富的资源、教程和支持。此外，Python的生态系统非常活跃，新的工具和库不断涌现，扩展了Python的应用范围，这使得Python成为许多项目快速原型设计和开发的首选语言。Python既支持面向对象编程，又支持函数式编程，这使得开发者可以根据需求灵活选择编程范式，增强了代码的灵活性和可维护性。在科研领域，Python也被广泛用于数据分析、建模和仿真。目前，Python凭借其易学易用、强大的库支持、跨平台兼容性和广泛的社区支持，已成为现代编程中不可或缺的语言［13-14］。

三、基于Python语言的“计算力学”教学改革策略

（一）课程内容的调整

传统的“计算力学”课程内容主要集中在有限元方法等基础理论的讲解，忽视了编程技能和实际应用。为了更好地适应“双碳”目标的需求，课程内容需要进行以下调整。

1.引入Python编程基础。在课程初期，增加Python编程基础的内容，使学生掌握基本的编程语法和数据处理方法，为后续的计算力学应用打下基础。

2.增加数值计算与仿真案例。结合Python的科学计算库，在教学中引入具体的数值计算和仿真案例，如结构力学中的有限元分析等，通过具体案例帮助学生理解理论知识在实际中的应用。

3.结合“双碳”目标工程案例。在课程中增加与节能减排、能源利用相关的工程案例，使学生在学习“计算力学”的同时，了解“双碳”目标对工程设计的影响。

（二）教学方法的创新

为了提高教学效果，基于Python编程的“计算力学”课程可以采取项目驱动教学法，将课程内容与实际工程项目相结合，设计与计算力学相关的工程项目任务。学生通过团队合作完成项目，全面掌握计算力学的理论和方法。进行翻转课堂与混合式教学，在课程中采用翻转课堂模式，学生课前通过视频等形式学习基础理论知识，课上则以案例分析、编程实践和讨论为主。混合式教学将线上学习与线下教学相结合，提高学生的学习主动性和参与度。然后结合互动式编程教学，教师可在课堂上实时展示代码的编写与运行过程，学生也可通过实验和调试，直观地理解力学问题的求解过程。

（三）实验与实践环节的优化

实验和实践环节是“计算力学”课程的重要组成部分。为了增强实践效果，可通过以下途径进行优化。（1）计算力学编程实验。设立专门的“计算力学编程”实验课程，利用Python语言进行数值计算和仿真。（2）工程应用实践。结合工程问题，设计与“双碳”目标相关的应用实践内容。使学生能够将理论知识应用于实际问题。（3）在线实验与虚拟仿真。利用现代信息技术，开发在线实验平台和虚拟仿真环境，学生可通过网络进行实验操作和仿真计算。

（四）考核方式的改革

为了更好地反映学生在课程中的实际表现，通过增加编程项目考核，学生需要通过完成一个实际工程问题的编程任务来展示其对计算力学知识的掌握和应用能力。结合案例分析与报告，要求学生针对特定的工程案例进行分析，并撰写详细的报告。重视平时成绩与参与度，将平时的作业、课堂讨论和实验参与度纳入成绩考核，全面评价学生的学习过程和参与情况。

（五）教学案例分析与评估

为了验证基于Python语言的“计算力学”教学改革的效果，本文设计并实施了一个具体的教学案例——“基于Python的梁结构有限元分析”。该案例覆盖了从理论建模、数值计算到结果分析的全过程，通过具体的案例分析展示了改革后的教学方法和内容。梁结构在工程中应用广泛，其力学性能分析是计算力学中的重要内容。本案例的目标是让学生通过Python编程实现梁结构的有限元分析，从而掌握有限元方法的基本原理和应用技能。

1.教师讲解梁结构的基本力学理论，包括弹性力学中的弯曲应力和应变关系。然后介绍有限元方法的基本原理，特别是如何将连续体力学问题离散为有限元模型。

2.Python编程实现，学生开始学习编写Python程序，具体包括以下步骤：（1）网格剖分。将梁离散为若干有限元单元。（2）刚度矩阵的构建。根据梁的物理力学参数，构建单元刚度矩阵，将其组装成全局刚度矩阵。（3）边界条件的处理。根据工程条件设置边界条件，并对全局刚度矩阵进行修改。（4）求解位移和应力。利用数值方法求解位移，并计算相应的应力和应变。（5）结果分析与讨论。运行程序并分析计算结果，通过比较数值结果与理论解，验证编写程序的正确性。（6）案例总结。在完成编程和分析后，撰写总结报告。

通过该案例的实施，学生不仅掌握了有限元分析的基本原理，还通过实际编程和问题求解增强了计算思维和实践能力。此外，教师也积累了丰富的教学经验，为后续课程的进一步优化提供了参考。

四、教学改革效果评估

（一）学生学习效果评估

为了评估基于Python的“计算力学”教学改革效果，可通过问卷调查、平时作业和期末考试成绩分析等方式对学生的学习效果进行评估。通过问卷调查了解学生对新教学模式的满意度，学生认为Python的引入降低了课程的学习难度，增强了对计算力学的兴趣。通过分析学生在案例编程分析中的表现，发现学生在编程技能方面有了显著提高，特别是在处理复杂问题时表现出更强的创新能力。相比于传统授课模式，课程改革后的期末考试成绩以及目标达成度大幅提升。

（二）教师教学反馈

教师在教学过程中也反馈了教学改革的效果。通过引入Python编程，教师认为教学内容更加丰富，学生的参与度和互动性显著提高。同时，项目驱动和案例教学模式有效地激发了学生的学习兴趣，使得教学过程更加生动有趣。

结语

在“双碳”目标背景下，“计算力学”课程的教学改革具有重要意义。通过引入Python语言进行程序设计，结合工程案例和项目驱动教学法，能够有效提高学生的计算思维、编程技能和实践能力。本文通过案例分析展示了教学改革的具体实施过程和效果，验证了基于Python编程的“计算力学”教学模式的可行性和有效性。改革后的课程内容和教学方法不仅使学生在计算力学领域具备更强的工程应用能力，还为其未来的职业发展奠定了坚实基础。

未来，“计算力学”教学改革还可进一步深化，例如，多学科交叉融合，培养学生的跨学科思维和综合能力。在线教育与资源共享，利用在线教育平台和开放教育资源，扩大教学改革的影响力，使更多学生受益。建立有效的教学反馈和持续改进机制，不断优化课程内容和教学方法，确保教学改革的长效性。

参考文献

［1］SONG Y C， YANG L， ZHAO J F， et al. The status of natural gas hydrate research in China： A review［J］. Renewable and sustainable energy reviews，2014（31）：778-791.

［2］YAN C， REN X， CHENG Y， et al. Geomechanical issues in the exploitation of natural gas hydrate［J］. Gondwana research，2020（81）：403-422.