“有限元法與軟件應(yīng)用”精品課程立體化教學(xué)研究與實(shí)踐

尹飛鴻，劉春節(jié)，何亞峰

(常州工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213002)

0 引言

“有限元法與軟件應(yīng)用”是一門理論聯(lián)系實(shí)際的應(yīng)用型課程，課程最終目標(biāo)是要求學(xué)生借助有限元軟件運(yùn)用有限元的基本原理和方法解決工程實(shí)際問(wèn)題，它是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、材料成型及控制工程等相關(guān)工科專業(yè)的一門專業(yè)理論基礎(chǔ)課，它由有限元的基本原理、有限元軟件和工程應(yīng)用三大模塊組成。針對(duì)“有限元法與軟件應(yīng)用”課程特點(diǎn)，課程組在教學(xué)過(guò)程中注重對(duì)課程內(nèi)容的有機(jī)整合，強(qiáng)化工程實(shí)踐、應(yīng)用和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，確立了以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為導(dǎo)向，以工程能力培養(yǎng)為課程的培養(yǎng)目標(biāo)。

傳統(tǒng)的教學(xué)方法過(guò)于重視知識(shí)的傳授，而忽視了給予學(xué)生自主學(xué)習(xí)與探究的機(jī)會(huì)，忽略了工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。為了更好地適應(yīng)面向工程應(yīng)用的創(chuàng)造性產(chǎn)品設(shè)計(jì)人才培養(yǎng)的要求，培養(yǎng)具有系統(tǒng)思維、統(tǒng)籌兼顧的創(chuàng)新型復(fù)合人才，在“有限元法與軟件應(yīng)用”精品課程的建設(shè)中，對(duì)該課程進(jìn)行了立體化教學(xué)模式研究與探索。［1］

1 立體化教學(xué)支持體系的構(gòu)建

立體化教學(xué)是利用現(xiàn)代的教學(xué)資源和手段，通過(guò)科學(xué)整合和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)而構(gòu)建的突破時(shí)空界限的全方位、多層次、系統(tǒng)的教學(xué)方式，它形成了數(shù)字和現(xiàn)實(shí)的教學(xué)與學(xué)習(xí)環(huán)境。［2］

新的教學(xué)模式的創(chuàng)建，首先要有完善的教學(xué)支持作為服務(wù)支撐?；凇坝邢拊ㄅc軟件應(yīng)用”課程性質(zhì)及人才培養(yǎng)要求，課程組在長(zhǎng)期教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的基礎(chǔ)上，編著出版了《有限元法基本原理及應(yīng)用》教材，設(shè)計(jì)了MOOC(大規(guī)模開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)課程，Massive Open Online Courses)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)、“有限元法與軟件應(yīng)用”課程考試系統(tǒng)和課程網(wǎng)站，對(duì)課程的教學(xué)資源和教學(xué)內(nèi)容的組織形式、教學(xué)空間等進(jìn)行了全方位、多角度的整體設(shè)計(jì)，形成了以教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體，工程能力培養(yǎng)為主線的教學(xué)模式，從而激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和欲望，培養(yǎng)了學(xué)生綜合運(yùn)用有限元法的基本知識(shí)和基本理論解決復(fù)雜工程實(shí)際問(wèn)題的能力。其立體化教學(xué)模式的支持體系如圖1所示。

圖1 立體化教學(xué)模式的支持體系

該支持體系的核心是學(xué)生，服務(wù)體系建立的指導(dǎo)思想是“一切為了學(xué)生”。教師的職責(zé)是針對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容中的難點(diǎn)、疑點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行傳授和講解，與學(xué)生的交流主要通過(guò)面授輔導(dǎo)、網(wǎng)上實(shí)時(shí)答疑、E-mail、電話等方式，建立支持體系的重點(diǎn)在于教師角色的轉(zhuǎn)換。

2 立體化教學(xué)資源與平臺(tái)的建設(shè)

2.1 教材建設(shè)

2009年課程組向?qū)W校申報(bào)了《有限元法基本原理及應(yīng)用》教材建設(shè)項(xiàng)目，2010年該教材由高等教育出版社出版，并獲全國(guó)教育科學(xué)“十一五”規(guī)劃課題研究成果。本教材編寫內(nèi)容分為有限元法基本原理、有限元法軟件應(yīng)用和典型工程實(shí)例三部分，以“講清基本原理、理論聯(lián)系實(shí)際、學(xué)以致用”為基本編寫思路，在講清原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)典型的工程實(shí)例讓學(xué)生達(dá)到學(xué)以致用的目的，教材的應(yīng)用性和實(shí)踐性鮮明。在結(jié)構(gòu)體系上，按照有限元法的內(nèi)在邏輯規(guī)律組織章節(jié);在內(nèi)容上，基于有限元的基本理論與方法，融合具體的工程實(shí)例;在技術(shù)上，將工程實(shí)際案例應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐，遵循教學(xué)規(guī)律，以有限元技術(shù)的應(yīng)用能力培養(yǎng)為主線，以加強(qiáng)工程實(shí)踐能力的訓(xùn)練為目的，形成了貼近工程實(shí)際的教學(xué)理念;在寫作上，基于我國(guó)制造業(yè)背景，典型工程實(shí)例部分以案例引導(dǎo)各章的內(nèi)容。《有限元法基本原理及應(yīng)用》教材的內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。［3］

圖2《有限元法基本原理及應(yīng)用》教材體系結(jié)構(gòu)

由圖2可見(jiàn)，該教材在模塊設(shè)計(jì)上，將有限元基本原理、有限元軟件和有限元工程應(yīng)用三部分內(nèi)容融為一體，各模塊間橫向關(guān)聯(lián)、縱向遞進(jìn)，螺旋式上升，有利于促進(jìn)學(xué)生工程素養(yǎng)的綜合提升。在體系上三個(gè)模塊既相互獨(dú)立又密不可分，前者是后者的基礎(chǔ)，后者又是前者的推進(jìn)，三者形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，其最終目標(biāo)是解決工程實(shí)際問(wèn)題。教材形成了如下幾個(gè)方面的結(jié)合:理論性與實(shí)用性相結(jié)合;科學(xué)研究與工程技術(shù)相結(jié)合;系統(tǒng)性與獨(dú)立性相結(jié)合;講授與自學(xué)相結(jié)合。

2.2 課程網(wǎng)站建設(shè)

課程網(wǎng)站建設(shè)已成為高校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、教學(xué)互動(dòng)和學(xué)習(xí)交流的重要平臺(tái)，對(duì)于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和提高教學(xué)質(zhì)量具有十分重要的意義。［4］

有限元法與軟件應(yīng)用精品課程網(wǎng)站的主要功能有:①展示課程信息及其有關(guān)內(nèi)容;②輔助教與學(xué);③企業(yè)工程項(xiàng)目服務(wù)。展示的主要內(nèi)容為課程介紹、教學(xué)團(tuán)隊(duì)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)資源與條件、教學(xué)效果與成果、課程規(guī)劃等信息，為學(xué)生、課程教師提供相關(guān)信息;在輔助教與學(xué)方面，主要向?qū)W生提供豐富的學(xué)習(xí)參考資源，如教學(xué)大綱、典型習(xí)題詳解、典型工程實(shí)例等教學(xué)參考資料，同時(shí)通過(guò)留言板形式進(jìn)行網(wǎng)上答疑，實(shí)現(xiàn)教學(xué)互動(dòng)、網(wǎng)上指導(dǎo)，以吸引廣大學(xué)生踴躍參與，最終成為學(xué)生自主學(xué)習(xí)、培養(yǎng)創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力的主陣地;企業(yè)工程項(xiàng)目服務(wù)部分主要展示課程教師歷年完成的與該課程相關(guān)的科研項(xiàng)目情況，一方面為學(xué)生提供學(xué)習(xí)參考，另一方面向企業(yè)展示教學(xué)隊(duì)伍的工程實(shí)踐能力，以吸引更多的企業(yè)提供校企合作項(xiàng)目。其網(wǎng)站結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 “有限元法與軟件應(yīng)用”精品課程網(wǎng)站結(jié)構(gòu)示例

2.3 MOOC教學(xué)模式的平臺(tái)建設(shè)

MOOC作為一種網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程教學(xué)模式，再現(xiàn)了課程學(xué)習(xí)的全過(guò)程，與傳統(tǒng)課程教學(xué)類似，教師需要布置作業(yè)和批改作業(yè)、進(jìn)行測(cè)驗(yàn)與考試、師生交互、為學(xué)生答疑解惑，學(xué)生必須進(jìn)行學(xué)習(xí)、完成作業(yè)、參加考試并取得成績(jī)。但是MOOC教學(xué)學(xué)生可以在線與其他學(xué)習(xí)者進(jìn)行討論、分享觀點(diǎn)、互評(píng)作業(yè)等。［5-6］課程組在保留傳統(tǒng)課堂教學(xué)學(xué)生體驗(yàn)感強(qiáng)、互動(dòng)性好等優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合MOOC教學(xué)模式中學(xué)生之間分享學(xué)習(xí)和學(xué)生交互學(xué)習(xí)等優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建了如圖4所示的MOOC教學(xué)模式下的“有限元法與軟件應(yīng)用”課程學(xué)生學(xué)習(xí)階段示例圖。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生普遍反映該教學(xué)平臺(tái)能夠更好地促進(jìn)課程的學(xué)習(xí)。

2.4 考試系統(tǒng)建設(shè)

圖4 MOOC教學(xué)模式學(xué)生學(xué)習(xí)階段示例圖

由于傳統(tǒng)課程考試方式為紙質(zhì)考試，存在考前命題、考場(chǎng)安排、試卷制作、監(jiān)考和人工閱卷等環(huán)節(jié)，因此，工作量大且工作效率低。為了客觀公正地評(píng)定課程實(shí)施效果，“有限元法與軟件應(yīng)用”課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了如圖5所示的課程考試系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要用于試題管理、試卷生成、在線考試、試卷分析和試題優(yōu)化，同時(shí)還具有學(xué)生自我練習(xí)和自我測(cè)試功能。通過(guò)實(shí)踐表明:該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了由人工命題到計(jì)算機(jī)隨機(jī)命題的轉(zhuǎn)變，教考分離，提高了工作效率，對(duì)教學(xué)效果也起到了信息反饋?zhàn)饔?，該考試系統(tǒng)對(duì)于推進(jìn)課程建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)于其他同類課程建設(shè)也具有較好的借鑒作用。［7］

圖5 “有限元法與軟件應(yīng)用”課程考試系統(tǒng)操作流程

3 結(jié)語(yǔ)

“有限元法與軟件應(yīng)用”精品課程立體化教學(xué)改革成果體現(xiàn)了科學(xué)性、藝術(shù)性和技術(shù)性之間的統(tǒng)一。它充分利用各種有利條件和有效資源，以及先進(jìn)的教學(xué)理念、教學(xué)方法和教學(xué)手段，突破了傳統(tǒng)的教學(xué)與考核方式，呈現(xiàn)了一種嶄新的教學(xué)形式，然而如何進(jìn)一步推動(dòng)該課程的建設(shè)，形成滿足工程類應(yīng)用型人才培養(yǎng)所需的穩(wěn)定的課程建設(shè)成果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用軟件的技能和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，是專業(yè)教師值得深思的問(wèn)題，還需要進(jìn)行“教”與“學(xué)”實(shí)效性的理論與實(shí)踐研究。

［1］劉媛華，嚴(yán)廣樂(lè).系統(tǒng)工程課程立體化教學(xué)的改革與實(shí)踐［J］.上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34(4):325-328.

［2］宋云嫻，韓凡石，吳軍，等.立體化教學(xué)資源模型構(gòu)建［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27(2):100-103.

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［4］張建民，王文凱，李傳仁，等.普通昆蟲學(xué)課程網(wǎng)站建設(shè)的思考與探索［J］.長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，8(10):265-269.

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［6］池雅慶，宋睿強(qiáng)，李振濤.探索MOOC對(duì)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)的影響［J］.計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2014，36(A1):164-168.

［7］尹飛鴻，常睿，何亞峰，等.“有限元法與軟件應(yīng)用”課程考試系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.常州工學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，26(5):85-88.