基于移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的彈性力學(xué)教學(xué)新模式研究

【摘要】基于移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對傳統(tǒng)的彈性力學(xué)與有限元教學(xué)模式進(jìn)行改進(jìn)，建立基于移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)+課堂教學(xué)的模式，選取本科5個班級，分成兩組，分別開展新教學(xué)模式和傳統(tǒng)教學(xué)模式下的教學(xué)工作，并對兩者的教學(xué)過程和教學(xué)效果進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明新教學(xué)模式相比于單一課堂模式具有明顯的優(yōu)勢。研究成果可以為大學(xué)本科力學(xué)課程的教學(xué)提供參考。

【關(guān)鍵詞】移動互聯(lián)網(wǎng) 教學(xué)模式 彈性力學(xué) 工學(xué) 課程

【基金項目】2015年武漢工程大學(xué)校級教研項目：“互聯(lián)網(wǎng)+”時代《彈性力學(xué)與有限單元法》 的教學(xué)手段改革研究與實踐（項目編號：x2015025）。

【中圖分類號】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）04-0149-02

一、引言

《彈性力學(xué)與有限元》是工科類專業(yè)的本科教學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課是以理論分析為基礎(chǔ)，著重培養(yǎng)學(xué)生利用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的思維，建立基本的力學(xué)方程、幾何方程和物理方程，解決實際工程問題的能力，代表著本科力學(xué)教育的最高層次，是彈塑性力學(xué)，巖石力學(xué)等其他連續(xù)介質(zhì)力學(xué)學(xué)科學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，也是培養(yǎng)學(xué)生利用彈性力學(xué)的基本理論和有限元近似解法去處理復(fù)雜邊界條件下的力學(xué)問題的創(chuàng)新能力。工科專業(yè)的學(xué)生通過學(xué)習(xí)彈性力學(xué)與有限元的最基本理論、基本假設(shè)。掌握求解一般力學(xué)問題的解析解和復(fù)雜問題的數(shù)值解的方法，為任意形狀的變形體彈性力學(xué)問題的解決打下堅實的基礎(chǔ)。目前對《彈性力學(xué)與有限元》的教學(xué)沿襲傳統(tǒng)的教學(xué)方式，以課堂講授為主的方式向?qū)W生傳授理論知識，考試依然采用閉卷考試的形式，由于彈性力學(xué)本身的特點，在有限的時間很難通過1-2道計算題對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行全面的考核，因此考試成績很難體現(xiàn)學(xué)生對課程知識的掌握。目前，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，下載app模式已經(jīng)進(jìn)入我們生活的方方面面，各種不同學(xué)習(xí)app軟件也紛紛出現(xiàn)，比如駕?？荚嘺pp學(xué)習(xí)、新東方托福、雅思、pets5英語學(xué)習(xí)app，廣場舞app，平安好醫(yī)生app等等，總之基于移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的各類學(xué)習(xí)、生活app越來越豐富，也給我們學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)時間的安排帶來了革命性的變化?；谶@樣的技術(shù)背景，筆者在學(xué)院和學(xué)校的支持下，開展了基于移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的《彈性力學(xué)與有限元》教學(xué)模式改革的研究，申請獲得了教研項目的支持。筆者通過建立教學(xué)QQ群，微信群，通過定期群討論，學(xué)習(xí)資料，學(xué)習(xí)方法，計算案例及時共享等方面進(jìn)行了大膽的探索，并結(jié)合傳統(tǒng)的課堂理論教學(xué)和上機(jī)實踐，對學(xué)生們的學(xué)習(xí)狀況進(jìn)行來全面的評估，通過“有無對比”原則，分析改革前后學(xué)生們的學(xué)習(xí)成績，分析論證了基于移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的《彈性力學(xué)與有限元》教學(xué)模式的合理性。研究結(jié)果表明，在新的教學(xué)模式下，學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情和興趣獲得了很大的提高，期末考試成績整體水平也獲得了提升，關(guān)鍵是提升了學(xué)生們利用既有理論解決實際工程問題，特別是復(fù)雜工程問題的能力，提高學(xué)生的科研興趣。

二、當(dāng)前本科生彈性力學(xué)教學(xué)遇見的問題

（一）教材問題

彈性力學(xué)作為工科專業(yè)的一門重要理論基礎(chǔ)課程，是一門不斷發(fā)展的課程，目前本科教學(xué)所選取的教材本身也有很多需要補(bǔ)充的內(nèi)容，比如國內(nèi)高校所采用的彈性力學(xué)教材就還需要補(bǔ)充。 以徐芝綸編著的《彈性力學(xué)》為代表的彈性力學(xué)教材，一般都不采用張量表述。當(dāng)前工程問題的專業(yè)問題多以以張量符號進(jìn)行理論描述，所以應(yīng)增加張量基本理論的教學(xué)內(nèi)容。目前的彈性力學(xué)教材花了比較大的篇幅推導(dǎo)開爾文解、平面問題的各解析解，但是實際問題當(dāng)中邊界問題非常復(fù)雜，根本不可能得到解析解，對學(xué)生有限單元法掌握的考核比較困難，經(jīng)典解析解的推導(dǎo)過程并不是本科教學(xué)的重點，而是要重點培養(yǎng)學(xué)生利用彈性力學(xué)與有限元的基本理論去解決具體實際問題的能力，總之，目前《彈性力學(xué)與有限單元法》的教材與復(fù)雜的工程實際問題聯(lián)系并不緊密，使學(xué)生們在學(xué)習(xí)這門課程的時候，很難提起興趣，對于重視實際應(yīng)用的本科生而言更是如此，因此在教學(xué)的時候應(yīng)該增加復(fù)雜工程問題的應(yīng)用教學(xué)，而這樣的教學(xué)內(nèi)容收到教學(xué)課時和教學(xué)條件的限制很難在課堂開展，因此需要增加學(xué)生們的課余時間，這就牽涉到學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣問題。

（二）教學(xué)課時相對較少

目前功課本科專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)課時普遍較少是目前高校教育的客觀事實，一方面為學(xué)生們提供了大量的課余時間去培養(yǎng)自己的興趣，增大了學(xué)生們的自主性，另一方面也為教學(xué)提出了新的要求，課堂的ppt講授可以為學(xué)生們灌輸大量的知識信息，但是學(xué)生們需要花費比較大多的課外時間去消化，積累和鞏固。學(xué)生在自己的課外時間有自己的選擇權(quán)，他們愿意花費多少課外時間在一門專業(yè)基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)上，取決他們興趣愛好，但是如果停留在表面，《彈性力學(xué)與有限元》是一門艱澀、難懂的力學(xué)學(xué)科，要培養(yǎng)學(xué)生的課外學(xué)習(xí)興趣僅靠課堂教學(xué)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此，提高學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣是《彈性力學(xué)與有限元》這門課教學(xué)的內(nèi)在要求，也是提升教學(xué)質(zhì)量的內(nèi)在要求。

（三）基于移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用很少

現(xiàn)代智能手機(jī)是高校本科生的必備之物，與移動互聯(lián)網(wǎng)有關(guān)的活動成了高校學(xué)生生活重要組成部分，但是高校學(xué)生往往利用移動互聯(lián)網(wǎng)瀏覽網(wǎng)頁、打手游、看電視、購物消費等于專業(yè)學(xué)習(xí)無關(guān)的活動，傳統(tǒng)的教學(xué)手段沒有利用這一工具增加學(xué)生課外專業(yè)學(xué)習(xí)的時間。這是值得商榷的問題。可以說移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架起了一座學(xué)生與老師溝通橋梁，通過從實踐應(yīng)用討論，到具體工程算例資料共享以及各類專業(yè)類全國作品設(shè)計大賽的參與，全方位的激發(fā)學(xué)生的課外補(bǔ)充學(xué)習(xí)的樂趣，提高學(xué)生們的學(xué)習(xí)效率，充分利用移動互聯(lián)技術(shù)提供的平臺，提高學(xué)生利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行《彈性力學(xué)與有限單元法》的課外學(xué)習(xí)時間，這是該教學(xué)模式研究的重要方面。

三、基于移動互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)模式的教學(xué)評估指標(biāo)的建立

基于移動網(wǎng)教學(xué)模式的教學(xué)評估指標(biāo)與傳統(tǒng)的單純靠期末考試成績的單指標(biāo)評估不同，新教學(xué)模式的教學(xué)評估指標(biāo)以期末考試成績和其他指標(biāo)相結(jié)合的綜合評估指標(biāo)，其他指標(biāo)包括學(xué)生平均單日《彈性力學(xué)》課外學(xué)習(xí)時間、具有利用有限元分析軟件對復(fù)雜邊界條件的彈性力學(xué)問題能力的人數(shù)占總?cè)藬?shù)的百分比、平時成績。四者的權(quán)重分別是考試成績占0.5，滿分100分，課外學(xué)習(xí)時間權(quán)重0.2，滿分20分，商用軟件熟練人數(shù)的百分比，權(quán)重0.1，滿分20分，平時成績權(quán)重0.2，滿分30分。設(shè)綜合評價指標(biāo)為E，則評估指標(biāo)計算如式（1）所示：endprint

E=Q1P1+Q2P2+Q3P3+Q4P4 （1）

E-教學(xué)評估綜合評分；Q1、Q2、Q3、Q4分別期末班級平均考試成績、學(xué)生單日平均課外學(xué)習(xí)時間評分、商用有限元軟件熟練人數(shù)占班級總?cè)藬?shù)的百分比所對應(yīng)的分?jǐn)?shù)、班級學(xué)生的平均平時成績。P1、P2、P3、P4分別為4個單項評估指標(biāo)的權(quán)重值。4個單項指標(biāo)的評分標(biāo)準(zhǔn)，期末考試班級卷面成績平均值，滿分100分，不分檔，平時成績以到課率等為評判指標(biāo)，分?jǐn)?shù)以實際分?jǐn)?shù)為準(zhǔn)，總分30分，不分檔。課外學(xué)習(xí)時間評分標(biāo)準(zhǔn)：1小時以下，8分，1-2小時，12分，2-2.5小時，16分，2.5-3小時，18分，3小時以上120分。商用有限元軟件熟練程度評分標(biāo)準(zhǔn)：熟練人數(shù)占班級總?cè)丝诘陌俜直?0%，8分，10%—30%，12分，30%—50%，16分，50%-70%，18分，70%以上，20分。

四、基于移動互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)模式的設(shè)計與實施

（一）基于移動互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)模式的設(shè)計

基于移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的教學(xué)模式為教師和學(xué)生之間架起了一做溝通的橋梁，老師可以通過QQ群，微信群等移動信息接受終端將學(xué)習(xí)資料、研究新動態(tài)、教案通過共享文件的形式實時有效的發(fā)到每一個同學(xué)的手機(jī)上，學(xué)生們可以及時下載學(xué)習(xí)。學(xué)生們也可以同過QQ群，微信群、電子郵件等方式將自己在學(xué)習(xí)中遇到的問題、想法第一時間的上傳到網(wǎng)上，老師和其他學(xué)生也可以第一時間接受到這些信息，老師和學(xué)生們一起討論，共同學(xué)習(xí)，共同進(jìn)步。

（二）模式實施

筆者多年從事采礦工程和土木工程專業(yè)本科生的《彈性力學(xué)與有限元法》教學(xué)工作，分別選取采礦兩個班，土木兩個班進(jìn)行新型模式和傳統(tǒng)模式教育工作。兩個班分開授課，教學(xué)大綱和授課內(nèi)容基本一致，考試試題相同，都是采用閉卷的形式考試，兩個專業(yè)的課堂授課課時和上機(jī)實驗課時一致，前者通過新模式教學(xué)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加了課外時間，老師通過在QQ群交流平臺上搜集同學(xué)們提出的問題集中回答，引導(dǎo)學(xué)生利用課外時間進(jìn)行工程問題的數(shù)值建模計算，幾個有興趣的學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)級別的數(shù)值建模大賽。另外一個專業(yè)的學(xué)生采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式開展課堂教學(xué)工作，通過布置課外作業(yè)，課堂集中答疑的方式進(jìn)行，在上機(jī)課時進(jìn)行有限元數(shù)值模擬軟件的建模學(xué)習(xí)，通過布置課外作業(yè)，讓學(xué)生們開展數(shù)值建模的練習(xí)工作。經(jīng)過一個學(xué)期的，對兩個專業(yè)的學(xué)生的的成績進(jìn)行對比，對比指標(biāo)見第3節(jié)。通過對比分析兩種模式下的彈性力學(xué)與有限元的教學(xué)效果，進(jìn)一步分析基于移動互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)模式在彈性力學(xué)與有限單元法課程教學(xué)的可行性和實用性。

五、教學(xué)效果對比

期末考試兩個專業(yè)教學(xué)成果的評估指標(biāo)對比值如表1所示。通過對比，可以看出：新教學(xué)模式下，學(xué)生的期末考試卷面成績明顯高于傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式下的卷面成績。兩種教學(xué)模式下的平時成績也有比較明顯的差距，平時成績的評分標(biāo)準(zhǔn)主要是根據(jù)學(xué)生們的到課率和平時作業(yè)成績，由此可以表明在新的教學(xué)模式下，學(xué)生們對《彈性力學(xué)與有限單元法》的學(xué)習(xí)興趣得到了比較大的提升。這還可以從學(xué)生們課外學(xué)習(xí)時間和商用有限元軟件的熟練程度的評分中得到體現(xiàn)。新教學(xué)模式下的學(xué)生在學(xué)習(xí)日的平均課外時間達(dá)到2個小時以上，這很大程度上提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)成績，通過調(diào)研，他們主要把時間花費在商用有限元軟件數(shù)值建模的學(xué)習(xí)上，部分學(xué)生由于參加數(shù)值建模大賽，花費了更多的時間在彈性力學(xué)與有限元的學(xué)習(xí)中。通過對兩個專業(yè)學(xué)生學(xué)生數(shù)值建模的作業(yè)模型的評分對比，以及相關(guān)建模大賽的成績對比，得到了兩種教學(xué)模式下的有限元商用軟件的熟練程度的評分對比，根據(jù)式1計算得到兩種教學(xué)模式下的教學(xué)評估綜合評分分別為53.72分和46.2分，前者明顯大于后者。綜合評分對比也可以看出，新教學(xué)模式下的教學(xué)效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)模式下的教學(xué)效果。

六、結(jié)論

1.隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和普及為艱澀枯燥的彈性力學(xué)與有限元的教學(xué)打開了新的思路，相比于傳統(tǒng)的單純課堂教學(xué)，基于移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新的教學(xué)模式，為老師和學(xué)生之間架起了一座課外學(xué)習(xí)的橋梁，通過QQ群，微信群建立起來的學(xué)生與老師的課外交流平臺，并基于這樣的交流平臺建立的模式是對傳統(tǒng)教學(xué)模式改進(jìn)，大大提高了教師與學(xué)生的交流時間，溫暖了師生關(guān)系。

2.通過兩種教學(xué)模式的對比，新教學(xué)模式下，學(xué)生學(xué)習(xí)彈性力學(xué)與有限單元法的興趣得到了很大的提高，主要表現(xiàn)在課堂到課率、課外學(xué)習(xí)時間以及商用有限元軟件熟練程度三個方面，從期末考試成績以及相關(guān)學(xué)生參加數(shù)值建模大賽的情況可以看出，新的教學(xué)模式相比傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式具有明顯的優(yōu)勢。該教學(xué)模式可以為其他力學(xué)課程的教學(xué)提供有益的參考。

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作者簡介：

肖尊群（1982-），男，漢族，湖南省懷化市人，博士，武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院講師，研究方向：重載鐵路路基加固與評估技術(shù)。endprint