基于有限元分析與專業(yè)案例庫的《工程力學(xué)》課程教學(xué)模式研究

賴榮燊　黃海鵬

摘要：針對當(dāng)前教學(xué)模式下學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高、基礎(chǔ)知識掌握不牢、工程創(chuàng)新性不足等問題，系統(tǒng)分析課程教學(xué)現(xiàn)狀，探索基于有限元分析與專業(yè)案例庫的工程力學(xué)課程教學(xué)模式。構(gòu)建生動形象的可視化教學(xué)素材庫，并將其融入工程力學(xué)理論知識講授過程，以期激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：有限元分析;專業(yè)案例庫;工程力學(xué);教學(xué)模式

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2020）13-0276-02

一、前言

《工程力學(xué)》是機(jī)械類、近機(jī)類、土建類、交通運(yùn)輸類等專業(yè)必修的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課，具有較強(qiáng)的理論性，又與工程實(shí)際密切相關(guān)。該課程是溝通公共基礎(chǔ)課與專業(yè)課的橋梁，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)提供必要的力學(xué)理論基礎(chǔ)。為了有效激發(fā)廣大學(xué)生對工程力學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生扎實(shí)掌握力學(xué)理論知識，增強(qiáng)學(xué)生應(yīng)用力學(xué)知識分析問題和解決問題的能力，并為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下扎實(shí)的力學(xué)基礎(chǔ)，本文提出基于有限元分析與專業(yè)案例庫的《工程力學(xué)》課程改革思路，將生動形象的工程案例融入知識講解過程，牢牢吸引學(xué)生的注意力，改善教學(xué)效果。

二、課程教學(xué)現(xiàn)狀

基于廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院《工程力學(xué)》課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)的交流討論發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前該課程授課過程普遍存在學(xué)生聽課注意力不集中、積極性不高、死記硬背、掛科現(xiàn)象嚴(yán)重等不良現(xiàn)象[1]。究其原因，問題主要在于：（1）課程內(nèi)容多課時少，理論性強(qiáng)，公式繁多，加之很多學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)相對薄弱，導(dǎo)致部分知識點(diǎn)難以理解，只能死記硬背，學(xué)習(xí)效率較低;（2）基于“理論導(dǎo)出—過程分析—例題講解”的授課過程，采用“多媒體與板書相結(jié)合”的演示模式，學(xué)生多為被動接受，導(dǎo)致課堂氣氛沉悶，教學(xué)效果不佳;（3）教材案例主要以機(jī)械結(jié)構(gòu)為主，沒有根據(jù)專業(yè)選取有針對性的案例，導(dǎo)致學(xué)生不易理解。面對如此嚴(yán)峻形勢，工程力學(xué)課程改革可謂刻不容緩。

三、新型教學(xué)模式

（一）改革舉措

基于案例教學(xué)法研究成果[2-3]，探索能夠有效提升學(xué)生學(xué)習(xí)主動性和創(chuàng)造性的新型教學(xué)模式，主要改革舉措包含以下兩個方面。

（1）教學(xué)素材庫建設(shè)。針對不同知識點(diǎn)構(gòu)建的教學(xué)素材主要包括實(shí)物模型、三維CAD模型、有限元分析模型、按專業(yè)方向分類的工程實(shí)例力學(xué)模型。例如，學(xué)生對靜力學(xué)中“約束”這一抽象知識點(diǎn)比較難以理解，可以通過購買或制作各種約束形式（如剛性光滑面約束、固定端約束等）的實(shí)物模型（與約束相對應(yīng)的滾珠軸承、三爪卡盤等），幫助學(xué)生理解相關(guān)知識點(diǎn);材料力學(xué)知識點(diǎn)主要涉及應(yīng)力和桿件的四種基本變形形式（拉壓、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲）及組合變形，通過建立工程構(gòu)件的三維模型，并應(yīng)用有限元分析軟件（如ABAQUS[4]），形象展現(xiàn)桿、軸、梁、柱的變形過程和應(yīng)力應(yīng)變的變化情況;針對不同專業(yè)方向（如金屬材料、汽車服務(wù)等），收集與課程相關(guān)的實(shí)際案例，結(jié)合工程力學(xué)知識，對案例進(jìn)行深入剖析并簡化成力學(xué)模型等。

（2）基于教學(xué)素材庫的教學(xué)過程優(yōu)化。基于已構(gòu)建的教學(xué)素材庫開展教學(xué)過程優(yōu)化的流程如下：首先，任課老師在授課過程中自主組織教學(xué)素材，如實(shí)記錄組織方式、教學(xué)效果（學(xué)生聽課情況）、學(xué)生的意見和建議等，各自改進(jìn)完善教案;接著，工程力學(xué)教研組分階段開展課程教學(xué)研討，相互取長補(bǔ)短并做好記錄，如哪些經(jīng)驗(yàn)可以借鑒、哪些方面應(yīng)該避免等，總結(jié)得到最優(yōu)教案，在研究團(tuán)隊(duì)成員間、校內(nèi)乃至校外工程力學(xué)教研組中進(jìn)行分享;最后，根據(jù)學(xué)生的綜合成績考核和教學(xué)評價驗(yàn)證教學(xué)改革成效，并確定下一輪教學(xué)實(shí)踐的改進(jìn)方向。

（二）教學(xué)方法

當(dāng)前工程力學(xué)課程的教學(xué)方法大多采用“多媒體演示為主，板書為輔”的方式[5]，遵照“案例導(dǎo)入——知識推送—公式推導(dǎo)—例題講解—課后習(xí)題”流程安排教學(xué)進(jìn)度。依照相同流程開展教學(xué)，授課老師的教學(xué)效果卻有很大差別。其中，素材應(yīng)用與師生互動是影響教學(xué)效果的兩大因素。為此，本文對當(dāng)前教學(xué)方法進(jìn)行完善并做詳細(xì)闡述。

（1）案例導(dǎo)入。針對特定知識點(diǎn)，從教學(xué)素材庫中選取最為貼切的典型案例，凸顯該知識點(diǎn)的重要性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。該典型案例要求是貼近生活、廣為人知或面向特定專業(yè)的素材;采用多媒體演示方式，吸引學(xué)生的注意力，演示后可以加入師生、生生之間的討論環(huán)節(jié)，加深對案例的認(rèn)識與理解。

（2）知識推送。對案例進(jìn)行總結(jié)分析，講解案例所涉及的知識點(diǎn)。該環(huán)節(jié)推薦采用板書形式，只有以較為平緩的節(jié)奏推送知識點(diǎn)有利于學(xué)生理解和消化，學(xué)生才能跟上授課老師的節(jié)奏并有充分的時間做好筆記。在細(xì)化知識點(diǎn)講解過程中，亦可穿插一些較為形象的案例。

（3）公式推導(dǎo)。該環(huán)節(jié)涉及假設(shè)前提、理論基礎(chǔ)、分析與計算方法等知識，理論性極強(qiáng)且對數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，學(xué)生理解和掌握起來較為困難;更關(guān)鍵在于，這關(guān)系到學(xué)生對此類問題的分析和解決方法的核心能力培養(yǎng)，因此強(qiáng)烈推薦以板書形式授課，并在過程中時刻關(guān)注學(xué)生是否緊跟進(jìn)度并充分理解。

（4）例題講解。選擇典型例題進(jìn)行講解。安排學(xué)生分組討論，并根據(jù)學(xué)生反饋進(jìn)行講解。對于材料力學(xué)中基本變形或組合變形的相關(guān)例題，在講解教材中的例題之后，演示該例題的有限元分析結(jié)果并進(jìn)行對比分析。對于靜力學(xué)部分，結(jié)合實(shí)物模型進(jìn)行講解。

（5）課后習(xí)題。該環(huán)節(jié)的基本模式是授課老師根據(jù)知識點(diǎn)分布情況布置作業(yè)，學(xué)生課后自主完成，老師批改后將作業(yè)再發(fā)回給學(xué)生，并根據(jù)學(xué)生完成情況有針對性地進(jìn)行講解。建議講解課后習(xí)題的過程中增強(qiáng)師生互動，如安排做對題目的學(xué)生上講臺為其他學(xué)生講解解題思路等。授課老師批改作業(yè)的認(rèn)真程度和學(xué)生對待作業(yè)的重視程度是決定該環(huán)節(jié)教學(xué)效果的關(guān)鍵因素，因此應(yīng)客觀、嚴(yán)格、合理地考核平時成績。

（三）保障措施

為了確保工程力學(xué)課程教學(xué)改革有序開展并取得預(yù)期成果，改革過程中應(yīng)積極采取以下保障措施。

（1）明確落實(shí)改革責(zé)任并加強(qiáng)進(jìn)度管控。研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人及其成員必須都是經(jīng)驗(yàn)豐富的工程力學(xué)課程的任課老師，熟知課程的重點(diǎn)與難點(diǎn)，能夠及時有效地解決學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的各種問題。此外，實(shí)施過程必須明確各個成員的改革責(zé)任，并由研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人對進(jìn)度進(jìn)行調(diào)控。

（2）建立信息溝通機(jī)制。創(chuàng)建團(tuán)隊(duì)QQ群或微信群，實(shí)現(xiàn)線上即時交流，研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人對問題進(jìn)行記錄、梳理，并定期組織團(tuán)隊(duì)成員線下討論。

（3）構(gòu)建師生協(xié)同共建機(jī)制。積極吸納一些能夠熟練操作有限元分析軟件或者具有特定專業(yè)工作經(jīng)歷且樂于協(xié)助收集相關(guān)專業(yè)案例的學(xué)生參與工程力學(xué)課程改革，以這些參與改革研究的學(xué)生帶動教學(xué)班級中更多的學(xué)生加入或及時分享改革成果，群策群力，調(diào)動全體學(xué)生學(xué)習(xí)工程力學(xué)課程的積極性。

（4）充分利用校內(nèi)平臺資源。校內(nèi)實(shí)訓(xùn)中心具備較強(qiáng)的機(jī)械加工能力，為工程力學(xué)課程實(shí)物模型庫的建設(shè)提供了重要的制造資源保障;充分利用校內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并在此基礎(chǔ)上開展力學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新研究。

四、結(jié)語

針對當(dāng)前工程力學(xué)課程教學(xué)中存在的問題，提出基于有限元分析與專業(yè)案例庫的工程力學(xué)課程教學(xué)模式，并從改革舉措、教學(xué)方法和保障措施三個方面進(jìn)行詳細(xì)闡述。所提教學(xué)模式改革方案仍存在不足，即授課老師以其獨(dú)特風(fēng)格將教學(xué)素材等融入工程力學(xué)理論知識點(diǎn)講授過程，如何評價教學(xué)效果并得到最優(yōu)的教學(xué)方式，成為教學(xué)改革的難點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王鐸，蔣國平，楊拴強(qiáng).基于ABAQUS驅(qū)動工程力學(xué)課程多樣性探索[J].價值工程，2018，（19）：286-288.

[2]張家軍，靳玉樂.論案例教學(xué)的本質(zhì)與特點(diǎn)[J].中國教育學(xué)刊，2004，（1）：51-53，65.

[3]趙秋玲，張君華，劉芳.《工程力學(xué)》案例教學(xué)的探索和實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2017，（43）：144-145.

[4]王瑾.《工程力學(xué)》新型教學(xué)法的探索與實(shí)踐[J].機(jī)械管理開發(fā)，2010，（4）：181-182.

[5]王建祥，葛倚汀.多媒體與板書相結(jié)合的工程力學(xué)課程教學(xué)實(shí)踐[J].2018，16（1）：57-60.

Research on the Teaching Mode of Engineering Mechanics Course Based on Finite Element Analysis and Professional Case Library

LAI Rong-shen，HUANG Hai-peng

（Xiamen University of Technology，Xiamen，F(xiàn)ujian 361024，China）

Abstract：Aiming at the problems of students' lack of learning enthusiasm，loose grasp of basic knowledge，and lack of engineering innovation in the current teaching mode，this paper systematically analyzes the teaching status，and explores the new teaching mode of Engineering Mechanics based on finite element analysis and professional cases.A teaching material database is constructed based on finite element analysis，and it is integrated into the teaching process of theoretical knowledge，to stimulate students' interest in learning and enhance students' innovative ability.

Key words：Finite element analysis;professional cases;Engineering Mechanics;teaching mode