CDIO理念下《有限元與計(jì)算方法》課程的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)實(shí)踐

姚昊萍，張靜

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，江蘇 南京）

一 引言

自我國(guó)加入《華盛頓協(xié)議》，開(kāi)展工程教育專業(yè)認(rèn)證以來(lái)，越來(lái)越多的高校為適應(yīng)工程教育改革，在構(gòu)建新的教學(xué)模式和探索新的教學(xué)方法方面做出許多有益的探索[1]。代表構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(jì)(Design)、實(shí)現(xiàn)(Implement)和運(yùn)作(Operate)的國(guó)際工程教育改革的最新成果CDIO工程教育理念，提倡“基于項(xiàng)目教育和學(xué)習(xí)”的工程教學(xué)模式，以產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)到維護(hù)運(yùn)行的生命周期作為載體，采用工程的方法培養(yǎng)學(xué)生，讓學(xué)生將主動(dòng)研究、實(shí)踐學(xué)習(xí)、課程學(xué)習(xí)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，一方面幫助學(xué)生在牢固掌握基礎(chǔ)知識(shí)和理論的同時(shí)，完成知識(shí)體系的自主構(gòu)建；另一方面，通過(guò)基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，不斷提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力，實(shí)踐能力以及分析、解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力[2-4]。

目前，國(guó)內(nèi)很多大學(xué)借鑒和運(yùn)用CDIO工程教育理念對(duì)課程進(jìn)行教學(xué)改革，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)和軟件工程類的課程中，采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式，獲得了很好的效果。南京航空航天大學(xué)針對(duì)數(shù)字圖像處理課程教學(xué)過(guò)程中存在的教學(xué)內(nèi)容更新慢、實(shí)踐內(nèi)容占比小、教學(xué)手段單一和課程考核方式不合理等問(wèn)題，進(jìn)行了CDIO教學(xué)改革，取得良好的教學(xué)效果[5]。西南石油大學(xué)在面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程教學(xué)中，基于CDIO理念重新構(gòu)建了項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)內(nèi)容，并采用互動(dòng)式教學(xué)方法取得了較好的教學(xué)效果[6]。陸軍工程大學(xué)根據(jù)計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)課程的特點(diǎn)，借鑒CDlO教育理念構(gòu)建了以項(xiàng)目為基本單元，將各知識(shí)點(diǎn)逐漸融于項(xiàng)目的教學(xué)進(jìn)程[7]。沈陽(yáng)化工大學(xué)根據(jù)工程實(shí)際項(xiàng)目，重新設(shè)計(jì)機(jī)電傳動(dòng)與控制課程體系，完善了實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，經(jīng)教學(xué)實(shí)踐證明，改革后的課程教學(xué)極大地提高了學(xué)生的自學(xué)能力和實(shí)踐能力[8]。

有限元與計(jì)算方法作為我校機(jī)械類專業(yè)的一門學(xué)科基礎(chǔ)課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)實(shí)際工程結(jié)構(gòu)創(chuàng)建其簡(jiǎn)化模型并對(duì)模型進(jìn)行后續(xù)分析處理的能力，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，因此在學(xué)生知識(shí)、能力和素質(zhì)的培養(yǎng)體系中，占據(jù)十分重要的地位。通過(guò)對(duì)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握數(shù)值計(jì)算方法、彈性力學(xué)和有限元方法的基本原理，了解有限元軟件ANSYS在機(jī)械工程及其他應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用，能夠獨(dú)立地運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模、分析、計(jì)算和優(yōu)化，培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。

二 有限元與計(jì)算方法課程的教學(xué)現(xiàn)狀

（一） 教學(xué)方面

目前，在有限元與計(jì)算方法課程教學(xué)中，主要存在以下問(wèn)題：（1）理論課部分，教師在課堂內(nèi)傳授給學(xué)生知識(shí)，教學(xué)手段單一，只重理論知識(shí)灌輸，不重思考，學(xué)生參與度低；（2）所用教材適用于多個(gè)專業(yè)，因此，教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生的專業(yè)背景和實(shí)際工程問(wèn)題聯(lián)系不夠緊密，缺乏一定的實(shí)用性，也就無(wú)法最大程度激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；（3）實(shí)踐課部分，過(guò)于注重對(duì)學(xué)生軟件操作細(xì)節(jié)的訓(xùn)練和實(shí)操，而對(duì)于具體工程問(wèn)題的建模、分析計(jì)算和數(shù)據(jù)的后續(xù)處理方面則培養(yǎng)不夠，沒(méi)有體現(xiàn)對(duì)學(xué)生工程系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。教師帶領(lǐng)學(xué)生完成既定的軟件操作，使得學(xué)生自主性和參與性不足，被動(dòng)地完成上機(jī)題目，沒(méi)有融入自己的理解和思考，在現(xiàn)有教學(xué)模式下，學(xué)生不能有效完成對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題的仿真分析計(jì)算，學(xué)習(xí)效果不理想。

（二） 評(píng)價(jià)方面

學(xué)生的總成績(jī)由平時(shí)成績(jī)和期末考試成績(jī)組成，平時(shí)成績(jī)主要考核平時(shí)作業(yè)和上機(jī)操作的完成情況，這樣的評(píng)價(jià)模式過(guò)于單一，忽略了過(guò)程性評(píng)價(jià)。學(xué)生應(yīng)具備的溝通能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等方面的職業(yè)素養(yǎng)不能得到有效的評(píng)價(jià)。這樣一方面使得教師無(wú)法通過(guò)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)教學(xué)做出針對(duì)性的有效改進(jìn)；另一方面，只注重結(jié)果的評(píng)價(jià)方式，不能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

三 基于CDIO理念項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的課程教學(xué)設(shè)計(jì)

（一） 以項(xiàng)目為載體，構(gòu)建課程教學(xué)體系

同學(xué)們?cè)趧偨佑|有限元與計(jì)算方法這門課程時(shí)，會(huì)感覺(jué)數(shù)值計(jì)算方法、彈性力學(xué)和有限元方法的基本原理和方法等理論知識(shí)內(nèi)容太多，難以理解，不易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，容易產(chǎn)生迎難而退的情緒。本課題立足于學(xué)生的專業(yè)背景，以依據(jù)工程實(shí)際問(wèn)題提煉出的項(xiàng)目為載體，選取簡(jiǎn)單的案例來(lái)支撐項(xiàng)目中所包含的知識(shí)點(diǎn)，將每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為一個(gè)具體內(nèi)容，并通過(guò)項(xiàng)目將知識(shí)點(diǎn)串起來(lái)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)的有機(jī)整合。教學(xué)中，采取先案例后項(xiàng)目的教學(xué)，從簡(jiǎn)至難，實(shí)現(xiàn)層次化、階段性、遞進(jìn)性推進(jìn)，使學(xué)生能夠快速入門，提高學(xué)習(xí)積極性，拓寬解決實(shí)際工程問(wèn)題的思路，提高解決問(wèn)題的能力。以項(xiàng)目為載體，構(gòu)建的課程體系如圖1所示。

圖1 以項(xiàng)目為載體的課程體系

項(xiàng)目和案例的選取和設(shè)置是整個(gè)課程體系的關(guān)鍵，既要考慮教學(xué)知識(shí)點(diǎn)的融合和嵌入，難度的層層遞進(jìn)，又要立足于學(xué)生的專業(yè)知識(shí)背景。

案例是知識(shí)點(diǎn)的簡(jiǎn)單應(yīng)用，主要是引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)課程所包含的各知識(shí)點(diǎn)，理解和掌握基本原理和方法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。例如：在上機(jī)實(shí)踐教學(xué)中，對(duì)應(yīng)于梁?jiǎn)卧膶W(xué)習(xí)，結(jié)合材料力學(xué)中的內(nèi)容，設(shè)計(jì)承受拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲變形的單個(gè)細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的案例，通過(guò)確定仿真方案、分析和計(jì)算，讓學(xué)生掌握有限元模型基本構(gòu)建和參數(shù)設(shè)置的技巧和方法（如單元類型的選擇、屬性的設(shè)置等），掌握實(shí)際工程問(wèn)題的分析步驟，查看和整理分析結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步驗(yàn)證理論知識(shí)點(diǎn)。

與案例的設(shè)置不同，項(xiàng)目設(shè)置的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題所需的各種能力，因此在項(xiàng)目教學(xué)過(guò)程中，要明確學(xué)生應(yīng)獲得相關(guān)知識(shí)和達(dá)到預(yù)期能力水平，每個(gè)項(xiàng)目都是課程中多個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間的有機(jī)整合，而不是知識(shí)點(diǎn)的簡(jiǎn)單疊加和羅列，通過(guò)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生的CDlO思維能力。例如：上機(jī)教學(xué)中，在各種類型單元案例教學(xué)的基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)生的專業(yè)知識(shí)，設(shè)計(jì)多桿組成的桁架結(jié)構(gòu)、組合梁及包含桿、梁、實(shí)體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)等項(xiàng)目對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行整合。本課程中基于學(xué)生的專業(yè)知識(shí)背景，設(shè)計(jì)了連接桿、玉米收獲機(jī)機(jī)架、汽車變速箱殼體、施藥機(jī)噴桿鉸鏈連接結(jié)構(gòu)、葉輪泵體結(jié)構(gòu)特性分析等項(xiàng)目。將項(xiàng)目、知識(shí)獲取和能力培養(yǎng)三者有機(jī)的結(jié)合起來(lái)的課程體系，可以實(shí)現(xiàn)課程中所有知識(shí)點(diǎn)的相互嵌合，激發(fā)學(xué)生參與學(xué)習(xí)的興趣與熱情，培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，學(xué)生通過(guò)完成項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)知識(shí)掌握、能力培養(yǎng)、素質(zhì)提升的全面發(fā)展。

（二） 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的課程教學(xué)的實(shí)施

1優(yōu)化教學(xué)方法

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的有限元與計(jì)算方法課程教學(xué)實(shí)施中，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，需要給學(xué)生更多的自主學(xué)習(xí)和討論的時(shí)間，為此，在教學(xué)中采用了線上線下的混合教學(xué)模式。線上教學(xué)，主要以超星學(xué)習(xí)通線上學(xué)習(xí)平臺(tái)為依托進(jìn)行。針對(duì)一些基礎(chǔ)的、難度系數(shù)較低、同學(xué)易理解和掌握的知識(shí)點(diǎn)，教師制作相應(yīng)教學(xué)視頻，同學(xué)們?cè)诰€上自主完成知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，通過(guò)線上學(xué)習(xí)平臺(tái)的討論、群聊、搶答、在線答疑等方式，進(jìn)行師生互動(dòng)。線下教學(xué)活動(dòng)主要分為兩方面，一方面，老師通過(guò)學(xué)習(xí)通的教學(xué)平臺(tái)了解學(xué)生自主學(xué)習(xí)情況，然后對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行有針對(duì)性的引導(dǎo)。另一方面，教師主要是以線下教學(xué)形式，指導(dǎo)學(xué)生完成案例和項(xiàng)目的學(xué)習(xí)和分析，包括知識(shí)點(diǎn)講解、小組討論、學(xué)生匯報(bào)、教師指導(dǎo)和點(diǎn)評(píng)等環(huán)節(jié)。

2教學(xué)過(guò)程實(shí)施

有限元與計(jì)算方法課程為32課時(shí)。線上自主學(xué)習(xí)分配10課時(shí)，主要進(jìn)行基礎(chǔ)的理論知識(shí)點(diǎn)的講解和梳理；線下教學(xué)分配22學(xué)時(shí)，主要進(jìn)行疑難知識(shí)點(diǎn)的解答，引導(dǎo)同學(xué)們完成案例和項(xiàng)目的實(shí)施。線上課程和線下課程穿插進(jìn)行。項(xiàng)目化教學(xué)流程如圖2所示，課程開(kāi)始前，先對(duì)班級(jí)同學(xué)進(jìn)行小組的劃分，每組3～5名學(xué)生，推選出組長(zhǎng)一名。第一階段，主要是學(xué)習(xí)和梳理課程各知識(shí)點(diǎn)。每位同學(xué)通過(guò)學(xué)習(xí)通平臺(tái)領(lǐng)取教師發(fā)布的教學(xué)任務(wù)，同組同學(xué)可以自己確定線上學(xué)習(xí)的地點(diǎn)和形式，可以各自學(xué)習(xí)，也可以同組成員一起學(xué)習(xí)教學(xué)視頻，完成與知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的案例分析計(jì)算的討論，同時(shí)，配合線下課程，教師對(duì)各小組同學(xué)的課程學(xué)習(xí)進(jìn)行指導(dǎo)和答疑，最后，每位同學(xué)通過(guò)教學(xué)平臺(tái)提交案例分析計(jì)算的報(bào)告。在同學(xué)們掌握所有知識(shí)點(diǎn)，完成全部案例的學(xué)習(xí)后，展開(kāi)第二階段的學(xué)習(xí)。教師在教學(xué)平臺(tái)發(fā)布需要完成的6個(gè)項(xiàng)目（連接桿；玉米收獲機(jī)機(jī)架；汽車變速箱殼體，施藥機(jī)噴桿鉸鏈連接結(jié)構(gòu)；葉輪泵體結(jié)構(gòu)），各小組成員根據(jù)自己組員的能力和興趣，領(lǐng)取1個(gè)項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目最多只能兩個(gè)小組領(lǐng)取，這樣可以保證在一個(gè)教學(xué)班里，每個(gè)項(xiàng)目同時(shí)有兩個(gè)小組進(jìn)行，便于后期完成同項(xiàng)目的小組之間進(jìn)行討論、對(duì)比和深入學(xué)習(xí)，也利于不同項(xiàng)目小組之間知識(shí)的拓展和橫向?qū)W習(xí)。每個(gè)項(xiàng)目需要完成的任務(wù)分別包含初級(jí)、中級(jí)和高級(jí)三個(gè)層次，難度有一定的梯度，其中完成初級(jí)任務(wù)所含知識(shí)點(diǎn)不超出第一階段所掌握的知識(shí)點(diǎn)的范圍，知識(shí)點(diǎn)之間嵌合比較少；中級(jí)任務(wù)主要是增加了知識(shí)點(diǎn)之間的融合；高級(jí)任務(wù)則需要同學(xué)學(xué)習(xí)和了解本專業(yè)其他課程的部分內(nèi)容（例如結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，動(dòng)態(tài)特性分析等）。項(xiàng)目下發(fā)后，各小組組長(zhǎng)召集組員展開(kāi)討論，細(xì)化任務(wù)分配，并確定項(xiàng)目的時(shí)間安排。教師安排一次線下教學(xué)，組織各小組之間開(kāi)展討論，鼓勵(lì)同學(xué)們既要集思廣益，又要大膽質(zhì)疑，這樣既充分調(diào)動(dòng)組員參與項(xiàng)目的積極性，也鍛煉了學(xué)生的工程能力 、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。在討論的過(guò)程中，教師引導(dǎo)學(xué)生確定各小組項(xiàng)目實(shí)施的方案。項(xiàng)目完成后，為體現(xiàn)考核的公平性，采取課上答辯的形式，各小組講解項(xiàng)目完成過(guò)程，介紹項(xiàng)目的分析計(jì)算方案，展示項(xiàng)目最終完成的結(jié)果，接受教師和其他同學(xué)的質(zhì)疑，并完善項(xiàng)目報(bào)告。

圖2 項(xiàng)目化教學(xué)實(shí)施流程

3完善考核標(biāo)準(zhǔn)

為了保證學(xué)生取得良好的學(xué)習(xí)效果，需要構(gòu)建與CDIO理念下項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的有限元與計(jì)算方法課程教學(xué)相適應(yīng)的多元化評(píng)價(jià)體系。對(duì)學(xué)生的考核不能只看案例和項(xiàng)目完成的結(jié)果，課程考核還應(yīng)包括學(xué)生在線學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)（在線觀看視頻、線上提交的作業(yè)等）；項(xiàng)目實(shí)施的過(guò)程評(píng)價(jià)及項(xiàng)目答辯中的表現(xiàn)幾方面。項(xiàng)目檢查主要考核學(xué)生分析問(wèn)題、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行能力，答辯主要考核學(xué)生口頭表達(dá)和團(tuán)隊(duì)合作能力。由于在整個(gè)教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，在案例和項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中，需要學(xué)生之間的協(xié)同合作，因此，在教師評(píng)價(jià)的同時(shí)，小組之間以及小組中成員之間也應(yīng)進(jìn)行互評(píng)，這樣多元化的評(píng)價(jià)體系不僅有助于教師及時(shí)發(fā)現(xiàn)教學(xué)過(guò)程中的不足，后續(xù)教學(xué)做出教學(xué)調(diào)整，同時(shí)可以激發(fā)學(xué)生的求知欲，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力。

四 結(jié)語(yǔ)

CDIO教育理念強(qiáng)調(diào)以項(xiàng)目作為導(dǎo)向，注重做中學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。本項(xiàng)目針對(duì)有限元與計(jì)算方法課程傳統(tǒng)教學(xué)中存在的重理論輕實(shí)踐、重視個(gè)人能力忽視團(tuán)隊(duì)協(xié)作的問(wèn)題，基于CDIO工程教育理念，立足于學(xué)生的專業(yè)背景，以依據(jù)工程實(shí)際問(wèn)題提煉出的項(xiàng)目為載體，重新構(gòu)建了課程教學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)的有機(jī)整合，并采用注重過(guò)程化評(píng)價(jià)的多元評(píng)價(jià)體系對(duì)學(xué)生的能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。通過(guò)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)實(shí)踐效果及學(xué)生的反饋來(lái)看，極大提升了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力、分析解決問(wèn)題的能力以及學(xué)生的工程素質(zhì)。