基于信息技术的专业课程教学模式多元化实践*

李书

北京航空航天大学航空科学与工程学院 北京 100191

“工欲善其事，必先利其器”，以计算机技术、网络通信技术为主导的现代信息技术广泛应用于教学，极大地提升了教学装备的技术水平，信息技术的不断发展悄然改变着教学信息的传递方式。北京航空航天大学飞行器设计学科具有很强的航空航天工程背景，其中结构设计是本学科的重要研究方向之一，因此本学科课程体系中结构类的课程较多。

众所周知，飞行器结构系统十分复杂，零部件数以万计，此类课程在传统课堂教学中主要依靠语言、手势、挂图等方式进行讲授。这种情况下要把飞行器结构设计问题讲解得非常清楚和透彻，对教师而言是一个很大的挑战。信息时代教师与技术相互作用的关系是一个值得深入研究的问题[1]，需要在教学实践中不断摸索，进而深化认识。

结构优化设计课程作为飞行器设计专业研究生的平台课，具有面向工程实际的性质，教学中利用计算机多媒体等技术，极大地丰富了课堂信息量，轻松地将飞行器结构全方位具体生动地展现在学生眼前，可从不同角度观察结构细节部位，有助于学生感受到飞行器结构的直观形象，增进对飞行器结构的了解，提高教学效率。结构优化设计课程中既有深奥的数学理论，也有抽象的优化问题，还有复杂计算方法。一直努力探索利用现代信息技术改进教学方式，促进学生对知识的理解。

1 信息技术融入结构优化设计课程教学的出发点

1.1 为结构优化理论的发展创造条件

结构优化设计课程的知识体系不断发展，相继产生一系列新的理论和方法，如遗传算法、拓扑优化理论及方法、多学科设计优化理论及方法等。其中对多学科设计优化理论及方法有不同的理解。美国国家航空航天局（NASA）兰利（Langley）研究中心认为这是一种用于设计复杂系统工程和子系统的方法论。这是目前最具代表性的观点。由于理论复杂，而且计算量大，需要搭建分布式计算平台，利用分布式计算机网络技术将位于不同计算机上的各个学科资源（分析模型）进行集成，这是多学科设计优化问题的关键技术之一。不难看出，现代信息技术为解决多学科设计优化问题奠定技术基础。

1.2 适应飞行器设计的技术进步

图纸是飞机设计和制造的重要文件。传统飞机的生产方式是先设计图纸，然后按图纸制造飞机。一架飞机纸质的图纸数量极大，给设计人员带来很大工作量。信息技术的发展催生出无图设计与无图制造技术，实现设计/制造一体化。波音公司最早使用该项技术应用于波音777双发宽体客机研制，在提高质量、降低成本、缩短周期等方面都表现出很大的优势。北京航空航天大学飞行器设计专业肩负着为国家培养飞行器设计工程师的重任，实践“德才兼备、知行合一”的校训，是北航师生的行为和准则。“知行合一”的内涵就是善于学习，勇于实践，敢于创新，理论与实践相结合，运用所学知识解决现实问题。因此，教学过程中在利用信息技术增强教学效果的同时，还引导学生紧跟飞行器设计技术的发展步伐，运用信息技术解决航空航天工程实际问题，做到学以致用。

1.3 改善课堂教学效果

结构优化设计课程中线性规划和非线性规划等数学理论比重大，拓扑优化方法、多学科设计优化方法等内容抽象、复杂且难度大。信息技术教学具有图文并茂、表现力强的特点，灵活运用信息技术能够完成很多在传统方法教学中难以做到的事情，如丰富多彩的画面、动态过程展示和再现，有助于提高教学内容对学生的吸引力，在某种程度上也有助于起到化抽象为具体、化复杂为简单、化困难为容易的作用，达到良好的教学效果，对提高学生学习兴趣和能力很有益处。

2 不同教学模式的设计

2.1 教学模式策划

教学模式应与教学内容相适应。结构优化设计课程理论性和实践性都很强，结合本课程中的理论知识和基本方法的特点，精心设计3种教学模式。课程主要采用讲授教学法，另外两种教学模式设计成两个教学环节，分别是研究型教学环节和案例教学环节。教学环节设计主要考虑两方面因素：1）运用的知识必须以结构优化设计理论为主；2）问题的凝练必须紧密结合飞行器结构设计的实际。教学模式策划的立足点是兼顾学生的主体作用和教师的主导作用，既重视知识传授又重视能力培养。在现有教学模式基础上，利用信息技术集声像字画动态显示的功能，达到形象生动的良好教学效果，同时培养学生利用信息技术解决航空航天工程结构设计问题的能力。

2.2 课堂讲授模式

讲授法仍是高校教学的主导方式。有资料显示，美国高校教师采用讲授法的比例高达83%[2]。理工类高校课程大部分内容的理论性和逻辑性比较强，突出基本概念，需要进行严密的公式推导，还有学时的限制，采用以讲授法为主的模式，教师起主导作用。由于有经验的教师对本课程学习的重点内容的把握准确，难点内容的突破针对性强，能够使学生在规定的学时内掌握系统扎实的专门知识。课堂中教师和学生之间通过提问及讨论，也可以进行有效的互动。同时，讲授法传递教学信息的方式符合我国学生长期形成的学习特点和习惯。

传统讲授法中融入现代信息技术是历史发展的必然趋势，关键是处理好两者之间的关系。有时候过多地利用多媒体技术可能事与愿违。如本应该是严密逻辑推理过程，若一定要突出多媒体的感官刺激作用，使课堂气氛有娱乐化倾向，造成喧宾夺主的局面，不利于学生逻辑思维能力的培养。另外，在讲授过程中，教师严密的逻辑推理、严谨的教学态度对学生潜移默化的影响也不可低估。

2.3 研究型教学模式

拓扑学属于几何学的范畴，但与人们熟悉的传统欧氏几何学相去甚远，它将图形抽象成与其大小、形状无关的点，因此不关心图形变换后的大小、长短、形状等问题。由于人们的几何概念一般是建立在欧氏空间基础上，通常会认为拓扑性质具有高度抽象性。结构优化设计课程中的结构拓扑优化是将结构优化问题转化为材料分布最优的问题，与尺寸优化和形状优化相比，拓扑优化方法大大拓展设计空间，设计品质更好，在结构优化方法中公认为最具发展潜力。在教学过程中通过引入“拓扑优化方法应用”研究型教学环节，主要考虑拓扑概念比较抽象、学术性强。拓扑优化方法在航空航天结构设计中也有成功的应用经验。研究型教学环节中学生可以掌握所学知识，亲身体验研究过程，充分体现以问题为导向、以学生为主体的教学理念。

2.4 案例教学模式

结构优化设计课程中本身不仅包含许多概念、原理、方法和模型，而且有些内容还具有很强的实践性，如多学科设计优化。多学科设计优化本质上是一体化设计观念，现作为一种新的优化设计思想用于解决复杂、大型系统的集成优化问题。多学科设计优化理论和方法单靠课堂讲授，难以与实际问题建立联系，使得学生对该方法的重要性、难点等缺乏深刻认识。案例教学法强调教学中由“个”到“类”再到“规律性认识”，最终“获得有关世界和生活的经验”[3]。在教学实践中通过引入源于工程实际的案例，使多学科设计优化实践性特征真实具体地展现在学生面前，学生不仅对相关理论知识有了感性的认识，而且对知识的理解和应用有了最直接的体会。

3 基于信息技术的教学模式多元化实践

3.1 基于多媒体的课堂教学

大学课堂“粉笔+黑板”时代已经过去，多媒体教学方式已经成为常态，其直观、形象、生动的特点，便于学生理解和接受。以结构优化设计课程为例，结构优化设计是一个动态过程，也就是设计——分析——修改不断迭代的过程，学生学习时经常感觉内容单调、枯燥，影响学习效果。多媒体可以很方便地将结构优化设计的动态过程直观地展现出来，其效果是很难用常规教学方法达到的。作为专业课教学内容应反映本学科的前沿，不断吸收本学科的最新研究成果，现代信息技术可以轻而易举地完成这样的工作。

3.2 基于工程软件的研究型教学

在结构优化设计课程的“拓扑优化方法应用”研究型教学环节中，选用两类软件：一类是工程教育软件，另一类是工程商用软件。工程教育软件（MATLAB语言编写）主要是帮助学生熟悉和理解拓扑优化模型，了解结构拓扑优化中存在的数值不稳定问题等。Altair公司的优化软件产品OptiStruct具有较强的拓扑优化功能，在波音787飞机和空客A380两个项目中得到成功应用。在研究型教学环节要求学生应用OptiStruct软件的拓扑优化功能去解决航空结构设计实际问题。

3.3 基于网络技术的案例教学

案例教学中，选择某型直升机多学科设计优化问题作为案例。飞行器设计涉及空气动力学、发动机、结构力学、性能等若干学科，每个学科有自己的理论和方法。在传统飞行器设计过程中，各学科独立工作，相互之间缺乏联系，仿佛是一个个的“学科孤岛”。飞行器多学科设计优化充分考虑各个学科之间的相互耦合关系，依托分布式计算机网络技术实现各学科之间的通讯，把分散的各学科模型集成起来，实现各学科资源共享，消除“学科孤岛”问题。

4 结束语

回顾教育装备和教学手段的进步，从一个侧面反映出现代信息技术发展速度远远超乎人们的想象。将信息技术融入教学活动，并与传统教学方式有机结合，使教学效果最优在教育界已形成普遍共识。结构优化设计专业课程的教学实践表明，不同的教学模式在教学过程中的效果是不同的，应充分发挥各种教学模式的作用。使用中要根据教学内容的性质，注意多元化教学模式的应用，使教学效果达到最佳。基于信息技术的多元化教学模式，导致教学组织方式和评价方式都会发生一系列变化，教师在教学管理方面的能动性和创造性是多元化教学模式成功的重要保证。

[1]李美凤.广义技术视野下的教师发展研究[D].南京：南京师范大学,2008.

[2]赵韩强,赵树凯,余沛明.浅谈研究型大学的研究型教学模式[J].高等理科教育,2007(3)：101-104.

[3]王璐,马爱莲.范例教学理论的科学性及其时代观照[J].教育与教学研究,2010(2)：51-53.