“有限元法与软件应用”精品课程立体化教学研究与实践

尹飞鸿，刘春节，何亚峰

(常州工学院机电工程学院，江苏 常州 213002)

0 引言

“有限元法与软件应用”是一门理论联系实际的应用型课程，课程最终目标是要求学生借助有限元软件运用有限元的基本原理和方法解决工程实际问题，它是机械设计制造及其自动化、材料成型及控制工程等相关工科专业的一门专业理论基础课，它由有限元的基本原理、有限元软件和工程应用三大模块组成。针对“有限元法与软件应用”课程特点，课程组在教学过程中注重对课程内容的有机整合，强化工程实践、应用和创新能力的培养，确立了以项目设计为导向，以工程能力培养为课程的培养目标。

传统的教学方法过于重视知识的传授，而忽视了给予学生自主学习与探究的机会，忽略了工程实践能力的培养。为了更好地适应面向工程应用的创造性产品设计人才培养的要求，培养具有系统思维、统筹兼顾的创新型复合人才，在“有限元法与软件应用”精品课程的建设中，对该课程进行了立体化教学模式研究与探索。［1］

1 立体化教学支持体系的构建

立体化教学是利用现代的教学资源和手段，通过科学整合和系统开发而构建的突破时空界限的全方位、多层次、系统的教学方式，它形成了数字和现实的教学与学习环境。［2］

新的教学模式的创建，首先要有完善的教学支持作为服务支撑。基于“有限元法与软件应用”课程性质及人才培养要求，课程组在长期教学实践经验总结的基础上，编著出版了《有限元法基本原理及应用》教材，设计了MOOC(大规模开放式网络课程，Massive Open Online Courses)网络教学系统、“有限元法与软件应用”课程考试系统和课程网站，对课程的教学资源和教学内容的组织形式、教学空间等进行了全方位、多角度的整体设计，形成了以教师为主导，学生为主体，工程能力培养为主线的教学模式，从而激发了学生的学习兴趣和欲望，培养了学生综合运用有限元法的基本知识和基本理论解决复杂工程实际问题的能力。其立体化教学模式的支持体系如图1所示。

图1 立体化教学模式的支持体系

该支持体系的核心是学生，服务体系建立的指导思想是“一切为了学生”。教师的职责是针对学习内容中的难点、疑点、关键点进行传授和讲解，与学生的交流主要通过面授辅导、网上实时答疑、E-mail、电话等方式，建立支持体系的重点在于教师角色的转换。

2 立体化教学资源与平台的建设

2.1 教材建设

2009年课程组向学校申报了《有限元法基本原理及应用》教材建设项目，2010年该教材由高等教育出版社出版，并获全国教育科学“十一五”规划课题研究成果。本教材编写内容分为有限元法基本原理、有限元法软件应用和典型工程实例三部分，以“讲清基本原理、理论联系实际、学以致用”为基本编写思路，在讲清原理的基础上，通过典型的工程实例让学生达到学以致用的目的，教材的应用性和实践性鲜明。在结构体系上，按照有限元法的内在逻辑规律组织章节;在内容上，基于有限元的基本理论与方法，融合具体的工程实例;在技术上，将工程实际案例应用于教学实践，遵循教学规律，以有限元技术的应用能力培养为主线，以加强工程实践能力的训练为目的，形成了贴近工程实际的教学理念;在写作上，基于我国制造业背景，典型工程实例部分以案例引导各章的内容。《有限元法基本原理及应用》教材的内容体系结构如图2所示。［3］

图2《有限元法基本原理及应用》教材体系结构

由图2可见，该教材在模块设计上，将有限元基本原理、有限元软件和有限元工程应用三部分内容融为一体，各模块间横向关联、纵向递进，螺旋式上升，有利于促进学生工程素养的综合提升。在体系上三个模块既相互独立又密不可分，前者是后者的基础，后者又是前者的推进，三者形成一个统一的整体，其最终目标是解决工程实际问题。教材形成了如下几个方面的结合:理论性与实用性相结合;科学研究与工程技术相结合;系统性与独立性相结合;讲授与自学相结合。

2.2 课程网站建设

课程网站建设已成为高校教学质量与教学改革工程的重要组成部分，是实现学生自主学习、教学互动和学习交流的重要平台，对于激发学生的学习兴趣和提高教学质量具有十分重要的意义。［4］

有限元法与软件应用精品课程网站的主要功能有:①展示课程信息及其有关内容;②辅助教与学;③企业工程项目服务。展示的主要内容为课程介绍、教学团队、教学内容、教学资源与条件、教学效果与成果、课程规划等信息，为学生、课程教师提供相关信息;在辅助教与学方面，主要向学生提供丰富的学习参考资源，如教学大纲、典型习题详解、典型工程实例等教学参考资料，同时通过留言板形式进行网上答疑，实现教学互动、网上指导，以吸引广大学生踊跃参与，最终成为学生自主学习、培养创新能力和工程实践能力的主阵地;企业工程项目服务部分主要展示课程教师历年完成的与该课程相关的科研项目情况，一方面为学生提供学习参考，另一方面向企业展示教学队伍的工程实践能力，以吸引更多的企业提供校企合作项目。其网站结构如图3所示。

图3 “有限元法与软件应用”精品课程网站结构示例

2.3 MOOC教学模式的平台建设

MOOC作为一种网络远程教学模式，再现了课程学习的全过程，与传统课程教学类似，教师需要布置作业和批改作业、进行测验与考试、师生交互、为学生答疑解惑，学生必须进行学习、完成作业、参加考试并取得成绩。但是MOOC教学学生可以在线与其他学习者进行讨论、分享观点、互评作业等。［5-6］课程组在保留传统课堂教学学生体验感强、互动性好等优势的基础上，结合MOOC教学模式中学生之间分享学习和学生交互学习等优点，构建了如图4所示的MOOC教学模式下的“有限元法与软件应用”课程学生学习阶段示例图。通过教学实践，学生普遍反映该教学平台能够更好地促进课程的学习。

2.4 考试系统建设

图4 MOOC教学模式学生学习阶段示例图

由于传统课程考试方式为纸质考试，存在考前命题、考场安排、试卷制作、监考和人工阅卷等环节，因此，工作量大且工作效率低。为了客观公正地评定课程实施效果，“有限元法与软件应用”课程教学团队创建了如图5所示的课程考试系统，该系统主要用于试题管理、试卷生成、在线考试、试卷分析和试题优化，同时还具有学生自我练习和自我测试功能。通过实践表明:该系统实现了由人工命题到计算机随机命题的转变，教考分离，提高了工作效率，对教学效果也起到了信息反馈作用，该考试系统对于推进课程建设具有重要的现实意义，对于其他同类课程建设也具有较好的借鉴作用。［7］

图5 “有限元法与软件应用”课程考试系统操作流程

3 结语

“有限元法与软件应用”精品课程立体化教学改革成果体现了科学性、艺术性和技术性之间的统一。它充分利用各种有利条件和有效资源，以及先进的教学理念、教学方法和教学手段，突破了传统的教学与考核方式，呈现了一种崭新的教学形式，然而如何进一步推动该课程的建设，形成满足工程类应用型人才培养所需的稳定的课程建设成果，激发学生学习的兴趣，增强学生运用软件的技能和解决工程实际问题的能力，是专业教师值得深思的问题，还需要进行“教”与“学”实效性的理论与实践研究。

［1］刘媛华，严广乐.系统工程课程立体化教学的改革与实践［J］.上海理工大学学报，2012，34(4):325-328.

［2］宋云娴，韩凡石，吴军，等.立体化教学资源模型构建［J］.电气电子教学学报，2005，27(2):100-103.

［3］尹飞鸿.有限元基本原理及应用［M］.北京:高等教育出版社，2010.

［4］张建民，王文凯，李传仁，等.普通昆虫学课程网站建设的思考与探索［J］.长江大学学报，2011，8(10):265-269.

［5］周丽涛，刘越，彭立宏，等.探索MOOC在计算机实践教学中的应用［J］.计算机工程与科学，2014，36(A1):118-121.

［6］池雅庆，宋睿强，李振涛.探索MOOC对计算机课程教学的影响［J］.计算机工程与科学，2014，36(A1):164-168.

［7］尹飞鸿，常睿，何亚峰，等.“有限元法与软件应用”课程考试系统设计［J］.常州工学院学报，2013，26(5):85-88.