线上线下混合激励策略探索与实践——以有限元分析课程为例

唐伟，叶雨康，梁潮淋，叶际英，顾立志

（1.韶关学院 智能工程学院，广东 韶关 512000；2.泉州信息工程学院 机械与电气工程学院，福建 泉州 362000）

1 有限元分析课程教学改革背景

有限元分析课程是机械工程专业的一门重要的专业基础课，基本任务是有限元法的基本原理及其应用，要求学生理解有限元分析的基本原理，掌握ANSYS软件的工程实践应用。有限元方法广泛应用于机械、汽车、航空、航天等行业，为各行业产品设计、制造和改进提供了重要的理论依据，但有限元方法涉及众多理论（泛函理论、材料力学、弹性力学、流体力学、断裂力学等）交叉融合，导致该方法理论深刻、推导复杂、方法抽象，对于普通的学生而言，难以轻易掌握有限元方法的本质和精髓[1]。

由于缺乏对有限元方法及应用案例的了解，学生学习有限元的兴趣没有被激发起来，且学生学习偏重软件计算，缺少对有限元理论深层次理解，导致计算时单元选择和网格划分参数选择存在主观性，计算结果分析方法欠缺，计算正确性缺乏实验验证。因而对计算结果的正确性无法把握，进而无法准确掌握有限元分析方法及应用。

将新的教学理念、新的教学方法手段综合运用于有限元法分析课程教学实践中，探索适合课程特点的教学模式，对一般课程教学也可提供有益借鉴。

2 有限元分析课程专业现状分析

由于本科专业教学激励不足的现状，以及有限元分析课程线上与线下教学结合不足，存在学生学习主动性差、理论知识掌握不牢靠、案例引导少、工程实践能力不足等诸多问题。

唐保庆等[2]针对当前在校大学生重理论、轻实践的现状，通过问卷调查的方式收集了大量学生样本，运用计量分析方法开展实证研究，证明了教师通过教学激励措施对大学生的学业成绩进行积极的干预有助于缓解此现状。张红宇[3]针对当前网络教学环境中教师与学生无法面对面进行教学激励的问题，借助网络教学的理念和网络教学中所应用的技术，探讨了网络社会行为理论对网络教学环境中教学激励方式的影响，明确了教学激励在新的网络教学环境中的作用。杜洪艳[4]针对教学激励与响应的影响因素进行了充分分析，论述了创新意识的培养及创新思维训练离不开开发内化教学模式，根据教育学及教育心理学的原理找到了加强教学激励与响应的有效途径，提高了创新意识的培养及创新思维的训练的可行性。周彩荣[5]针对职业类院校学生学习的积极性、主动性差的问题，对在职业院校构建激励策略的要素、全方位激励模式等进行了探索与实践，提出了目标激励、自主管理激励、反复纠正错误激励、互助激励4种模式，有效地提高了学生学习的积极性、主动性和创造性。张园等[6]针对目前图学课程及竞赛的现状，研究了在竞赛激励下对图学课程进行一体化教学，提出了竞赛激励下的图学课程项目驱动一体化对促进教学工作、提高教学质量有较大的作用和意义。冯晓江[7]认为教学中必须充分尊重学生的主体地位，研究了多种教学激励方式，如目标激励、情感激励等，帮助学生形成持续的学习动力，最大限度提高了教学的效率和质量。韦韫等[8]针对有限元分析在机械制造装备课程进行分析，结合实际工程案例对教学内容及方式进行了改革和实践，提高了机械专业学生的计算机应用分析及解决工程实践问题的能力。刁航等[9]以竞赛中的考题为例，运用有限元分析软件进行建模、受荷分析并进行优化结构，展现了有限元分析软件在结构设计竞赛中的重要作用。张芳[10]针对现有在线教学互动性不强的问题，研究出基于激励的在线教学互动策略，提高了学生的学习积极性。李正良等[11]提出了构建系统有效的本科教学激励体系是调动广大教师积极投入本科教学工作的动力和保障，基于需求层次理论构建了5个层次、自下而上的高校本科教学激励体系，制定了相应的实施策略和方案。曾洁等[12]从以“学”为中心的价值取向和学术性的行动准则出发，提出了教师应从“知识传授型”等向“教学学术型”转变，构建了一个以“教学学术”为导向、注重满足教师成就感与自我实现等高级需要、内外部合力驱动的激励策略。魏冠风等[13]分析了教学科研人员现有激励制度的效果，发现在学校所实施的激励制度中，职称晋升制度优于报酬制度，科研奖励制度优于教学奖励制度；职称越高、年龄越大，内在激励机制的激励效果越强，外在激励机制的激励效果越弱的现象，对完善教学科研人员激励机制提出了建议。林麟[14]分析了教师从事教育教学研究的积极性不高和教育教学研究成果对教育教学改革和实践的指导乏力的现象，分析了造成这一结果的重要原因之一是高校尚缺乏一种科学有效的机制，从激励机制设计的基本理论出发，设计了高校教育教学研究的激励机制。李致富[15]运用文献资料、访谈、观察等研究方法,对影响我国体育教育的教师、教练员、学生3个主要因素进行深层次的探讨,从制度约束与激励视角,提出建立校内运动员审批制度、教师跟训与教练员跟学制度,建立教师业务评价制度,并纳入教练员年度考核标准,形成了学生、教师、教练员三位一体的激励制度等对策。以上研究主要集中网络教学激励、竞赛激励、目标激励的某一方面，缺乏激励系统的理论基础和各种激励方法的有机融合。

因此，亟须建立适用一般课程教学激励策略，激励学生在有限时间内深入了解有限元分析的内涵，指导学生在有限课时内掌握课程的基本原理与方法，以案例和实践引导课程教学，化繁为简，由难变易，深入浅出，解决工程实际问题，培养学生创新能力，提高学生的学习主观能动性，养成独立思考的习惯，构建“兴趣激发→独立学习→团队交流→探索未知→研究事物本质规律应用创新”的学习机制。

3 有限元分析课程混合激励策略全域设计

针对学生学习有限元分析课程积极性差、理解浅显问题，以马斯洛需求层次论为基础，提出有限元分析课程线上线下教学激励一体化机制。如图1所示，人类需求由低等级向高等级发展。对于学生来说，5种要求主要体现为经济需求、心理与生理安全需求、集体社交需求、情感需求、考研和毕业工作需求，并最终都体现为学生的成长利益。这也是本激励策略的出发点和归宿。

图1 马斯洛需求层次

为满足课程激励需求，激发学生有限元课程兴趣和培养学生有限元方法学习热情，提高学生对有限元分析的深层次理解，培养应用有限元方法解决工程应用问题的创新型人才，提出4种激励方法：1）先进教学方式激励法。以学生实际情况为依据，融合探究法、项目法、案例法和对分法等教学方法，以变化性、新颖性的教学方法吸引学生注意力，唤醒学生变化发展意识，有针对性且科学高效地激励学生自主学习。2）情感激励法。进行学情调查，关爱学生成长，了解学生的心理状态和学习基础，解决学生遇到的生活和学习问题，形成目标激励和及时奖励。3）经济激励法。建立除各类奖助学金、勤工助学岗位之外的纵向和横向教科研项目经费申请指导，对学生所做的项目花费进行有力支持，并对优秀项目给予奖励，增加学生经济来源，同时增加暑期企业实践，拓宽经济来源。4）科技激励法。引导学生了解和关注科技前沿，聘请专家对学生的问题及时答疑解惑，鼓励学生勇于探索科技问题。

3.1 课程具体实施方法

3.1.1 线上激励实施方案

1）通过查找网上有限元方法在各行各业的应用实例视频，如飞机叶轮、发动机热力学等有限元分析视频，引发学生学习有限元方法的兴趣，通过学习网络有限元方法的操作视频，掌握操作的基本原理和过程，构成现金教学方式激励的重要组成部分。

2）建立微信群、QQ群和公众号等，及时发布科技前沿信息，通过科技激励法共同探讨学术前沿和学科发展趋势，如：介绍为了克服有限元法在求解无界域问题时的不足，而提出的无限元法。同时进行课程安排和答疑解惑，形成线上情感激励的重要实施方式。

3.1.2 线下激励实施方案

1）调研学生学习基础和所遇问题，提前帮助学生解决经济、学习等各类困难，形成线下情感激励。

2）进行深入浅出的课堂原理讲解和案例讨论，采用沉浸式和启发式等先进教学方法激励学生打下坚实的理论基础，并掌握有限元分析使用过程和方法，如讲授ANSYS网格划分时，结合三维支架网格划分实例展示不同单元类型、不同单元数量、不同单元划分工具等不同参数带来的变化，这样能使学生在接受理论学习后获得对理论更深层次的理解。

3）学以致用，通过布置实例进行上机练习，采用不同参数进行分析，如分别给予学生不同单元数量、不同网格划分方法等不同参数，通过亲身体验享受学习的乐趣，形成享受体验的先进教学方式激励。

4）通过制作实物和测试分析，对比实验结果和有限元分析结果，获得正确的有限元分析方法，创新设计分析多种原创作品，申请各项项目经费，形成切实可行的经济和科技激励，为学科竞赛、毕业论文、科研项目等打下坚实基础。同时形成教学激励闭环反馈模式，如学生在学习课程后有创新想法后，在老师的帮助下申请项目经费，在完成科研项目的同时完成新型实用专利，形成了教学激励闭环。

3.1.3 线上线下互检反馈机制

以学生成长利益的提高为效果检验准则，线上的科技激励、情感激励效果一定程度上反馈到线下教学和实践活动中，将线上问题和不足在线下进行解决和强化，并及时改进线上内容和方法，反之亦然。这样形成一个线上线下互反馈机制。让学生成长利益螺旋上升。

3.2 教材选用

选用“十三五”普通高等教育规划教材《有限元分析及ANSYS18.0工程应用》（田建辉 主编）。以有限元基本理论为核心，通过工程实例，以ANSYS 18.0的建模、分网、加载、求解和结果处理为顺序讲解；以静力分析、非线性分析等几个专题为切入点，以网络ANSYS操作视频为辅助，对其进行了详细的介绍，相辅相成、相互促进，做到理论和实践操作指导相对应。

4 课程特色与创新

1）线上激励特色是：通过真实的案例引导、生动的PPT多媒体视频讲授和多样化的考核形式激发学生的学习兴趣，帮助学生深层次理解有限元分析。线下激励特色是：通过深入浅出的有限元理论教学、学生在机房进行实践操作，老师讲解有限元分析软件常见的问题，如计算时单元选择和网格划分参数选择等问题，课外学生完成老师布置的工程问题研究任务，促进学生科研实践能力和自我激励能力的培养。线上线下有机结合，相互反馈，形成教学激励闭环。

2）通过先进教学方式激励法、情感激励法、经济激励法和科技激励法学习有限元课程，利用有限元方法解决影响因素众多、步骤繁杂的工程问题，揭示工程问题中蕴含的数学与力学原理，学生在“提出问题”与“寻求解答”的交互激励中完成了由“被动学习”到“主动学习”的转变，培养学生将工程问题转化为简单力学模型问题求解的能力，为我国创新发展人才的培养提供有力的支撑。

3）通过理实并举、案例引导和任务驱动，学生掌握工程上完成有限元分析任务的基本流程，学会撰写有限元分析研究报告，培养学生团队协作和激励精神，并引导学生毕业择业优先考虑结构设计、施工仿真模拟方面的工作，构建有限元课程培养学生创新激励能力培养新体系。

4）通过调研学生所遇的实际问题，对不同学生实施有针对性的激励方法，以达到因材施教、所有学生共同发展的目标。

5 应用实例

在本课程的线上教学中通过发动机叶片、缸体缸盖五轴数控加工等真实案例引导，线下通过生动的PPT及视频讲授，帮助学生理解理论知识，如讲授结构静力分析时加入高速旋转齿轮静力分析实例，帮助学生深层次理解有限元分析过程，在实际操作中从感官上刺激学生学习兴趣，帮助学生深入浅出地理解有限元理论，图2中展示了高速齿轮旋转时的径向应力分布情况。课下老师布置该工程问题的各种参数（如网格数量、单元类型选择）优化研究任务，学生独立完成任务并提交给老师，促进了学生科研实践能力的提高。

图2 径向应力分布图

在课下鼓励学生积极探索前沿科技、参与科研项目和学科竞赛，融合多种激励方法给予学生情感、专业知识及经济上的帮助。老师调研学生的学习基础和所遇问题后，发现部分同学机械原理基础薄弱，然后通过及时答疑的情感激励法帮助学生解决技术上、心理上的困难，很快补足了这一短板。同时通过经济激励法鼓励学生积极完成科研项目，老师引导学生申请专项科研项目，立项后学生能够在老师的指导下独立思考分析问题和解决问题，在学生的积极配合下也产生出了多项科研成果，如“杠杆式临时紧固件”、“磁力作用的临时紧固件”、“弱刚度轴类零件环切径缩式装置”等，学生不仅能完成项目、在期刊发表论文，还完成了新型专利的申请，同时参与项目的学生每月也获得了600～800 元的劳务补贴，有效地解决了学生生活问题。上述实施效果证实了线上线下教学激励策略一体化能激发学生对学习专业知识的兴趣，还能培养学生成为能够解决实际问题的创新型人才。

6 结论

以马斯洛需求层次理论为归宿，通过线上线下教学激励策略一体化下的有限元分析课程，传授学生专业知识的同时，引导了学生关注科技前沿，鼓励了学生探索科技问题。利用情感激励法关注学生发展，了解学生面临的具体状况，解决了学生所遇问题。通过科技激励法和经济激励法，鼓励了学生参与科研项目与竞赛，通过申请纵向和横向科研经费，给予学生经济上的支持和科技荣誉。采用先进教学方式激励法，做到了因材施教，努力达到了所有学生齐发展的目标。实践表明：线上线下教学激励策略一体化教学能够激发学生有限元课程兴趣和培养学生有限元方法学习热情，提高了学生对有限元分析的深层次理解，培养了应用有限元方法解决工程应用问题的创新型人才。所提出的激励策略同样也适用其它理工科课程。