基于有限元分析与专业案例库的《工程力学》课程教学模式研究

来源:用户上传      作者:赖荣燊　黄海鹏

　　摘要：针对当前教学模式下学生学习积极性不高、基础知识掌握不牢、工程创新性不足等问题，系统分析课程教学现状，探索基于有限元分析与专业案例库的工程力学课程教学模式。构建生动形象的可视化教学素材库，并将其融入工程力学理论知识讲授过程，以期激发学生的学习兴趣，提升学生的创新能力。
　　关键词：有限元分析;专业案例库;工程力学;教学模式
　　中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2020）13-0276-02
　　 一、前言
　　《工程力学》是机械类、近机类、土建类、交通运输类等专业必修的一门重要技术基础课，具有较强的理论性，又与工程实际密切相关。该课程是沟通公共基础课与专业课的桥梁，为后续课程的学习提供必要的力学理论基础。为了有效激发广大学生对工程力学课程的学习兴趣，促进学生扎实掌握力学理论知识，增强学生应用力学知识分析问题和解决问题的能力，并为后续专业课程的学习打下扎实的力学基础，本文提出基于有限元分析与专业案例库的《工程力学》课程改革思路，将生动形象的工程案例融入知识讲解过程，牢牢吸引学生的注意力，改善教学效果。
　　二、课程教学现状
　　基于厦门理工学院机械与汽车工程学院《工程力学》课程教学团队的交流讨论发现，当前该课程授课过程普遍存在学生听课注意力不集中、积极性不高、死记硬背、挂科现象严重等不良现象[1]。究其原因，问题主要在于：（1）课程内容多课时少，理论性强，公式繁多，加之很多学生的数学基础相对薄弱，导致部分知识点难以理解，只能死记硬背，学习效率较低;（2）基于“理论导出—过程分析—例题讲解”的授课过程，采用“多媒体与板书相结合”的演示模式，学生多为被动接受，导致课堂气氛沉闷，教学效果不佳;（3）教材案例主要以機械结构为主，没有根据专业选取有针对性的案例，导致学生不易理解。面对如此严峻形势，工程力学课程改革可谓刻不容缓。
　　三、新型教学模式
　　（一）改革举措
　　基于案例教学法研究成果[2-3]，探索能够有效提升学生学习主动性和创造性的新型教学模式，主要改革举措包含以下两个方面。
　　（1）教学素材库建设。针对不同知识点构建的教学素材主要包括实物模型、三维CAD模型、有限元分析模型、按专业方向分类的工程实例力学模型。例如，学生对静力学中“约束”这一抽象知识点比较难以理解，可以通过购买或制作各种约束形式（如刚性光滑面约束、固定端约束等）的实物模型（与约束相对应的滚珠轴承、三爪卡盘等），帮助学生理解相关知识点;材料力学知识点主要涉及应力和杆件的四种基本变形形式（拉压、剪切、扭转、弯曲）及组合变形，通过建立工程构件的三维模型，并应用有限元分析软件（如ABAQUS[4]），形象展现杆、轴、梁、柱的变形过程和应力应变的变化情况;针对不同专业方向（如金属材料、汽车服务等），收集与课程相关的实际案例，结合工程力学知识，对案例进行深入剖析并简化成力学模型等。
　　（2）基于教学素材库的教学过程优化。基于已构建的教学素材库开展教学过程优化的流程如下：首先，任课老师在授课过程中自主组织教学素材，如实记录组织方式、教学效果（学生听课情况）、学生的意见和建议等，各自改进完善教案;接着，工程力学教研组分阶段开展课程教学研讨，相互取长补短并做好记录，如哪些经验可以借鉴、哪些方面应该避免等，总结得到最优教案，在研究团队成员间、校内乃至校外工程力学教研组中进行分享;最后，根据学生的综合成绩考核和教学评价验证教学改革成效，并确定下一轮教学实践的改进方向。
　　（二）教学方法
　　当前工程力学课程的教学方法大多采用“多媒体演示为主，板书为辅”的方式[5]，遵照“案例导入——知识推送—公式推导—例题讲解—课后习题”流程安排教学进度。依照相同流程开展教学，授课老师的教学效果却有很大差别。其中，素材应用与师生互动是影响教学效果的两大因素。为此，本文对当前教学方法进行完善并做详细阐述。
　　（1）案例导入。针对特定知识点，从教学素材库中选取最为贴切的典型案例，凸显该知识点的重要性，激发学生的学习主动性。该典型案例要求是贴近生活、广为人知或面向特定专业的素材;采用多媒体演示方式，吸引学生的注意力，演示后可以加入师生、生生之间的讨论环节，加深对案例的认识与理解。
　　（2）知识推送。对案例进行总结分析，讲解案例所涉及的知识点。该环节推荐采用板书形式，只有以较为平缓的节奏推送知识点有利于学生理解和消化，学生才能跟上授课老师的节奏并有充分的时间做好笔记。在细化知识点讲解过程中，亦可穿插一些较为形象的案例。
　　（3）公式推导。该环节涉及假设前提、理论基础、分析与计算方法等知识，理论性极强且对数学基础要求较高，学生理解和掌握起来较为困难;更关键在于，这关系到学生对此类问题的分析和解决方法的核心能力培养，因此强烈推荐以板书形式授课，并在过程中时刻关注学生是否紧跟进度并充分理解。
　　（4）例题讲解。选择典型例题进行讲解。安排学生分组讨论，并根据学生反馈进行讲解。对于材料力学中基本变形或组合变形的相关例题，在讲解教材中的例题之后，演示该例题的有限元分析结果并进行对比分析。对于静力学部分，结合实物模型进行讲解。
　　（5）课后习题。该环节的基本模式是授课老师根据知识点分布情况布置作业，学生课后自主完成，老师批改后将作业再发回给学生，并根据学生完成情况有针对性地进行讲解。建议讲解课后习题的过程中增强师生互动，如安排做对题目的学生上讲台为其他学生讲解解题思路等。授课老师批改作业的认真程度和学生对待作业的重视程度是决定该环节教学效果的关键因素，因此应客观、严格、合理地考核平时成绩。
　　（三）保障措施
　　为了确保工程力学课程教学改革有序开展并取得预期成果，改革过程中应积极采取以下保障措施。 　　（1）明确落实改革责任并加强进度管控。研究团队负责人及其成员必须都是经验丰富的工程力学课程的任课老师，熟知课程的重点与难点，能够及时有效地解决学习过程中出现的各种问题。此外，实施过程必须明确各个成员的改革责任，并由研究团队负责人对进度进行调控。
　　（2）建立信息沟通机制。创建团队QQ群或微信群，实现线上即时交流，研究团队负责人对问题进行记录、梳理，并定期组织团队成员线下讨论。
　　（3）构建师生协同共建机制。积极吸纳一些能够熟練操作有限元分析软件或者具有特定专业工作经历且乐于协助收集相关专业案例的学生参与工程力学课程改革，以这些参与改革研究的学生带动教学班级中更多的学生加入或及时分享改革成果，群策群力，调动全体学生学习工程力学课程的积极性。
　　（4）充分利用校内平台资源。校内实训中心具备较强的机械加工能力，为工程力学课程实物模型库的建设提供了重要的制造资源保障;充分利用校内力学实验设备，并在此基础上开展力学实验创新研究。
　　四、结语
　　针对当前工程力学课程教学中存在的问题，提出基于有限元分析与专业案例库的工程力学课程教学模式，并从改革举措、教学方法和保障措施三个方面进行详细阐述。所提教学模式改革方案仍存在不足，即授课老师以其独特风格将教学素材等融入工程力学理论知识点讲授过程，如何评价教学效果并得到最优的教学方式，成为教学改革的难点。
　　参考文献：
　　[1]王铎，蒋国平，杨拴强.基于ABAQUS驱动工程力学课程多样性探索[J].价值工程，2018，（19）：286-288.
　　[2]张家军，靳玉乐.论案例教学的本质与特点[J].中国教育学刊，2004，（1）：51-53，65.
　　[3]赵秋玲，张君华，刘芳.《工程力学》案例教学的探索和实践[J].教育教学论坛，2017，（43）：144-145.
　　[4]王瑾.《工程力学》新型教学法的探索与实践[J].机械管理开发，2010，（4）：181-182.
　　[5]王建祥，葛倚汀.多媒体与板书相结合的工程力学课程教学实践[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，Fujian 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
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