虛實結合的專業基礎課教學改革研究

余志紅

[摘要]本文分析了當前中國的經濟教育形勢和當前高等教育理念以及當前高校專業基礎課程教學面臨的問題。文中提出利用先進的信息化技術構建適合本學科的教學體系，構建課程教學知識庫，虛實結合的仿真實驗創建培養創新型人才的教學模式，解決了培養大面積學生自主學習能力是受到空間、時間、設備、優秀教學資源和師資力量的約束的難題。

[關鍵詞]虛擬仿真；教學模式；改革；工程力學

1當前專業基礎課教學面臨的問題

力學課程是大學工科專業必修專業基礎課程，有理論力學、材料力學等等，是后續專業課程的理論基礎，主要訓練學生的邏輯思維能力和抽象思維能力，培養學生分析問題和解決問題的基本技能。課程知識點多而且學生普遍感覺難學，積極性不高。對于大部分工科院校，專業基礎課教學都面臨很多問題。

1.1總學時的下降與學生整體素質的下滑

在全面壓縮高校總分的浪潮下，許多專業基礎課也面臨著學時的壓縮，在曾經的精英培育時代，學生的數量少，當時受高考入學率低的影響，考入大學的學生基礎相對較高，學習的積極性較強。自1996年高校擴招以來，學生上大學的比例增加了，學生的綜合素質也比原來下降：學生學習目的不明確，自主學習能力較低。同時國家又在不斷的呼吁要培養應用型人才。應用型人才是要加大實踐課程的分量，并非縮短學時。

1.2面向大面積學生的實驗教學質量存在問題

大面積學生的入學，實驗教學就面臨著巨大的困難，實驗室排的滿滿的，無法實現針對性教學，很多時候學生只是照葫蘆畫瓢式的得出預知結論就算達到要求，對于實驗設備的原理，參數的調整等等完全沒有時間也沒有精力去深究，導致實驗教學質量下降。

1.3面向大面積學生的的專業基礎課教學體系存在問題

探究面向大面積學生的教學質量存在問題的關鍵是教學過程、教學模式出了問題。現在很多教師還停留在PPT講授課程的形式，沒有形成課程的相關教學知識庫。教師的工作崗位調整、離職、退休都會影響到課程的教學。時代變了，我們的學生變了，但我們仍然延續當年的精英教育法，卻總在埋怨學生不聽話、不努力。

1.4理論與實際脫節

教師在授課過程中雖然通過大量的工程實例將理論與工程實際問題相聯系，培養學生利用相關理論知識分析實際問題的能力。但因課程信息量過大，為應付考試，最終都演變成了套公式解題，學生雖然能夠用公式解題，但是無法將力學知識與工程實際結合起來。

2當前形勢下專業基礎課教學改革的思考

從前面的分析看到造成如上問題的困境在于，一方面，面臨著大面積的學生、學時的減少；另一方面，社會對應用型人才的需求加大，要求學生畢業就有很強的動手實踐能力。這意味著教師在教學中要理論聯系實踐，而且要把這種思維方式應用到畢業后的工作中。畢業生返校作交流時也經常反饋說學了很多知識，但在工作實踐中并不能有效地運用自己所學的知識解決實際問題，這在很大程度上是由我們傳統的教學方式造成的。因此，我們有必要思考當前形勢下專業基礎課的教學模式問題，可嘗試從如下幾個方面去改革。

2.1利用先進的信息化技術構建適合本學科的教學體系，構建課程教學知識庫

現在的學生獲取知識的能力比以前任何時候的學生都強。但是他們獲取的都是知識的碎片，沒有形成完整的體系框架。利用學生的這些優點，可以構建適合本學科的教學體系，利用先進的信息化技術，構建網絡在線平臺。在如今這樣一個知識爆炸的時代，教師拿著自己制作的PPT上課是遠遠不夠的。必須依靠團隊、依靠平臺，構建一門課程的相關教學知識庫，音頻、視頻的應用，知識點銜接的素材收集等等，每位任課教師都可以在平臺上充實內容，時時更新，新教師可以隨時接手新課，在教課的過程中不斷推進，這樣每門課程都可以成為精品課程。

2.2虛實結合的仿真實驗創建培養創新型人才的教學模式

必須要探究以學生為主體、教師為主導，培養學生自主學習能力的教學模式和教學方法。利用虛實結合，開展仿真實驗，創建以學生為主體、教師為主導的教學環境，建立培養學生自主學習能力課程體系、教學內容和教學模式。提高教學質量的關鍵是創建培養大面積學生自主學習能力的教學模式，充分給與學生思考和動手的機會。學生有了自主學習的能力，才能進一步培養創新能力。然而，培養大面積學生自主學習能力是受到空間、時間、設備、優秀教學資源和師資力量的約束的。CAE技術的出現為這種局面打開了一個缺口。使用CAE技術對問題進行仿真可實現可視化的建模，改變參數獲取不同條件下的結果，得到最優的設計方案，既保證了分析結果的可靠性還省去了復雜的計算過程。

2.3基于虛擬仿真實驗創建學生自主學習的教學環境

面向大面積學生開設設計性、研究性、開放性實驗需要耗費大量的設備、教學時間和師資力量。這也是高校改革的瓶頸。應用發達的互聯網技術和課程平臺，可以緩解教學中課程少、師資不夠的困擾，為大面積學生提供預習、自學并檢測的開放模式。

（1）“基于組件”的計算機仿真實驗

學生可自擬實驗方案，根據自擬方案選擇實驗儀器，完成實驗。學校提供實驗數據接口，得到實驗實時狀態，實現對實驗方案和實驗結果的自動評判。

（2）基于虛擬仿真創建的自主預習實驗與自動評判系統

不突破預習的環節，只能是照葫蘆畫瓢式的教學模式。而大面積學生實驗預習是一個一直困擾的問題，學生掌握了實驗原理、儀器運行機理，卻跨越不了書本闡述的儀器和實際儀器之間的鴻溝。利用基于組件的仿真實驗完成預習習題和儀器操作，為學生自主學習創造了條件。

3教育改革效果分析

筆者自2006年以來教授力學課程以來，工程力學課程就從72學時縮短為48學時。于現在的學生，很多人沒有目的也談不上興趣，就是為考試為學分。但是對于他們感興趣的東西，他們會自主學習。我系基本實現了課程的團隊教學，集體備課，共享資源，并從2013年開始嘗試引入半仿真實驗到課堂，引入CAE技術。

（1）在開學初講緒論的時候就開始，找出一些實際案例，作出大量動畫，讓學生對我們將要學習的內容有個感性的認識，提出問題并通過虛擬試驗解決問題，抓住他們的興趣。給他們CAE技術的感性認識。（2）CAE技術的引入和介紹。在進行案例分析，動畫演示時，經常有意識地補充動畫的制作軟件，在學生有了興趣后花點時間講解軟件的操作過程，并做一些簡單介紹。然后讓學生熟悉軟件的使用，后續課程可以直接要求學生用軟件計算、處理結果。給他們講述當前研究熱點與基礎原理的關聯度，使他們認識到理論知識的重要性，達到間接地提高了其學習理論知識的熱情的目的。（3）CAE技術的工程運用——工程設計。對于一些對課程有濃厚興趣的同學，引導他們加入教師科研，從分析方案到建模到分析處理，讓他們真正去求解實際工程中的問題，這樣在日后的工程設計實踐中，他們也能夠很快上手，自主使用CAE工具完成工程問題求解。例如理論力學中的四連桿機構、連桿滑塊機構、牛頭刨床等許多同學根本就沒見過實際中的機構，運動關系、動力關系很難理解。在講課的課程中，我引導學生課后使用交互式圖形環境和零件庫、約束庫、力庫，創建完全參數化的機械系統集合模型，建立系統動力學方程，對虛擬系統進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出位移、速度和加速度等曲線，以動畫的效果顯示分析結果，還可以方便的改變模型。課后，我們在平臺上分享自己的仿真結果并展開討論，鼓勵積極參與的同學。將半仿真融入課堂，學生從設計性、探究性實驗或仿真實驗中獲得了成就感，激發了他們的創新熱情。一學期下來，有大半同學都積極參與到課下的學習，既減輕了我的課堂教學壓力，學生還自主學習了一個有用的工程軟件。還有同學組成團隊申請了學校的學生科研課題，走上了科研之路。

在學期末，筆者就《工程力學》這門課程對任教的安全工程系2013級、2014級四個班的100余名學生進行了方法改進實施前后抽樣了調查。問題設計到：（1）教師授課方式的接受程度；（2）課堂內容的掌握程度；（3）課堂教學的趣味性和互動情況；（4）自主學習能力的培養；（5）創新能力的培養和動手能力的培養。對反饋回來的結果進行了統計，如下表所示。

4結論

在當前中國經濟教育形勢下，以及高校專業基礎課面臨問題分析的基礎上，筆者在專業基礎課程的教學改革中，通過團隊備課建設課程知識庫，引導學生自主學習的教學環境，虛實結合，引入CAE技術，培養學生理論聯系實踐等多種手段進行改革，并通過兩級學生的調查統計，實現了理論與實踐的結合，提高了學生的學習積極性，也提升了學生分析問題解決問題的能力。總之，我們只有在不斷的改進教學思路，不斷的學習思考，了解學生狀態的教學過程中才能更好的培養高素質的具有工程實踐基礎的應用型人才。

[責任編輯：王偉平]