面向學生工程計算能力提升的教學模式探索

牛斌，楊睿

（大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連）

工程計算導論課程是機械設計制造及其自動化專業的專業基礎課程。該課程主要講授機械工程問題的計算方法，側重培養機械設計制造及其自動化專業學生工程科學計算思維，使學生具備扎實的虛擬仿真技術基礎知識，了解基本的工程計算方法和數學算法基礎，具有較強的數學計算和分析能力，掌握基本的程序設計、算法開發、數據處理和可視化等方面技術。

隨著數字化網絡的普及與信息技術的發展，線上線下互動教學模式成為當下教育信息化的產物[1]。混合式教學模式在國內外受到教育界的廣泛歡迎，美國、西班牙、加拿大等國家的高校均已大量推廣混合式教學[2-4]，中國校園數字化也在不斷發展與建設當中。“十三五”對我國教育信息化進行了明確的規劃，提出了智慧校園建設，“一人一名師 + 機器人助教”教育模式等等一系列先進的教育概念，和教育信息化實施計劃[5]。2018年10月17日教育部印發《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》中提出“推進現代信息技術與教育教學深度融合，推動形成‘互聯網+ 高等教育’新事態，以現代信息技術推動高等教育質量提升的‘變軌超車’”[6]。黨的十九屆四中全會提出“發揮網絡教育和人工智能優勢，創新教育和學習方式”。2020年9月22日，習近平總書記在教育文化衛生體育領域專家代表座談會上講話時指出，“要總結應對新冠肺炎疫情以來大規模在線教育的經驗，利用信息技術更新教育理念、變革教育模式”[7]。隨著互聯網技術的快速發展和受疫情影響，線上線下相結合的模式已經在高校教學中被廣泛采用。

本文針對《工程計算導論》教學內容和教學方式改革，重點圍繞學生工程計算思維建立和工程計算能力提升的培養目標，更新工程計算導論教學內容，發展線上線下混合教學模式，結合工程計算課程理論與上機實訓緊密結合的特點，開發大規模程序代碼等教學資源庫，豐富實踐訓練內容。特別是，針對線上線下混合式教學存在的問題，以工程計算導論課程為例，通過教學內容改革實踐探索對應的解決方案。

工程計算導論課程以成果導向為依據，系統梳理產業發展形勢，緊密圍繞產業需求，以學生為中心[8]，以金課平臺等[9]為線上教學平臺，采用線上課堂與線下課堂組合的教學小規模在線混合教學模式，豐富和完善基于PBL方法教學內容、方法和案例，不僅形成授課視頻、運行動畫庫、工程問題庫等課外預習和線上案例庫，更重要的是將線上與課堂教學間建立溝通橋梁，最終實現構建知識架構體系，培養學生工程科學計算思維以及系統分析、建模和解決實際問題的計算能力。

一 工程計算課程混合式教學存在的問題

（一） 課程內容和結構不完全適應混合式教學模式

依據傳統的線上課堂，教師主導而學生被動接受知識。理論講授部分，每節課都填滿了大量的專業知識，學生缺少編寫程序回味理解算法的環節。而線下的上機實踐部分與理論講授知識點脫離，缺乏有機聯系。因此，這樣的線上課程反而增加了學生與教師的負擔。特別是對于學生，線下一味地接受教師傳授的知識，線上還要完成各項學習指標，缺乏理論與實踐關聯思考和討論環節，容易產生厭倦心理。對于教師，線上課程需要準備額外的材料，如果不能夠考慮學生的需求，線上課程的添加只會是畫蛇添足。因此，需要的是線上線下課程的有機結合，完善課程內容和結構。

（二） 線上教學形式局限性

近來由于疫情原因，全國各地都實現了線上課堂的應用。線上教學的形式發展迅速，已經從簡單的結合網絡學習，發展到慕課MOOC、翻轉課堂、線上線下混合式教學等形式[10-13]。采用線上視頻會議教學代替線下教學，在教學內容上，線上與線下教學并無區別；在教學效果上，線上課堂中的學生專注力不如線下面對面課堂集中，師生反饋顯著減少，教師無法掌握學生學習情況。目前MOOC課堂學習的組織與社會開放式學習混雜，對學習效果也有一定影響[14]。線上教學模式的重點是線上教學形式的選擇與教學效果的提高，教學形式不應該局限于單一網絡形式，合理利用直播、視頻庫、交互式動畫和金課平臺等多維度網絡資源以提升教學效果。

（三） 線上教學資源匱乏

教學資源的豐富程度很大程度影響學生對于知識的理解與吸收，傳統線下課堂由于課時不足導致傳授的知識存在精簡過濾，老師只傳授書本甚至考試相關內容，線上課程雖然可以直觀的進行知識拓展，但是存在教學資源匱乏的狀況[15]。對于課程內容的傳授形式，僅僅簡單演示求解軟件及算法，不利于學生自我思考和培養動手操作能力；對于工程實踐問題的實踐教學，集中在一兩個課時的視頻教學不可取，通過觀看簡單的實驗視頻并不能提高學生的學習積極性與實踐能力。應該充分利用線上平臺，豐富教學資源類型，使學生更好地融入課堂。

（四） 線上線下結合實施不系統

線上線下教學結合的問題需要解決。線上教學可以很方便的“教書”，但是不能取代線下“育人”的過程[16]，而是為線下課堂進行補充和拓展。體現在工程計算導論課程中，線上課堂的重心應該在于啟發學生對于工程計算問題的思考，構建工程計算思維，進而通過線下部分提高學生工程計算能力的訓練。所以，線上線下的合理結合是教學改革的重點。

二 面向學生工程科學計算思維構建和能力提升的混合式教學模式探索

（一） 以學生工程計算思維構建為導向，基于PBL模式完善課程內容和結構

針對學生工程計算科學思維構建方面，目前課程內容和結構不完全適應混合式教學，需要通過探索進行優化。借鑒PBL教學方法[17]，實踐“以學生為中心，以問題為基礎”的學習和討論形式，完善教學內容，理論部分區分基礎知識和關鍵難點，實踐部分配合理論難點，幫助學生合理利用線上多維度資源，培養學生工程計算思維和計算程序學習能力。具體的教學內容改革包括明確線上、線下講授的內容和學生應達到的目標要求，線下講授基礎理論和關鍵難點與重點，線上提供問題為導向的背景知識、拓展知識、案例庫等內容。通過有機結合線上線下教學方式，建立理論講授、問題分析、算法開發、上機實踐、難點解析的教學流程，特別是講授了相關基礎知識后，僅設定需要完成的目標和基本要求，開放程序開發的自由度，學生可以圍繞目標獨立查閱資料，總結現有問題和思考解決問題的辦法，允許學生拓展程序內容，鼓勵學生結合當前交互式技術的發展，獨立或分組實現具有拓展功能的程序開發大作業。教學中培養學生形成帶著問題、難題和重點上課聽講的學習方式。

（二） 豐富教學形式，構建多維度的教學平臺

在線上線下混合式教學模式的基礎上，對于基礎理論，將書本知識簡化為課件方便學生理解；對于工程計算問題，從實際問題出發給出計算問題的重要工程背景和實際貢獻，配合基礎算法學習，鼓勵學生動手編程，同時提供線上資源庫和算法程序庫幫助學生可以進一步拓展程序內容。以金課平臺與學習通等為平臺，建立本課程的在線課程與線下課堂組合的教學小規模在線混合教學模式。充分利用背景資料庫、案例庫、上機實踐問題庫的線上教學資源，有機融合重點難點基礎理論以及共性知識點的線上線下講授，完成線上線下課堂組織形式、分組策略等內容的研究與制定。

（三） 以工程問題為導向，構建線上教學資源庫

線上資源庫包含教學資料庫、工程計算問題庫和案例程序庫。教學資料庫是對教學用的基礎知識點的匯總與整理，包含有很多不同的形式，包括教學課件、授課視頻、動畫演示、考核問卷和線上虛擬實驗平臺[18]等；工程計算問題庫包含工程計算的實際問題，既有實際工程視頻、圖片，又有解決工程問題的有限元仿真動畫和結果，從而為工程計算導論課程提供最新最經典的問題案例，強化工程計算思維構建和提升；案例程序庫是基于問題的程序開發線上案例庫，記錄工程問題涉及到的程序模塊，并由學生完善和擴建。教學資源庫的作用是給學生提供接觸實際工程問題的機會，鍛煉學生對于基礎知識的吸收，提升工程計算思維和能力的培養，這與我們的課程內容要求是密切相關的。

（四） 具體實施

具體組織實施情況包括：

1.課前預習

要求學生注冊登錄金課平臺中本課程的在線課程。在實體課之前，通過金課平臺和課程群等方式推送基本理論知識概要和預習目標，以及基礎程序算例。同學們完成相關知識點的在線預習，明確需理解和掌握的學習任務。

2.課堂活動

首先，采用PBL教學方法，帶著破解現實問題的強烈欲望，開啟每一章內容的講解。

其次，充分發揮混合式教學的先進性和互動性，講授重、難知識點。

第三，采用案例教學方法。一方面充分調動、培養學生針對實際工程問題的分析與建模能力，另一方面通過案例補充最新的成果，使課程能夠迅速反映本領域的學科前沿。此外，結合案例，講解復雜工程問題的屬性，解決問題的方法和思路，啟發學生思考工程問題表象背后的學科機理。課堂還對學生的案例作業完成情況進行點評，針對存在的普遍問題組織討論和案例觀摩。

第四，布置針對理論教學內容的求解任務，并對程序開發求解過程進行討論、總結，借助求解軟件或開發程序的運用，增強對模型、算法的理解。現場答疑并隨機選擇部分學生程序投放到大屏幕進行分析和討論。

3.課后鞏固

線上上機部分提供基礎代碼、待完成問題的要求和目標，學生依據問題要求形成求解方案，獨立或分組合作編寫相關程序完成項目任務，從而掌握本節課核心知識的同時得到算法與程序開發及團隊合作的訓練。通過在線作業及測試、在線討論等方式鞏固學生對知識的記憶，檢驗學生對知識的運用，對授課內容、授課方法等進行及時改進。

三 結語

本研究旨在通過線上線下混合式教學模式在工程計算導論課程中的探索與應用，建立本課程的在線課程與線下課堂結合的混合教學模式，將線上與課堂教學間建立溝通橋梁，增強師生互動，提高教學質量、增強教學效果，鼓勵學生對學習內容和過程進行反思，促進教學改革等提升。最終，培養學生的工程科學計算思維和能力，使機械工程領域的學生建構起工程計算思維方式、寬厚的工程計算知識基礎、扎實規范的計算程序開發能力。