線上線下混合激勵策略探索與實踐
——以有限元分析課程為例

唐偉，葉雨康，梁潮淋，葉際英，顧立志

（1.韶關學院 智能工程學院，廣東 韶關 512000；2.泉州信息工程學院 機械與電氣工程學院，福建 泉州 362000）

1 有限元分析課程教學改革背景

有限元分析課程是機械工程專業的一門重要的專業基礎課，基本任務是有限元法的基本原理及其應用，要求學生理解有限元分析的基本原理，掌握ANSYS軟件的工程實踐應用。有限元方法廣泛應用于機械、汽車、航空、航天等行業，為各行業產品設計、制造和改進提供了重要的理論依據，但有限元方法涉及眾多理論（泛函理論、材料力學、彈性力學、流體力學、斷裂力學等）交叉融合，導致該方法理論深刻、推導復雜、方法抽象，對于普通的學生而言，難以輕易掌握有限元方法的本質和精髓[1]。

由于缺乏對有限元方法及應用案例的了解，學生學習有限元的興趣沒有被激發起來，且學生學習偏重軟件計算，缺少對有限元理論深層次理解，導致計算時單元選擇和網格劃分參數選擇存在主觀性，計算結果分析方法欠缺，計算正確性缺乏實驗驗證。因而對計算結果的正確性無法把握，進而無法準確掌握有限元分析方法及應用。

將新的教學理念、新的教學方法手段綜合運用于有限元法分析課程教學實踐中，探索適合課程特點的教學模式，對一般課程教學也可提供有益借鑒。

2 有限元分析課程專業現狀分析

由于本科專業教學激勵不足的現狀，以及有限元分析課程線上與線下教學結合不足，存在學生學習主動性差、理論知識掌握不牢靠、案例引導少、工程實踐能力不足等諸多問題。

唐保慶等[2]針對當前在校大學生重理論、輕實踐的現狀，通過問卷調查的方式收集了大量學生樣本，運用計量分析方法開展實證研究，證明了教師通過教學激勵措施對大學生的學業成績進行積極的干預有助于緩解此現狀。張紅宇[3]針對當前網絡教學環境中教師與學生無法面對面進行教學激勵的問題，借助網絡教學的理念和網絡教學中所應用的技術，探討了網絡社會行為理論對網絡教學環境中教學激勵方式的影響，明確了教學激勵在新的網絡教學環境中的作用。杜洪艷[4]針對教學激勵與響應的影響因素進行了充分分析，論述了創新意識的培養及創新思維訓練離不開開發內化教學模式，根據教育學及教育心理學的原理找到了加強教學激勵與響應的有效途徑，提高了創新意識的培養及創新思維的訓練的可行性。周彩榮[5]針對職業類院校學生學習的積極性、主動性差的問題，對在職業院校構建激勵策略的要素、全方位激勵模式等進行了探索與實踐，提出了目標激勵、自主管理激勵、反復糾正錯誤激勵、互助激勵4種模式，有效地提高了學生學習的積極性、主動性和創造性。張園等[6]針對目前圖學課程及競賽的現狀，研究了在競賽激勵下對圖學課程進行一體化教學，提出了競賽激勵下的圖學課程項目驅動一體化對促進教學工作、提高教學質量有較大的作用和意義。馮曉江[7]認為教學中必須充分尊重學生的主體地位，研究了多種教學激勵方式，如目標激勵、情感激勵等，幫助學生形成持續的學習動力，最大限度提高了教學的效率和質量。韋韞等[8]針對有限元分析在機械制造裝備課程進行分析，結合實際工程案例對教學內容及方式進行了改革和實踐，提高了機械專業學生的計算機應用分析及解決工程實踐問題的能力。刁航等[9]以競賽中的考題為例，運用有限元分析軟件進行建模、受荷分析并進行優化結構，展現了有限元分析軟件在結構設計競賽中的重要作用。張芳[10]針對現有在線教學互動性不強的問題，研究出基于激勵的在線教學互動策略，提高了學生的學習積極性。李正良等[11]提出了構建系統有效的本科教學激勵體系是調動廣大教師積極投入本科教學工作的動力和保障，基于需求層次理論構建了5個層次、自下而上的高校本科教學激勵體系，制定了相應的實施策略和方案。曾潔等[12]從以“學”為中心的價值取向和學術性的行動準則出發，提出了教師應從“知識傳授型”等向“教學學術型”轉變，構建了一個以“教學學術”為導向、注重滿足教師成就感與自我實現等高級需要、內外部合力驅動的激勵策略。魏冠風等[13]分析了教學科研人員現有激勵制度的效果，發現在學校所實施的激勵制度中，職稱晉升制度優于報酬制度，科研獎勵制度優于教學獎勵制度；職稱越高、年齡越大，內在激勵機制的激勵效果越強，外在激勵機制的激勵效果越弱的現象，對完善教學科研人員激勵機制提出了建議。林麟[14]分析了教師從事教育教學研究的積極性不高和教育教學研究成果對教育教學改革和實踐的指導乏力的現象，分析了造成這一結果的重要原因之一是高校尚缺乏一種科學有效的機制，從激勵機制設計的基本理論出發，設計了高校教育教學研究的激勵機制。李致富[15]運用文獻資料、訪談、觀察等研究方法,對影響我國體育教育的教師、教練員、學生3個主要因素進行深層次的探討,從制度約束與激勵視角,提出建立校內運動員審批制度、教師跟訓與教練員跟學制度,建立教師業務評價制度,并納入教練員年度考核標準,形成了學生、教師、教練員三位一體的激勵制度等對策。以上研究主要集中網絡教學激勵、競賽激勵、目標激勵的某一方面，缺乏激勵系統的理論基礎和各種激勵方法的有機融合。

因此，亟須建立適用一般課程教學激勵策略，激勵學生在有限時間內深入了解有限元分析的內涵，指導學生在有限課時內掌握課程的基本原理與方法，以案例和實踐引導課程教學，化繁為簡，由難變易，深入淺出，解決工程實際問題，培養學生創新能力，提高學生的學習主觀能動性，養成獨立思考的習慣，構建“興趣激發→獨立學習→團隊交流→探索未知→研究事物本質規律應用創新”的學習機制。

3 有限元分析課程混合激勵策略全域設計

針對學生學習有限元分析課程積極性差、理解淺顯問題，以馬斯洛需求層次論為基礎，提出有限元分析課程線上線下教學激勵一體化機制。如圖1所示，人類需求由低等級向高等級發展。對于學生來說，5種要求主要體現為經濟需求、心理與生理安全需求、集體社交需求、情感需求、考研和畢業工作需求，并最終都體現為學生的成長利益。這也是本激勵策略的出發點和歸宿。

圖1 馬斯洛需求層次

為滿足課程激勵需求，激發學生有限元課程興趣和培養學生有限元方法學習熱情，提高學生對有限元分析的深層次理解，培養應用有限元方法解決工程應用問題的創新型人才，提出4種激勵方法：1）先進教學方式激勵法。以學生實際情況為依據，融合探究法、項目法、案例法和對分法等教學方法，以變化性、新穎性的教學方法吸引學生注意力，喚醒學生變化發展意識，有針對性且科學高效地激勵學生自主學習。2）情感激勵法。進行學情調查，關愛學生成長，了解學生的心理狀態和學習基礎，解決學生遇到的生活和學習問題，形成目標激勵和及時獎勵。3）經濟激勵法。建立除各類獎助學金、勤工助學崗位之外的縱向和橫向教科研項目經費申請指導，對學生所做的項目花費進行有力支持，并對優秀項目給予獎勵，增加學生經濟來源，同時增加暑期企業實踐，拓寬經濟來源。4）科技激勵法。引導學生了解和關注科技前沿，聘請專家對學生的問題及時答疑解惑，鼓勵學生勇于探索科技問題。

3.1 課程具體實施方法

3.1.1 線上激勵實施方案

1）通過查找網上有限元方法在各行各業的應用實例視頻，如飛機葉輪、發動機熱力學等有限元分析視頻，引發學生學習有限元方法的興趣，通過學習網絡有限元方法的操作視頻，掌握操作的基本原理和過程，構成現金教學方式激勵的重要組成部分。

2）建立微信群、QQ群和公眾號等，及時發布科技前沿信息，通過科技激勵法共同探討學術前沿和學科發展趨勢，如：介紹為了克服有限元法在求解無界域問題時的不足，而提出的無限元法。同時進行課程安排和答疑解惑，形成線上情感激勵的重要實施方式。

3.1.2 線下激勵實施方案

1）調研學生學習基礎和所遇問題，提前幫助學生解決經濟、學習等各類困難，形成線下情感激勵。

2）進行深入淺出的課堂原理講解和案例討論，采用沉浸式和啟發式等先進教學方法激勵學生打下堅實的理論基礎，并掌握有限元分析使用過程和方法，如講授ANSYS網格劃分時，結合三維支架網格劃分實例展示不同單元類型、不同單元數量、不同單元劃分工具等不同參數帶來的變化，這樣能使學生在接受理論學習后獲得對理論更深層次的理解。

3）學以致用，通過布置實例進行上機練習，采用不同參數進行分析，如分別給予學生不同單元數量、不同網格劃分方法等不同參數，通過親身體驗享受學習的樂趣，形成享受體驗的先進教學方式激勵。

4）通過制作實物和測試分析，對比實驗結果和有限元分析結果，獲得正確的有限元分析方法，創新設計分析多種原創作品，申請各項項目經費，形成切實可行的經濟和科技激勵，為學科競賽、畢業論文、科研項目等打下堅實基礎。同時形成教學激勵閉環反饋模式，如學生在學習課程后有創新想法后，在老師的幫助下申請項目經費，在完成科研項目的同時完成新型實用專利，形成了教學激勵閉環。

3.1.3 線上線下互檢反饋機制

以學生成長利益的提高為效果檢驗準則，線上的科技激勵、情感激勵效果一定程度上反饋到線下教學和實踐活動中，將線上問題和不足在線下進行解決和強化，并及時改進線上內容和方法，反之亦然。這樣形成一個線上線下互反饋機制。讓學生成長利益螺旋上升。

3.2 教材選用

選用“十三五”普通高等教育規劃教材《有限元分析及ANSYS18.0工程應用》（田建輝 主編）。以有限元基本理論為核心，通過工程實例，以ANSYS 18.0的建模、分網、加載、求解和結果處理為順序講解；以靜力分析、非線性分析等幾個專題為切入點，以網絡ANSYS操作視頻為輔助，對其進行了詳細的介紹，相輔相成、相互促進，做到理論和實踐操作指導相對應。

4 課程特色與創新

1）線上激勵特色是：通過真實的案例引導、生動的PPT多媒體視頻講授和多樣化的考核形式激發學生的學習興趣，幫助學生深層次理解有限元分析。線下激勵特色是：通過深入淺出的有限元理論教學、學生在機房進行實踐操作，老師講解有限元分析軟件常見的問題，如計算時單元選擇和網格劃分參數選擇等問題，課外學生完成老師布置的工程問題研究任務，促進學生科研實踐能力和自我激勵能力的培養。線上線下有機結合，相互反饋，形成教學激勵閉環。

2）通過先進教學方式激勵法、情感激勵法、經濟激勵法和科技激勵法學習有限元課程，利用有限元方法解決影響因素眾多、步驟繁雜的工程問題，揭示工程問題中蘊含的數學與力學原理，學生在“提出問題”與“尋求解答”的交互激勵中完成了由“被動學習”到“主動學習”的轉變，培養學生將工程問題轉化為簡單力學模型問題求解的能力，為我國創新發展人才的培養提供有力的支撐。

3）通過理實并舉、案例引導和任務驅動，學生掌握工程上完成有限元分析任務的基本流程，學會撰寫有限元分析研究報告，培養學生團隊協作和激勵精神，并引導學生畢業擇業優先考慮結構設計、施工仿真模擬方面的工作，構建有限元課程培養學生創新激勵能力培養新體系。

4）通過調研學生所遇的實際問題，對不同學生實施有針對性的激勵方法，以達到因材施教、所有學生共同發展的目標。

5 應用實例

在本課程的線上教學中通過發動機葉片、缸體缸蓋五軸數控加工等真實案例引導，線下通過生動的PPT及視頻講授，幫助學生理解理論知識，如講授結構靜力分析時加入高速旋轉齒輪靜力分析實例，幫助學生深層次理解有限元分析過程，在實際操作中從感官上刺激學生學習興趣，幫助學生深入淺出地理解有限元理論，圖2中展示了高速齒輪旋轉時的徑向應力分布情況。課下老師布置該工程問題的各種參數（如網格數量、單元類型選擇）優化研究任務，學生獨立完成任務并提交給老師，促進了學生科研實踐能力的提高。

圖2 徑向應力分布圖

在課下鼓勵學生積極探索前沿科技、參與科研項目和學科競賽，融合多種激勵方法給予學生情感、專業知識及經濟上的幫助。老師調研學生的學習基礎和所遇問題后，發現部分同學機械原理基礎薄弱，然后通過及時答疑的情感激勵法幫助學生解決技術上、心理上的困難，很快補足了這一短板。同時通過經濟激勵法鼓勵學生積極完成科研項目，老師引導學生申請專項科研項目，立項后學生能夠在老師的指導下獨立思考分析問題和解決問題，在學生的積極配合下也產生出了多項科研成果，如“杠桿式臨時緊固件”、“磁力作用的臨時緊固件”、“弱剛度軸類零件環切徑縮式裝置”等，學生不僅能完成項目、在期刊發表論文，還完成了新型專利的申請，同時參與項目的學生每月也獲得了600～800 元的勞務補貼，有效地解決了學生生活問題。上述實施效果證實了線上線下教學激勵策略一體化能激發學生對學習專業知識的興趣，還能培養學生成為能夠解決實際問題的創新型人才。

6 結論

以馬斯洛需求層次理論為歸宿，通過線上線下教學激勵策略一體化下的有限元分析課程，傳授學生專業知識的同時，引導了學生關注科技前沿，鼓勵了學生探索科技問題。利用情感激勵法關注學生發展，了解學生面臨的具體狀況，解決了學生所遇問題。通過科技激勵法和經濟激勵法，鼓勵了學生參與科研項目與競賽，通過申請縱向和橫向科研經費，給予學生經濟上的支持和科技榮譽。采用先進教學方式激勵法，做到了因材施教，努力達到了所有學生齊發展的目標。實踐表明：線上線下教學激勵策略一體化教學能夠激發學生有限元課程興趣和培養學生有限元方法學習熱情，提高了學生對有限元分析的深層次理解，培養了應用有限元方法解決工程應用問題的創新型人才。所提出的激勵策略同樣也適用其它理工科課程。