“有限元分析與應(yīng)用”課程混合式教學(xué)模式探索與實踐

摘要：本文以國家一流課程建設(shè)為契機，以“智慧課堂、人文課堂、思政課堂”為定位，開展了機械工程專業(yè)“有限元分析與應(yīng)用”課程線上線下混合式教學(xué)模式的探索與實踐。開發(fā)課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，并制定了課程教學(xué)內(nèi)容和預(yù)期目標(biāo)。設(shè)計混合式教學(xué)模式，實現(xiàn)了啟發(fā)教學(xué)和誘導(dǎo)教學(xué)同步推進、科研案例和工程實例科學(xué)融入、多維互動和翻轉(zhuǎn)課堂貫穿始終、評價體系和評分機制并行構(gòu)建，強基礎(chǔ)、重應(yīng)用，融“知識一能力一素質(zhì)”三位一體。通過混合式教學(xué)模式的實施和教學(xué)效果分析，證明了混合式教學(xué)模式能夠有效實現(xiàn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性的提高和學(xué)生創(chuàng)新能力的激發(fā)。

關(guān)鍵詞：有限元分析與應(yīng)用；混合式教學(xué)；模式探索；教學(xué)實踐

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-260X（2024）10-0084-04

“國勢之強由于人，人材之成出于學(xué)。”教育是一項關(guān)于實現(xiàn)社會主義現(xiàn)代化強國宏偉目標(biāo)的重大戰(zhàn)略工程。國家一流課程的設(shè)定，為高校奮力創(chuàng)建高水平育人體系和課程體系提供了良好的契機。教育部吳巖司長曾提出，混合式教學(xué)要成為今后高等教育教學(xué)新常態(tài)。這是一種基于“線上線下”優(yōu)勢互補的新型模式，既可以突破線下教學(xué)的時空壁壘短板.又可彌補線上教學(xué)的“師生分離”缺陷。這種融合既具備多維度的特點，又有多模式、多階段性的優(yōu)勢，是一種全方位的創(chuàng)新和突破。

本文涉及的機械工程專業(yè)“有限元分析與應(yīng)用”課程（以下簡稱“本課程”），密切結(jié)合工科院校本科辦學(xué)的定位目標(biāo)和人才培養(yǎng)宗旨，以培養(yǎng)高端裝備制造、智能制造領(lǐng)域核心技術(shù)攻關(guān)和創(chuàng)新人才為目標(biāo)，積極開展了線上線下混合式教學(xué)模式（以下簡稱“混教模式”）的深入探索與實踐。

1課程建設(shè)基本情況

傳統(tǒng)教學(xué)模式大多側(cè)重于對有限元分析軟件的講授，缺乏理論支撐，導(dǎo)致學(xué)生無法對有限元基本概念和理論的深入理解。國內(nèi)部分高校雖然開設(shè)了相關(guān)課程，但因課程知識面寬、理論性強、部分概念和知識點抽象等特點，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性不高。因此，如何根據(jù)學(xué)生的實際學(xué)情，在有限的教學(xué)課時內(nèi)提高教學(xué)質(zhì)量，是教師亟需解決的問題。

據(jù)此，本課程集合信息化教學(xué)優(yōu)勢，依托超星爾雅學(xué)習(xí)平臺，開發(fā)了課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺并投入使用，并配備國家精品課程實行輔助式教學(xué)。本課程章節(jié)方面，設(shè)置7章，共計32個學(xué)時，具體教學(xué)內(nèi)容及章節(jié)課時安排如表1所示。每個章節(jié)都配有豐富的學(xué)習(xí)資源，對重要的教學(xué)環(huán)節(jié)開展質(zhì)量診斷。

本課程以“智慧課堂、人文課堂、思政課堂”為定位，以網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺建設(shè)為依托，以學(xué)生綜合能力提升為目的，制定預(yù)期目標(biāo)如下：（1）知識目標(biāo)：掌握理論知識涉及的基本概念、原理和方法，掌握相關(guān)分析軟件的基本運用技巧，初步具備對機械結(jié)構(gòu)進行建模、模擬、分析和解釋的能力。（2）能力目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜現(xiàn)實工程和科研問題的能力，深入探究、大膽質(zhì)疑的科學(xué)素養(yǎng)和踏實嚴謹、勇于創(chuàng)新的求實態(tài)度，適應(yīng)終身學(xué)習(xí)的需要。（3）素質(zhì)目標(biāo)：基于課程內(nèi)容，實施思政教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生的法律和規(guī)則意識，“潤物細無聲”地培養(yǎng)學(xué)生的使命感和責(zé)任感。

相較國內(nèi)外同類課程，本課程主要優(yōu)勢為：（1）基于機械工程類本科生的培養(yǎng)目標(biāo)，以能力發(fā)展為中心，確立的教學(xué)內(nèi)容符合機械工程本科生培養(yǎng)目標(biāo)的要求，具有明顯的專業(yè)特色。（2）綜合考慮理論知識與軟件操作的互聯(lián)性，理論教學(xué)與軟件操作穿插進行，使學(xué)生做到“知其然、知其所以然”。（3）課程內(nèi)容重點、難點突出，理論聯(lián)系實際，反映學(xué)科前沿，強化創(chuàng)新能力。尤其，將教師團隊的橫、縱向科研內(nèi)容融入教學(xué)過程，強化了學(xué)生獨立思考問題和解決復(fù)雜工程、科研問題的能力。（4）課程實施過程中，全時空融入思政元素，融“知識—能力—素質(zhì)”三位一體，通過名言警句、科普視頻、名人事跡、科技新聞等方式實現(xiàn)寓道于教、寓德于教。

2混教模式的探索

基于課程知識面寬的特點，全面拓寬教學(xué)時空，以學(xué)生為中心，以問題為引導(dǎo)，強基礎(chǔ)、重應(yīng)用、融思政，大幅提高教學(xué)質(zhì)量。本課程設(shè)計的混教模式如圖1所示，互動教學(xué)采用課前、課后、課內(nèi)、課外、線上、線下的“六維空間”來實現(xiàn)，課堂交互環(huán)節(jié)穿插簽到、選人、搶答、投票等“十面埋伏”式線上活動，實例教學(xué)通過“翻轉(zhuǎn)課堂”實現(xiàn)。課前：引導(dǎo)預(yù)習(xí)、診斷學(xué)情；課后：分享反思、鞏固深化。線上：在線學(xué)習(xí)、答疑解惑；線下：學(xué)習(xí)探究、拓展提升。課內(nèi)：分組討論、翻轉(zhuǎn)課堂；課外：教研結(jié)合、改革創(chuàng)新。

“言為士則、行為世范”。教學(xué)實施過程中，教師團隊積極開展全時段、全方位的服務(wù)，實時關(guān)注學(xué)生各個時段的學(xué)習(xí)狀況和進度。

“躬耕不輟、筑夢育人”。不僅注重學(xué)生知識的掌握和能力的提升，還重點關(guān)注學(xué)生思想品德品質(zhì)的塑造。

“啟智潤心、因材施教”。以創(chuàng)新理念指導(dǎo)教學(xué)過程，鼓勵學(xué)生積極參與教師科研項目，采用科學(xué)的研究方法解決現(xiàn)實問題，將研究結(jié)果指導(dǎo)實踐教學(xué)。

“勤學(xué)篤行、求是創(chuàng)新”。創(chuàng)建基于專業(yè)認證的課程“評價—反饋—改進”機制，見圖2.利用大數(shù)據(jù)信息化平臺，開展教學(xué)全過程的記錄和考評，實現(xiàn)教學(xué)過程的持續(xù)改進。

“樂教愛生、甘于奉獻”。教學(xué)評價注重融合創(chuàng)新，學(xué)生成績采用多種成績加權(quán)求和方式給出，其中課程作業(yè)（占比60%），主要考核學(xué)生對所學(xué)知識的掌握程度，具體評判標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

“胸懷天下、以文化人”。優(yōu)選教學(xué)內(nèi)容、強化創(chuàng)新思維，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，實施個性化、差異化教學(xué)，最大程度地發(fā)揮師生的主觀能動性，全方位、多維度、多角度的提高“教”與“學(xué)”的質(zhì)量。

3混教模式的實施

以本課程章節(jié)“2.3 網(wǎng)格劃分”之“網(wǎng)格獨立性分析”為例，教學(xué)規(guī)劃如圖3所示。

主要設(shè)計意圖如下：（1）課前：拓展學(xué)習(xí)的時間和空間，根據(jù)學(xué)生的個人實際，實現(xiàn)個性化、差異化學(xué)習(xí)。（2）課中：培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的意識、深入探索的能力和嚴謹科學(xué)的求真態(tài)度。（3）課后：培養(yǎng)學(xué)生深入學(xué)習(xí)、繼續(xù)學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)的能力。

課程實施細節(jié)介紹如下：（1）通過設(shè)置問題“網(wǎng)格數(shù)目越多，得到的結(jié)果越精確，但計算效率越低，那么什么樣的網(wǎng)格是最合適的”，引出本節(jié)課的主題。（2）知識講解主要包括：網(wǎng)格獨立性分析的目的和意義，網(wǎng)格獨立性分析的具體步驟（含軟件操作）。（3）分組練習(xí)通過線上隨機分組，要求每組選擇一個模型，組員分工協(xié)作，教師答疑解惑，結(jié)果做成PPT上傳到課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，學(xué)生開展組間效果互評和組內(nèi)貢獻互評。（4）執(zhí)行翻轉(zhuǎn)課堂的學(xué)生通過選人隨機確定，講解詳細的分析過程和結(jié)論，教師現(xiàn)場點評，指出亮點和不足。（5）學(xué)生評課采用給老師課堂表現(xiàn)評分和提意見的方式進行，教師通過對結(jié)果分析，優(yōu)化教學(xué)資源，改進上課方式。（6）知識拓展部分上傳教師近年來發(fā)表的相關(guān)科研論文，讓學(xué)生切實感受網(wǎng)格獨立性分析在有限元計算中的重要性，并借此了解教師的研究課題，開闊眼界。（7）教學(xué)過程中課程思政切入：其一，通過網(wǎng)格獨立性分析的核心思想引入“得道之本，握少以知多；得事之要，操正以正畸”（引自《道原經(jīng)》）；其二，組間效果互評前要求學(xué)生做到“實事求是，查擺問題”，互評后要求學(xué)生做到“立查立改，即知即改”。

4教學(xué)效果展示

截至目前，課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的訪問人數(shù)已超過75萬，選課學(xué)生已超過1700人。課程于2022年獲批安徽省高等學(xué)校省級質(zhì)量工程項目和安徽省新時代育人質(zhì)量工程項目、于2023年獲批第二批國家一流本科課程。通過對不同年級機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)學(xué)生的表現(xiàn)及課程目標(biāo)達成度的分析發(fā)現(xiàn)，混教模式的實施明顯提高了學(xué)生上課的積極性，使課程目標(biāo)的達成度平均提高了約19%。以本課程為基礎(chǔ)，指導(dǎo)學(xué)生授權(quán)發(fā)明專利7項；參加各類省部級以上比賽30余項，獲得國家級賽事一等獎5項、二等獎12項、三等獎9項。

5結(jié)束語

本文以“智慧課堂、人文課堂、思政課堂”為定位，開展了機械工程專業(yè)“有限元分析與應(yīng)用”課程線上線下混合式教學(xué)模式的探索與實踐，主要內(nèi)容包括和結(jié)論包括：（1）基于本課程的課程特色和授課難點，制定了教學(xué)內(nèi)容和預(yù)期目標(biāo)，開發(fā)了課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺。與國內(nèi)外同類課程相比，本課程優(yōu)勢明顯。（2）為全面拓寬教學(xué)時空，制定了以學(xué)生為中心、以問題為引導(dǎo)、強基礎(chǔ)、重應(yīng)用、融思政的混教模式，創(chuàng)建了基于專業(yè)認證的課程“評價—反饋—改進”機制，制定了詳盡的評分準(zhǔn)則，最大程度地發(fā)揮了師生的主觀能動性，全方位、多維度、多角度地提高了“教”與“學(xué)”的質(zhì)量。（3）以本課程內(nèi)容之“網(wǎng)格獨立性分析”為例，展示了混教模式在整個教學(xué)過程的具體實施，通過教學(xué)效果的展示，表明了本課程設(shè)計的混教模式能夠有效實現(xiàn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性的提高和學(xué)生創(chuàng)新能力的激發(fā)。