習題環節結合CAE輔助手段主導的教學模式設計與應用

[摘 要] 探索在教師協助下學生主動學習工程力學的新模式，即教師先依據大綱明確每節課的主要知識點，學生圍繞這些知識點，通過課前預習、課中聽課、自主學習解答等環節，以分組形式自選或自行設計相關習題，完成習題解答，提交學習報告，最后由教師主導對提交的報告進行定量考核評估。課堂精講環節教師可利用CAE計算軟件作為輔助教學工具，以增強學生的學習興趣，加深其對理論知識的理解。通過在教學實踐中的大膽嘗試，發現該方法能明顯提高學生的學習興趣和質量。

[關鍵詞] 工程力學；習題；CAE；輔助教學；主動學習

[中圖分類號] N4 [文獻標識碼] A [文章編號] 1005-4634（2013）03-0077-03

0 引言

工程力學是工程管理、機械、交通物流等專業的核心基礎課程之一。目前應用型本科院校的學生數學與力學基礎較一般，主動學習的意識不強，稍遇理論難點就產生畏難情緒，消極應對，影響了學習的興趣和效果。以高中階段牛頓力學理論為基礎，學生容易掌握理論力學階段的剛體平衡與運動分析理論方法，但從材料力學部分開始的變形體理論與分析方法則不容易理解和接受。在課時量被要求縮減的今天，如果教學方法、理念不改革，難以達到良好的教學效果。因此，除了學風建設外，迫切需要積極探討工程力學課程教學模式改革，引導學生主動學習、增強學習興趣、鍛煉實踐能力。

教學實踐表明，在課內適當利用CAE計算分析軟件作為輔助手段，其豐富的圖文信息可增強學生的感性認識、提高學習興趣，從而一定程度上達到改善教學效果的目的[1-4]。另外，根據力學課程注重練習的特點，如果恰當安排課堂練習與課后作業環節，學生會感覺有明確的目標，往往能積極努力并取得一定效果。但目前安排課堂練習與課后作業環節的一般做法存在一些弊端，如對完不成課堂練習的缺乏約束機制，課后作業存在抄襲現象等。

為此，筆者在教學實踐中嘗試改變傳統的教學模式，以圍繞每節課主要知識點的習題環節的設計與完成為主要任務目標，來主導學生課前準備、課中聽課與自學、課后補充等各個階段的學習與實踐。課堂精講時教師適當采用CAE計算軟件輔助學生理解，要求學生在教師引導下以小分組方式完成習題設計與解答，教師及時給予定量評估考核，以充分調動學生的學習主動性，提高學習質量。

1 傳統教學模式中習題環節的特點分析

習題環節是掌握與鞏固所學工程力學理論知識的重要教學環節之一。其形式包括課堂內與所授理論知識密切相關的例題、每章節后的思考題和練習題、課外習題、工程實例等。如何合理靈活地安排習題環節，對于保證教學質量非常重要。在強調培養學生自主學習能力和學習興趣的今天，“精講多練”是工程力學課程的基本教學原則之一，尤其應注重習題環節的設計與運用。

1.1 傳統習題環節設計

傳統教學以教師主導課堂講述、學生被動接受知識為主，習題環節安排在理論講述之后，或為課后作業形式，具體步驟如下：原則上要求學生作適當的課前預習，但一般沒有具體安排或硬性規定。課堂上主要由老師直接講授理論，并輔以例題講解。為檢查教學效果，課中可能抽時間安排課堂練習環節，一般是通過點名找學生上講臺答題，抽查學生掌握情況，再由教師點評解析；課后再布置幾道習題作業由學生完成并提交，教師進行批改并在下次課前進行適當點評，重點解決突出問題，這樣既鞏固了學生所學，又起到引導新授內容的作用。

1.2 傳統教學模式中習題環節設計存在的問題

上述傳統教學模式存在一些缺陷，操作時存在一些問題：（1）課前預習沒有明確的安排與硬性要求，難以對學生產生約束力，學生往往也沒有足夠的課前準備，始終處于被動聽課狀態，容易出現難以掌握授課內容的問題，這與主動學習、注重能力培養的原則要求顯然不符；（2）采用灌輸式教學方式完成教學任務，手段單一，難以激發學生的興趣；對自覺性差的學生尤其難以收到良好效果；（3）課堂練習與抽查方式缺乏充分的調動作用，部分學生（甚至包括被點名抽查者）以不會做題為由消極應對，被抽查者的答題情況也不一定反映整體實際情況，抽查作答與教師詳細點評講解整個過程會耽誤不少課堂時間。筆者曾采用根據抽查者完成情況而給予其平時成績加減分的獎懲制度，可產生一定約束作用；（4）布置課后作業缺乏約束，難以避免學生抄襲現象，很容易導致兩極分化：對教師而言，作業布置的多則批改任務繁重，目前高校教師一職多能，往往難以完成；而作業少則使得學生缺乏應有的練習訓練，影響學生的積極性與對本課程的重視程度。

總之，在現今創建應用型本科院校的大環境中，傳統單一的教學模式缺乏有效的調動作用與約束機制，不符合現代教學理念，有必要進行改革。

2 習題環節結合CAE輔助手段的教學模 式設計

由于習題環節的重要性，提出強化習題環節的主導作用，由教師引導，學生以小分組的形式在課前、課中自選和設計相應習題并完成解答，習題內容要求覆蓋本節課的主要知識點。由教師主導建立相適應的考評方法以形成有效的約束機制。課中教師精講和學生自主學習時可采用CAE輔助手段，充分調動學生的興趣，加深其對理論概念的理解。

2.1 設計方法原則

（1）借鑒CDIO工程教育模式的理念，尊重學生個性與能力的客觀差異，充分發揮學生的主觀能動性；（2）充分運用CAE輔助手段等多樣化方式，服務于教師精講過程以及學生自主學習完成習題環節設計與解答的過程；（3）由學生主導完成選擇性學習與練習實踐過程，教師只起輔助引導作用；（4）以教師主導、學生參與的方式建立有效的量化評估考核方法，激勵學生積極參與教改實踐。

2.2 主要設計內容及實施步驟

內容步驟如下：（1）課前準備。在課前教師應根據大綱與教案要求，明確概述本次課的主要知識點，學生針對性地預習以作好課前準備，2～3人組成一個學習小組，完成預習報告。預習報告的內容包括：主要知識點概述；選擇或自行設計2～3道相關習題并提供初步的計算步驟；理論聯系實際部分，提供工程實例或CAE分析模塊。要求小組成員分工并用手寫方式完成上述內容。預習報告的重點在于初步準備好習題環節，習題難易程度等不作限制；（2）課中學生自主學習與教師初查。每節課開始時，學生先按小組提交預習報告，并在教師引導下自學課程內容20分鐘左右，教師則查閱提交上來的預習報告并給出初步評分；（3）教師精講環節。教師圍繞該章節主要知識點，少時精講，原則上不超過30分鐘。教師應抓住核心和難點，解決學生預習中存在的疑惑，特別是對學生習題環節設計與初步完成情況進行點評與提示。教學方法與手段要根據需要多樣化，如可采用CAE分析軟件輔助教學；（4）學生小組修改習題設計并完成作答環節。教師進行引導性、啟發性精講后，學生進一步自學，并補充修改小組報告中的習題設計和基本解題步驟，在此基礎上各小組成員獨立完成具體作答步驟，將答題結果附在所修改的小組報告中再提交。教師應與各學生小組互動交流，即時給予指導；（5）定量考評與互動環節以及教師對下節課內容的安排提示。由教師負責、部分學生組長參與的考評活動中，通過輪流抽查方式來檢查一些小組在課堂中的習題完成情況，未被考核的小組的答題報告可由教師在課余進行審閱，將定量考評結果直接記入學生的平時成績。最后由教師概述下節課的內容重點、作自學方法的提示，并回答學生的疑問。

2.3 實踐過程介紹

根據上述原則與實施步驟的基本設想，對一些章節實施了教改實驗，如材料力學部分的“彎曲梁橫截面應力”一節[5]。根據以往經驗，對于梁彎曲內力與應力、變形與應變概念以及變形體理論特別是利用三大關系來推導求解應力等理論方法，不少學生理解模糊；對于不同橫截面形狀梁的實際應力分布特征，學生也缺乏清晰的感性認識，難以理解平均應力分布假設的意義。

在課前教師就要求學生做好預習準備，并按小分組寫好學習報告，根據教材相關章節的內容安排和以往經驗，強調注意如下內容要點：（1）純彎曲與橫力彎曲的區別；（2）平衡、幾何、物理三大關系的概念意義以及彎曲梁應力解推導過程；（3）彎曲梁橫截面應力計算例題；（4）不同橫截面形狀梁應力分布特點以及平均應力公式。

課中首先由教師檢查學生小組的學習報告并安排學生自學，在提交的近30份報告中，發現學生對主要知識點的簡介都比較清楚，在習題準備和實踐分析討論環節，個別小組完全完成了所提供習題的解答，還提供了貼近實踐的小案例；近1/2的小組則選擇了課后習題并給出了解答步驟；仍有一些小組準備不充分，簡單的附上了兩個習題，沒有考慮作答和實踐分析討論環節，甚至有報告內容雷同的現象。教師按A～D四個等級給予初評分。

教師精講環節中，重點講解利用三大關系推導求解梁彎曲應力等理論疑難點，通過PPT演示了利用CAE軟件建模分析過程和結果，如用ANSYS對不同橫截面3D梁的彎曲受力分析（如圖1），展示梁變形圖、橫截面上應力分布圖等結果，使學生對內力與應力應變等概念有了比較清晰的認識。

習題解答與評估環節，由于之前的學習準備較充分，絕大部分學生能獨立、迅速地完成自己安排的習題作業。一些小組選擇了同一課后習題，如矩形截面懸臂梁橫截面應力計算題[5]，教師要求其修改梁的支座和荷載條件，加以區別。現場抽查了近10組的做題情況，對其題目設計合適性、難易程度與完成情況作了量化評估，總體來說效果良好。

3 習題環節和CAE輔助教學模式的優缺點

實踐發現，利用習題環節主導教學過程的優點在于：（1）強調了課前預習的重要性，通過審閱小組學習報告的方式明確了考核內容，較大程度上保證了學生課中的學習質量與效率，避免了課前學生不預習、課中聽不懂易開小差、課后完成作業困難的問題；（2）由學生通過小組方式自選或自行設計習題，在強調覆蓋主要知識點的前提下，對題型、難易程度、解答方式等不加限制，保證了小組成員能獨立完成作業，避免統一布置作業方式難以兼顧學生成績與能力的差異、容易出現抄襲現象的問題；（3）可以培養學生抓住課程主要知識點并運用于解決相關問題的能力，一定程度上鍛煉了學生的學習自主性。學生課前、課中也有較充分的時間主動學習；（4）利用PPT及CAE軟件工具可以增強學生對相關概念的清晰認識。實踐發現如果多次運用同一CAE工具輔助教學，學生會一定程度了解CAE計算原理，并喜歡利用該工具進行分析驗證。

該方法在實施過程中發現一些問題：如個別小組的學生預習工作不充分，存在抄襲、應付學習報告的現象；部分學生直接在教材上找習題，不積極找其他信息資料，缺乏自主設計的思想，對相應知識點實踐應用的分析探討缺乏深度。

4 結束語

本文探討了利用習題環節和CAE輔助方式主導教學過程的方法，強調學生通過自主學習和實踐嘗試提高自身能力，能調動學生自主學習的積極性，提高學習興趣和質量，但相應的考評機制（特別是目前期末考試為主評定成績的考核模式）以及其他操作細節上還需進一步完善。

參考文獻

[1]黃輝，王喜蓮，王毅.在習題完成環節中實現自主學習的研究與實踐[J].電氣電子教學學報，2005，27（5）：24-27.

[2] 鎖小紅，吳培寧，孫曉霞，王虎軍.工程力學的CAE輔助教學探討[J].科技創新導報，2010，（36）：178.

[3]趙連華.基于VB和ANSYS的材料力學仿真實驗系統[J].長沙航空職業技術學院學報，2007，7（1）：23-25.

[4]張春紅.基于CDIO理念的“工程力學”課程教學初探[J].科教縱橫，2012，（4）：260-261.

[5]高潮.工程力學[M].北京：科學出版社，2012.