工程力學專業程序設計語言課程教學實踐和探索

曾國偉，李欣宇，鄭華升

摘要：根據工程力學專業的特點，在開設的程序設計語言課程（FORTRAN和C語言）教學過程中開展了教學實踐和探索。針對程序設計語言課程教學現狀、存在的問題，首先，優化課堂理論教學手段并培養學生建模思想，然后利用課堂實踐培養學生語法規則，最后，注重上機能力培養。這些措施有效地提高了工程力學本科生的計算機編程和動手創新等方面的能力，同時也為工科非計算機專業程序設計語言課程教學改革提供了有益經驗。

關鍵詞：工程力學專業；程序設計語言；理論教學；實踐教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）41-0153-02

沒有現代力學，就沒有現代化工業的基礎。工程力學專業是各工程領域中均有一定涉及的基礎工科專業，該專業主要研究制造、能源、交通、建筑等領域的相關力學問題[1]。因此，工程力學是最為典型的“厚基礎、寬口徑”專業，根據學科特點，本專業基礎課程特別突出了對學生力學知識、數學知識、實驗及計算機軟件應用與編制能力的培養，使他們成為以應用與發展計算機和實驗技術進行設計分析和適應國際國內建設需要的跨學科復合型人才。

FORTRAN和C語言是目前力學領域應用非常普遍的程序設計語言[2-4]，FORTRAN語言從字面上稱為公式翻譯語言（FORmula TRANslation Language），被廣泛應用于數值計算和數據采集處理領域。C語言則是高度可移植的語言，具備豐富的運算符，被各個領域廣泛采用并被選為計算機二級考試科目。鑒于以上優點，這兩門語言被選為我校工程力學專業本科生必修課程。進校后第一門編程課為FORTRAN語言，目的是使同學們掌握程序設計的基本原理和方法，安排在大一第二學期開課。而C語言程序設計課程則安排在大二第一學期開課，目的是鞏固程序設計的方法，并開拓自我學習程序語言能力。本文在總結教學現狀和缺點的基礎上，研究探索如何提高這兩門課程的教學質量，培養學生的編程能力，從而提高學生自主創新能力。

一、程序設計課程教學現狀與不足

目前的程序設計語言教學課程主要教學順序如圖1所示，可以看出，這種線性的教學模式對于學生從零基礎到基本可以閱讀程序起到了顯著效果。但從歷年來教學反饋情況來看，以上兩門課程教學存在以下問題：

1.學生們感到概念抽象，語法規則太多，運行容易出錯，線性教學造成同學們對于程序語言的理解停留在表面，無法真正實施到解決問題方面，自主編寫與調試程序能力的提高非常有限。

2.教師感到授課時主從輕重層次感不強，教法比較單一乏味等，而實例教學，包括課堂例題和自選習題的效果均不能令人滿意。對于工程力學專業同學來說，能否采用程序設計語言自己變成計算能力是至關重要的，然而實際情況是編程語言課程與力學課程基本沒有建立聯系。

二、改進措施與教學實踐

1.通過建模強化歸納能力。通過分析近幾年學生的就業情況，工程力學專業的本科生，有很大一部分是從事工程問題力學計算和分析工作的[5]，這就要求學生熟練掌握建模方法。建模過程中鼓勵學生大膽想象，啟發學生模擬當時知識發生的情形，培養學生的建模興趣和創新能力。

學習程序設計就是為了解決問題。在講授內容上要有所側重。理論教學課時非常有限，因此要抓住重點，忽略細節，在語法規則上不要花太多課時去一一描述，而把大量課時用在模型實例上。尤其鼓勵學生以工程與數學問題為導向，以模型為方法，切實掌握將實際問題歸納為數學模型的思維方法[6]。

建立抽象模型的步驟如圖2所示。可以看出，在分析問題時，需要弄清以下問題：（1）這個問題能否用程序設計語言解決；（2）這個問題需要哪些條件參數；（3）這個問題模型方程能否反映模型關系；（4）怎樣求解方程中自變量與因變量的關系；（5）怎樣驗證模型。模型如果驗證沒有通過，就要回到第二步抽象簡化重新推導。例如彈性力學中常見的各項同性材料三維應力應變關系模型，在FORTRAN和C語言編程時，必須以實驗數據對比模型預測數據曲線，以佐證模型的合理性。

2.通過習題強化細節。課堂教學不是主講教師唱獨角戲，應適當增加習題練習，著重提高學生的自學能力。通過與學生的廣泛交流，我們發現學生聽講后，仍然處于一種模糊的知識吸收狀態，要想切實記住語法規則，是一個構造性思維過程。加強鞏固的辦法就是多實踐，一般來說有兩個辦法。一個辦法是課堂討論，充分發揮學生的積極性和主動性，讓學生經過一定準備后，站在講堂上，梳理出本堂課的重難點；另一個辦法是課堂作業，運用本課講授的各種方法，結合程序設計語言實例進行少而精的課堂作業，所有同學必須參與，形成文字或者文檔資料并上交。作業批改后進行講解，重視學生的分析問題解決問題能力，適時引導學生對作業的反饋討論。

3.通過上機強化實踐能力。國內一流高校非常重視工程力學本科生的工程計算能力，歸根到底就是實踐和課程的無縫銜接。因此，在老師的指導下，學生把所遇到的工程問題進行簡化、建模，再利用所學程序設計知識進行分析、計算，是本科生培養環節中的重要組成部分。程序設計課程上機課時偏少，將直接導致學生編程應用能力的下降。因此必須有針對性地進行上機培訓，上機教學的要求是加強對學生計算機編程方法和技能的基本訓練，培養學生調試程序的本領及獨特的動手能力。學生要以認真態度弄懂弄通編譯軟件原理，正確實施上機過程、分析上機結果，要以科學態度，按大綱的要求完成每個上機項目。

在語法正確的前提條件下上機練習，尤其是正確編寫、調試、運行自己編寫的程序，會給學生帶來滿足感。學生發現，紙面上設計好的程序只是看上去很美，實際上機操作時會出現很多錯誤和警告。因此，上機之前，首先要安撫學生情緒，讓他們明白即使是編程高手，也需要大量的調試程序工作，在程序調試中學習事半功倍，更是一種實際環境的模擬，對以后的工作和學習益處多多。此外，上機過程中，教師應加強巡視，及時解答學生的疑難問題，并督促學生認真保存源程序，寫好實驗報告，寫出運行結果和上機體會。

三、總結

通過以上教學改革方法，讓工程力學專業學生在學習程序中發展建模思想，注重語法規則，最后將計算思維融入到程序設計語言學習中，提高學生計算機應用和解決工程實際問題的能力，為進一步的學習與工作奠定良好的計算機應用能力基礎，同時也為工科非計算機專業程序設計語言課程教學改革提供了有益經驗。

參考文獻：

[1]曾國偉，磨季云，李欣宇.工程力學專業有限元教學及其實踐的教學改革探索[J].教育教學論壇，2015，（48）：113-114.

[2]崔清亮.FORTRAN語言課程教學實踐與探析[J].山西農業大學學報（自然科學版），2007，27（5）：99-101.

[3]孟慶新.基于應用型技術技能型人才培養的C語言教學改革[J].電腦知識與技術，2016，12（31）：127，130.

[4]徐熾.高校FORTRAN語言程序設計課程教學改革與實踐[J].課程教育研究，2015，（19）：250-251.

[5]楊坤，趙同彬，程國強，等.工程力學特色專業背景下人才培養模式的探索與實踐——以山東科技大學工程力學專業為例[J].科教文匯，2015，（3）：63-65.

[6]蔣政.計算機程序設計語言教學中引導學生建立數學模型[J].成功（教育版），2009，（9）：160-161.endprint