习题环节结合CAE辅助手段主导的教学模式设计与应用

[摘 要] 探索在教师协助下学生主动学习工程力学的新模式，即教师先依据大纲明确每节课的主要知识点，学生围绕这些知识点，通过课前预习、课中听课、自主学习解答等环节，以分组形式自选或自行设计相关习题，完成习题解答，提交学习报告，最后由教师主导对提交的报告进行定量考核评估。课堂精讲环节教师可利用CAE计算软件作为辅助教学工具，以增强学生的学习兴趣，加深其对理论知识的理解。通过在教学实践中的大胆尝试，发现该方法能明显提高学生的学习兴趣和质量。

[关键词] 工程力学；习题；CAE；辅助教学；主动学习

[中图分类号] N4 [文献标识码] A [文章编号] 1005-4634（2013）03-0077-03

0 引言

工程力学是工程管理、机械、交通物流等专业的核心基础课程之一。目前应用型本科院校的学生数学与力学基础较一般，主动学习的意识不强，稍遇理论难点就产生畏难情绪，消极应对，影响了学习的兴趣和效果。以高中阶段牛顿力学理论为基础，学生容易掌握理论力学阶段的刚体平衡与运动分析理论方法，但从材料力学部分开始的变形体理论与分析方法则不容易理解和接受。在课时量被要求缩减的今天，如果教学方法、理念不改革，难以达到良好的教学效果。因此，除了学风建设外，迫切需要积极探讨工程力学课程教学模式改革，引导学生主动学习、增强学习兴趣、锻炼实践能力。

教学实践表明，在课内适当利用CAE计算分析软件作为辅助手段，其丰富的图文信息可增强学生的感性认识、提高学习兴趣，从而一定程度上达到改善教学效果的目的[1-4]。另外，根据力学课程注重练习的特点，如果恰当安排课堂练习与课后作业环节，学生会感觉有明确的目标，往往能积极努力并取得一定效果。但目前安排课堂练习与课后作业环节的一般做法存在一些弊端，如对完不成课堂练习的缺乏约束机制，课后作业存在抄袭现象等。

为此，笔者在教学实践中尝试改变传统的教学模式，以围绕每节课主要知识点的习题环节的设计与完成为主要任务目标，来主导学生课前准备、课中听课与自学、课后补充等各个阶段的学习与实践。课堂精讲时教师适当采用CAE计算软件辅助学生理解，要求学生在教师引导下以小分组方式完成习题设计与解答，教师及时给予定量评估考核，以充分调动学生的学习主动性，提高学习质量。

1 传统教学模式中习题环节的特点分析

习题环节是掌握与巩固所学工程力学理论知识的重要教学环节之一。其形式包括课堂内与所授理论知识密切相关的例题、每章节后的思考题和练习题、课外习题、工程实例等。如何合理灵活地安排习题环节，对于保证教学质量非常重要。在强调培养学生自主学习能力和学习兴趣的今天，“精讲多练”是工程力学课程的基本教学原则之一，尤其应注重习题环节的设计与运用。

1.1 传统习题环节设计

传统教学以教师主导课堂讲述、学生被动接受知识为主，习题环节安排在理论讲述之后，或为课后作业形式，具体步骤如下：原则上要求学生作适当的课前预习，但一般没有具体安排或硬性规定。课堂上主要由老师直接讲授理论，并辅以例题讲解。为检查教学效果，课中可能抽时间安排课堂练习环节，一般是通过点名找学生上讲台答题，抽查学生掌握情况，再由教师点评解析；课后再布置几道习题作业由学生完成并提交，教师进行批改并在下次课前进行适当点评，重点解决突出问题，这样既巩固了学生所学，又起到引导新授内容的作用。

1.2 传统教学模式中习题环节设计存在的问题

上述传统教学模式存在一些缺陷，操作时存在一些问题：（1）课前预习没有明确的安排与硬性要求，难以对学生产生约束力，学生往往也没有足够的课前准备，始终处于被动听课状态，容易出现难以掌握授课内容的问题，这与主动学习、注重能力培养的原则要求显然不符；（2）采用灌输式教学方式完成教学任务，手段单一，难以激发学生的兴趣；对自觉性差的学生尤其难以收到良好效果；（3）课堂练习与抽查方式缺乏充分的调动作用，部分学生（甚至包括被点名抽查者）以不会做题为由消极应对，被抽查者的答题情况也不一定反映整体实际情况，抽查作答与教师详细点评讲解整个过程会耽误不少课堂时间。笔者曾采用根据抽查者完成情况而给予其平时成绩加减分的奖惩制度，可产生一定约束作用；（4）布置课后作业缺乏约束，难以避免学生抄袭现象，很容易导致两极分化：对教师而言，作业布置的多则批改任务繁重，目前高校教师一职多能，往往难以完成；而作业少则使得学生缺乏应有的练习训练，影响学生的积极性与对本课程的重视程度。

总之，在现今创建应用型本科院校的大环境中，传统单一的教学模式缺乏有效的调动作用与约束机制，不符合现代教学理念，有必要进行改革。

2 习题环节结合CAE辅助手段的教学模 式设计

由于习题环节的重要性，提出强化习题环节的主导作用，由教师引导，学生以小分组的形式在课前、课中自选和设计相应习题并完成解答，习题内容要求覆盖本节课的主要知识点。由教师主导建立相适应的考评方法以形成有效的约束机制。课中教师精讲和学生自主学习时可采用CAE辅助手段，充分调动学生的兴趣，加深其对理论概念的理解。

2.1 设计方法原则

（1）借鉴CDIO工程教育模式的理念，尊重学生个性与能力的客观差异，充分发挥学生的主观能动性；（2）充分运用CAE辅助手段等多样化方式，服务于教师精讲过程以及学生自主学习完成习题环节设计与解答的过程；（3）由学生主导完成选择性学习与练习实践过程，教师只起辅助引导作用；（4）以教师主导、学生参与的方式建立有效的量化评估考核方法，激励学生积极参与教改实践。

2.2 主要设计内容及实施步骤

内容步骤如下：（1）课前准备。在课前教师应根据大纲与教案要求，明确概述本次课的主要知识点，学生针对性地预习以作好课前准备，2～3人组成一个学习小组，完成预习报告。预习报告的内容包括：主要知识点概述；选择或自行设计2～3道相关习题并提供初步的计算步骤；理论联系实际部分，提供工程实例或CAE分析模块。要求小组成员分工并用手写方式完成上述内容。预习报告的重点在于初步准备好习题环节，习题难易程度等不作限制；（2）课中学生自主学习与教师初查。每节课开始时，学生先按小组提交预习报告，并在教师引导下自学课程内容20分钟左右，教师则查阅提交上来的预习报告并给出初步评分；（3）教师精讲环节。教师围绕该章节主要知识点，少时精讲，原则上不超过30分钟。教师应抓住核心和难点，解决学生预习中存在的疑惑，特别是对学生习题环节设计与初步完成情况进行点评与提示。教学方法与手段要根据需要多样化，如可采用CAE分析软件辅助教学；（4）学生小组修改习题设计并完成作答环节。教师进行引导性、启发性精讲后，学生进一步自学，并补充修改小组报告中的习题设计和基本解题步骤，在此基础上各小组成员独立完成具体作答步骤，将答题结果附在所修改的小组报告中再提交。教师应与各学生小组互动交流，即时给予指导；（5）定量考评与互动环节以及教师对下节课内容的安排提示。由教师负责、部分学生组长参与的考评活动中，通过轮流抽查方式来检查一些小组在课堂中的习题完成情况，未被考核的小组的答题报告可由教师在课余进行审阅，将定量考评结果直接记入学生的平时成绩。最后由教师概述下节课的内容重点、作自学方法的提示，并回答学生的疑问。

2.3 实践过程介绍

根据上述原则与实施步骤的基本设想，对一些章节实施了教改实验，如材料力学部分的“弯曲梁横截面应力”一节[5]。根据以往经验，对于梁弯曲内力与应力、变形与应变概念以及变形体理论特别是利用三大关系来推导求解应力等理论方法，不少学生理解模糊；对于不同横截面形状梁的实际应力分布特征，学生也缺乏清晰的感性认识，难以理解平均应力分布假设的意义。

在课前教师就要求学生做好预习准备，并按小分组写好学习报告，根据教材相关章节的内容安排和以往经验，强调注意如下内容要点：（1）纯弯曲与横力弯曲的区别；（2）平衡、几何、物理三大关系的概念意义以及弯曲梁应力解推导过程；（3）弯曲梁横截面应力计算例题；（4）不同横截面形状梁应力分布特点以及平均应力公式。

课中首先由教师检查学生小组的学习报告并安排学生自学，在提交的近30份报告中，发现学生对主要知识点的简介都比较清楚，在习题准备和实践分析讨论环节，个别小组完全完成了所提供习题的解答，还提供了贴近实践的小案例；近1/2的小组则选择了课后习题并给出了解答步骤；仍有一些小组准备不充分，简单的附上了两个习题，没有考虑作答和实践分析讨论环节，甚至有报告内容雷同的现象。教师按A～D四个等级给予初评分。

教师精讲环节中，重点讲解利用三大关系推导求解梁弯曲应力等理论疑难点，通过PPT演示了利用CAE软件建模分析过程和结果，如用ANSYS对不同横截面3D梁的弯曲受力分析（如图1），展示梁变形图、横截面上应力分布图等结果，使学生对内力与应力应变等概念有了比较清晰的认识。

习题解答与评估环节，由于之前的学习准备较充分，绝大部分学生能独立、迅速地完成自己安排的习题作业。一些小组选择了同一课后习题，如矩形截面悬臂梁横截面应力计算题[5]，教师要求其修改梁的支座和荷载条件，加以区别。现场抽查了近10组的做题情况，对其题目设计合适性、难易程度与完成情况作了量化评估，总体来说效果良好。

3 习题环节和CAE辅助教学模式的优缺点

实践发现，利用习题环节主导教学过程的优点在于：（1）强调了课前预习的重要性，通过审阅小组学习报告的方式明确了考核内容，较大程度上保证了学生课中的学习质量与效率，避免了课前学生不预习、课中听不懂易开小差、课后完成作业困难的问题；（2）由学生通过小组方式自选或自行设计习题，在强调覆盖主要知识点的前提下，对题型、难易程度、解答方式等不加限制，保证了小组成员能独立完成作业，避免统一布置作业方式难以兼顾学生成绩与能力的差异、容易出现抄袭现象的问题；（3）可以培养学生抓住课程主要知识点并运用于解决相关问题的能力，一定程度上锻炼了学生的学习自主性。学生课前、课中也有较充分的时间主动学习；（4）利用PPT及CAE软件工具可以增强学生对相关概念的清晰认识。实践发现如果多次运用同一CAE工具辅助教学，学生会一定程度了解CAE计算原理，并喜欢利用该工具进行分析验证。

该方法在实施过程中发现一些问题：如个别小组的学生预习工作不充分，存在抄袭、应付学习报告的现象；部分学生直接在教材上找习题，不积极找其他信息资料，缺乏自主设计的思想，对相应知识点实践应用的分析探讨缺乏深度。

4 结束语

本文探讨了利用习题环节和CAE辅助方式主导教学过程的方法，强调学生通过自主学习和实践尝试提高自身能力，能调动学生自主学习的积极性，提高学习兴趣和质量，但相应的考评机制（特别是目前期末考试为主评定成绩的考核模式）以及其他操作细节上还需进一步完善。

参考文献

[1]黄辉，王喜莲，王毅.在习题完成环节中实现自主学习的研究与实践[J].电气电子教学学报，2005，27（5）：24-27.

[2] 锁小红，吴培宁，孙晓霞，王虎军.工程力学的CAE辅助教学探讨[J].科技创新导报，2010，（36）：178.

[3]赵连华.基于VB和ANSYS的材料力学仿真实验系统[J].长沙航空职业技术学院学报，2007，7（1）：23-25.

[4]张春红.基于CDIO理念的“工程力学”课程教学初探[J].科教纵横，2012，（4）：260-261.

[5]高潮.工程力学[M].北京：科学出版社，2012.