基于“公众号”模式的“有限单元法”课程教学改革探索

陈昌宏++黄莺+朱彦飞++曹刚+姚尧

【摘要】结合校级探究式课程教学改革的研究成果，开展了“有限单元法”课程的“公众号”微课模式体系与实施策略研究，提出并建设了包括课程理论的案课程例、程序编写、程序视频教学资源等立体化教学公众号。实践表明，“有限单元法”课程所实施的“微课”教学模式改革能够提高学生学习的兴趣，增强学生的工程实践能力，具有推广和应用价值。

【关键词】有限单元法 ； 公众号 ； 微课 ； 教学改革

【中图分类号】G434；TP3-4 【文献标识码】B 【文章编号】2095-3089（2017）04-0103-02

1.引言

与传统的教学相比，大规模开放在线课程慕课教育在网络上融合了现实课堂的情境和元素，实现了混合化的教学活动。 “互联网+”在教育领域的应用正在激励着各种新型的教学模式和手段涌现。本教改项目基于“微信公众号”下微课模式，重构了课程的教学体系、教学载体与教育教学模式，设计和创建了“公众号” 教育模式下的课程教学平台，较好地整合了课程资源，起到了激发学生学习的兴趣，符合当代教育改革趋势和先进教育理念；研究成果带来了课程教学、讨论、辅导、作业、考试等方面的全新改变，对提高课程教学质量起到了促进作用；研究成果也可以为其他课程教学改革提供方法论和理论依据，具有较高的理论意义和现实意义，并具有广泛借鉴和指导作用。

2.传统教学模式存在的问题

目前，土木工程专业本科生对于本专业为什么要学习《有限单元法》这门课程是理解的，但在本科阶段究竟应该学习到什么程度可能就不太知晓了。主要有如下两个原因：1）与学校的应试教育体制有关，考什么就学什么；2）当前不断缩减本科课程教学课时，导致学生对有限元方法的学习是一知半解。这些造成了如研究生阶段学习与应用有限元方法脱节等一系列问题。由于教学时间限制，有限元理论讲解完毕后，有限元程序的编制部分多数教师只是一笔带过，很少有在工科专业真正要求学生分析或者编制较为通用的有限元程序的。当然，由于各方面的限制，这样的做法也缺乏现实性。在这一传统的教学模式中，主要有以下特点：

（1）强调基础知识、基本技能的学习。然而，这一精神在实际教学中是很难贯彻的，很多情况下，最后变成了“简单知识的学习”，即往往只介绍了有限元非常浅显的概念。

（2）偏重于已有知识的灌输，学生不需经历创新的过程，像“问题提出过程”、“形成数学模型”这些重要的环节在教学中也被“理所当然”地忽略了，至少没有能够引起学生的充分重视。

（3）学生很难从本质上理解有限元。一些学生各门专业课学得并不十分扎实，各门知识在头脑中的印象还是孤立的，尚未融会贯通。

尽管工科专业研究生很少需要专门从事深入的有限元数学理论的研究，但是在他们的专业研究中，通常需要用有限元方法作为数值计算的工具，而且很多时候商業有限元软件包提供的算法或者本构模型不能满足研究者的需要。这时候就需要研究者重新编写或者修改前人的有限元代码。特别是有许多工科专业的研究生也专门从事与本专业相关的有限元理论研究和程序开发。这时候，就需要研究者具有较为深厚的有限元理论和程序开发知识。

然而，总的来说，当前工科专业有限元法及程序设计的教学效果并不理想，我们需要结合当前新的教学模式及其特点进行相应的改革。因此，如何统筹本科阶段的有限元课程安排，提高本科阶段工科有限元法及程序设计课程的教学效果，对于人才培养是极其重要的。对于教师，应该统筹研究生阶段的应用来讲解本科阶段的课程；对于学生，应该结合自身的定位和研究生阶段有限元的应用模式来安排自己的学习。总之，教师和教学培养方案起着至关重要和责无旁贷的引导作用。

3.“有限单元法”课程“公众号”教学模式支持体系的构建

“有限单元法”课程是一门理论联系实际的应用型课程，课程最终目标是要求学生借助有限元软件，运用有限元的基本原理和方法解决工程实际问题。本课程体系采用工程实际应用广泛的SAP2000软件作为该课程学习的应用软件。本教学模式针对课程教学内容和实施过程的特点，重点探讨了各教学过程实施的最佳形式，确立和构建了如图1 所示的本课程“公众号”模式的教学支持体系。

图1 教学模式体系的构建图

考虑目前“公众号”的界面特征，本教学模式的改革体系基于“杆系结构”—“板壳结构”—“程序视频”三个模块进行（图1）。其中：“杆系结构”模块包括课程讲义，课程案例和杆系单元MATLAB程序三个子块；“板壳模块”包括课程讲义，课程案例，三角形单元和四边形单元MATLAB程序三个子块；“程序视频”模块包括SAP2000，Cable（索单元），P-Delta（大位移）及API二次开发四个子块。

在程序单元子块中，重点突出采用通用的MATLAB程序进行杆系单元，板壳单元的编写，以此加强对“有限单元法”课程的深度理解。课程案例子块中包括了本科生阶段的“杆系结构”和“板壳结构”所有常见的案例，按照“难度指数”进行分类。

4.结论

基于互联网的教学模式改革是一次教育革命，本教学模式将“公众号”的“微课”模式融入到“有限单元法”课程的传统教学模式中，研究和设计了“有限单元法”课程的“微课”模式，完整地展现了教学内容，这将对“有限元单元法”课程的教学模式产生新的挑战，也带来新的机遇，一定会激发学生的学习兴趣，从而提高本课程的教学效果。然而，在如何保证学生学习的真实性、教学结果评价的公平性等方面还需要进一步开展研究和探索，如何建立该教育模式下有效的管理体系也有待进一步开展相关研究和探索。

参考文献

[1]尹飞鸿，刘春节，何亚峰.“有限元法与软件应用”精品课程立体化教学研究与实践[J]，常州工学院学报，2014（4）：66-69

[2]吕中华.“慕课”（MOOC）对高校教育的影响和启示[J]，长春工业大学学报（高教研究版），2014（6）：25-26