機械工程計算方法課程教學改革實踐

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摘要：傳統的計算方法課程教學偏于理論、比較枯燥，難以提高學生興趣。文章采用課堂教學與實踐相結合，融合實際機械工程課題和以往課程中內容的模式開展基于機械工程題目的實踐教學探索，從必要的課堂理論教學，到實驗上機的簡單題目驗證、機械工程題目練習及機械工程課題實踐，開展了計算方法課程在機械工程專業的教學改革和分層教學。新的教學模式有利于培養學生主動探索與求知能力，實現自主學習與發展的目標。

關鍵詞：機械工程；計算方法；實踐教學；分層教學

工程教育專業認證促進高等教育發展，提高教育質量[1，2]。在機械工程專業認證大環境下，計算方法課程成為我校機械工程專業學生必選的一門課程。該課程是一門緊密結合計算機編程的數學類課程，也是科學計算的基礎。該課程可加強學生的數學修養，提高學生科學計算的能力，培養學生的基本運算能力、分析問題和解決問題的能力，為機械工程類學生今后的專業課學習、科學研究和工程設計奠定數學基礎[3]。針對面向機械工程專業的計算方法課程，老師該怎么教、教什么，學生如何學、怎么做，需要教師對該課程不斷地教學改革和實踐。作者歷經多年的教學實踐，認為純理論課程教學對于機械工程專業大四學生來說，內容偏枯燥，而且單純理論教學很難落實與機械工程專業有機結合；單靠教師課堂講授教學效果不理想。于是作者逐步改革教學模式，將機械工程領域的工程實際問題引入到課堂教學，實現理論教學與實驗教學有機融合。

一、改革教學內容

首先，針對機械工程專業特點，將課程內容做適當調整，增加機械工程相關實例。課程內容講解上重思路、重方法、重應用，使學生理解和掌握“計算方法”中的基本概念、理論和方法基礎上，學會實際問題應用，提升計算機應用求解的水平，體驗理論研究解決實際問題的樂趣。教師課堂講授緒論、Matlab基礎知識、非線性方程求根、求解線性方程組、插值與擬合、數值積分及常微分方程的各種計算方法。32學時的課程中既要開展理論教學又要開展實驗教學，原則上對每部分內容都進行講解，但以基礎講解為主，其他計算方法學生可課外自學。教師對計算方法理論從能解決什么機械工程問題入手開始講解，到該方法建立過程，最后進行結果分析。通過課堂教學，使學生對一些基本概念和各計算方法的原理和求解思路能夠理解。

二、重視實踐教學

課程加強實驗環節，增強學生的感性認識，是工科本科學生需要加強的部分。在課堂教學中盡可能多提供機械工程實際案例，及時提供上機實踐的機會，幫助學生在理解基本理論和方法的基礎上，學習解決工程實際問題。教師在教學過程中，加強學生動手能力和自學能力的培養，學會自覺主動地學習，同時注意思維和創造能力的培養。

（一）實驗教學教師自編實驗教學指導手冊，將教師科研過程中的應用案例及機械原理、機械設計及工程力學等教材中的典型案例作為工程題目，列入教學指導書中，讓學生學習如何用計算方法中的各種方法去解決機械工程實際問題。教師完成一個方法講解后，學生上機實踐該過程。在實驗教學過程中，學生應用這些基本理論的核心思想，去解決實際相關問題。Matlab軟件是課程必學的內容之一。在課程之初，一般用兩課時將Matlab數值計算功能、圖形處理功能及基本程序設計知識教授給學生，并讓他們現場實操，學會使用。之后進行各種計算方法的學習，借助該軟件，在教師教授完各種計算方法原理、思路及求解過程后，根據各計算方法原理，理解教師給出的Matlab語言主程序，學生寫出要求解題目的函數和其他必要的程序，綜合主程序來實現具體題目的求解。實驗需要在掌握基本原理的基礎上，在具體方法的理論思路下編程，并用簡單實例驗證程序，之后解決實際機械工程問題，提高解決科學實際問題的能力。兩個學時的課堂一般是一節講課一節上機。

（二）實踐作業課堂的實踐時間，首先完成課堂上機驗證和機械工程題目作業，檢驗學習效果。如有余力，可進一步完成教師科研課題中數學問題的計算方法實踐，提高解決機械工程實際問題的能力。第二，布置必要的課外作業。每章根據學生學習情況，留有一定數量的實踐作業供學生自主學習。第三，在課程進行過程中，一般會布置文獻閱讀報告任務，讓學生通過大量閱讀計算方法的工程應用文章，拓展學生對該門課所學方法的實際應用。通過閱讀，總結某方法解決什么問題，解決過程及結果如何，自己的收獲與體會是什么。最后，布置綜合大作業，將所學知識通過一個大的機械工程科研實踐中的題目貫穿起來，系統掌握該門課的學習內容。

三、開展分層教學

在計算方法課程教學中，學生需完成教師布置的課堂任務。但由于學生個體有差異，該課程在教授過程中采用分層教學，充分體現尊重個體差異，給不同程度的同學都提供機會和學習空間[4]。例如，布置每次課堂作業時，都分為基本驗證性題目、工程題目和提高題目。課堂所有同學完成基本驗證性題目為該次課堂及格，完成機械工程題目達到該次課堂良好成績，完成提高題目，則取得該次課堂優秀成績。從多年實踐效果看，分層教學的教學效果很好，多數同學希望得到更好成績，會不斷挑戰自己，希望達到最優。經常會出現下課很久了，同學們也不愿離去。總體來說，在課堂實踐環節，由于同學們比較接受這種教與學相結合的方式，所以即使是在多數人眼中認為學習可能會吃力的跟班學習的留學生和新疆同學，也能取得課堂測試良好的成績。

四、綜合課程考核

由于平時的課堂考核很多，所以平時成績比例更高，占60%（課堂練習、作業），文獻報告和期末測評占40%。平時成績主要反映學生的課堂表現、平時的信息接受。成績評定的依據主要是課堂上機的實踐效果和作業情況。文獻報告體現了學生對該課程內容在機械工程領域應用的了解和理解，鍛煉了學生工科思維能力和文字組織編輯能力。期末測評是對學生學習情況的全面檢驗，通過大作業完成。該大作業包含期末課堂測試和課后完成的一份完整的大作業課程報告兩部分。通過大作業系統考核學生對所學各種計算方法基本原理、基本方法的理解程度，考核學生運用所學方法靈活解決機械工程實際數學問題的計算能力，該考核淡化結論記憶，注重實用效果。

五、結論語

機械工程專業認證促進了專業教育質量，也提高了對機械工程專業計算方法課程的重視和要求。筆者采用課堂教學與實踐相結合，開展了基于機械工程題目的實踐教學探索，進行了計算方法課程在機械工程專業的教學改革與實踐，通過分層教學，提高了學生自主學習興趣和解決機械工程領域的數學問題的能力。

參考文獻：

[1]朱立達,寧晉生,鞏亞東,史家順.基于機械工程學科的新式工程教育模式改革探析[J].中國大學教學,2018,(8):19-25.

[2]孫晶,張偉,崔巖,王殿龍,劉新.工程教育專業認證的持續改進理念與實踐[J].大學教育,2018,(7):71-73,86.

[3]王海軍,曹德欣,陳興同,胡建華,楊然.基于科學計算和實踐創新能力培養的數值計算方法課程改革與實踐研究[J].大學教育,2016,(8):135-136,150.

[4]劉炎,王侃.工科院校“分層教學、分流培養、分類成才”培養模式探索[J].中國大學教學,2018,(8):38-40.

作者：孫國芹 劉小冬 許東來 單位：北京工業大學