機械工程計算方法課程教學(xué)改革實踐
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摘要：傳統(tǒng)的計算方法課程教學(xué)偏于理論、比較枯燥，難以提高學(xué)生興趣。文章采用課堂教學(xué)與實踐相結(jié)合，融合實際機械工程課題和以往課程中內(nèi)容的模式開展基于機械工程題目的實踐教學(xué)探索，從必要的課堂理論教學(xué)，到實驗上機的簡單題目驗證、機械工程題目練習(xí)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(yè)的教學(xué)改革和分層教學(xué)。新的教學(xué)模式有利于培養(yǎng)學(xué)生主動探索與求知能力，實現(xiàn)自主學(xué)習(xí)與發(fā)展的目標(biāo)。
關(guān)鍵詞：機械工程；計算方法；實踐教學(xué)；分層教學(xué)
工程教育專業(yè)認(rèn)證促進高等教育發(fā)展，提高教育質(zhì)量[1，2]。在機械工程專業(yè)認(rèn)證大環(huán)境下，計算方法課程成為我校機械工程專業(yè)學(xué)生必選的一門課程。該課程是一門緊密結(jié)合計算機編程的數(shù)學(xué)類課程，也是科學(xué)計算的基礎(chǔ)。該課程可加強學(xué)生的數(shù)學(xué)修養(yǎng)，提高學(xué)生科學(xué)計算的能力，培養(yǎng)學(xué)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(xué)生今后的專業(yè)課學(xué)習(xí)、科學(xué)研究和工程設(shè)計奠定數(shù)學(xué)基礎(chǔ)[3]。針對面向機械工程專業(yè)的計算方法課程，老師該怎么教、教什么，學(xué)生如何學(xué)、怎么做，需要教師對該課程不斷地教學(xué)改革和實踐。作者歷經(jīng)多年的教學(xué)實踐，認(rèn)為純理論課程教學(xué)對于機械工程專業(yè)大四學(xué)生來說，內(nèi)容偏枯燥，而且單純理論教學(xué)很難落實與機械工程專業(yè)有機結(jié)合；單靠教師課堂講授教學(xué)效果不理想。于是作者逐步改革教學(xué)模式，將機械工程領(lǐng)域的工程實際問題引入到課堂教學(xué)，實現(xiàn)理論教學(xué)與實驗教學(xué)有機融合。
一、改革教學(xué)內(nèi)容
首先，針對機械工程專業(yè)特點，將課程內(nèi)容做適當(dāng)調(diào)整，增加機械工程相關(guān)實例。課程內(nèi)容講解上重思路、重方法、重應(yīng)用，使學(xué)生理解和掌握“計算方法”中的基本概念、理論和方法基礎(chǔ)上，學(xué)會實際問題應(yīng)用，提升計算機應(yīng)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(chǔ)知識、非線性方程求根、求解線性方程組、插值與擬合、數(shù)值積分及常微分方程的各種計算方法。32學(xué)時的課程中既要開展理論教學(xué)又要開展實驗教學(xué)，原則上對每部分內(nèi)容都進行講解，但以基礎(chǔ)講解為主，其他計算方法學(xué)生可課外自學(xué)。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(jié)果分析。通過課堂教學(xué)，使學(xué)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(xué)
課程加強實驗環(huán)節(jié)，增強學(xué)生的感性認(rèn)識，是工科本科學(xué)生需要加強的部分。在課堂教學(xué)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(xué)生在理解基本理論和方法的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)解決工程實際問題。教師在教學(xué)過程中，加強學(xué)生動手能力和自學(xué)能力的培養(yǎng)，學(xué)會自覺主動地學(xué)習(xí)，同時注意思維和創(chuàng)造能力的培養(yǎng)。
（一）實驗教學(xué)教師自編實驗教學(xué)指導(dǎo)手冊，將教師科研過程中的應(yīng)用案例及機械原理、機械設(shè)計及工程力學(xué)等教材中的典型案例作為工程題目，列入教學(xué)指導(dǎo)書中，讓學(xué)生學(xué)習(xí)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(xué)生上機實踐該過程。在實驗教學(xué)過程中，學(xué)生應(yīng)用這些基本理論的核心思想，去解決實際相關(guān)問題。Matlab軟件是課程必學(xué)的內(nèi)容之一。在課程之初，一般用兩課時將Matlab數(shù)值計算功能、圖形處理功能及基本程序設(shè)計知識教授給學(xué)生，并讓他們現(xiàn)場實操，學(xué)會使用。之后進行各種計算方法的學(xué)習(xí)，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(jù)各計算方法原理，理解教師給出的Matlab語言主程序，學(xué)生寫出要求解題目的函數(shù)和其他必要的程序，綜合主程序來實現(xiàn)具體題目的求解。實驗需要在掌握基本原理的基礎(chǔ)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(xué)實際問題的能力。兩個學(xué)時的課堂一般是一節(jié)講課一節(jié)上機。
（二）實踐作業(yè)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(yè)，檢驗學(xué)習(xí)效果。如有余力，可進一步完成教師科研課題中數(shù)學(xué)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(yè)。每章根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況，留有一定數(shù)量的實踐作業(yè)供學(xué)生自主學(xué)習(xí)。第三，在課程進行過程中，一般會布置文獻閱讀報告任務(wù)，讓學(xué)生通過大量閱讀計算方法的工程應(yīng)用文章，拓展學(xué)生對該門課所學(xué)方法的實際應(yīng)用。通過閱讀，總結(jié)某方法解決什么問題，解決過程及結(jié)果如何，自己的收獲與體會是什么。最后，布置綜合大作業(yè)，將所學(xué)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(tǒng)掌握該門課的學(xué)習(xí)內(nèi)容。
三、開展分層教學(xué)
在計算方法課程教學(xué)中，學(xué)生需完成教師布置的課堂任務(wù)。但由于學(xué)生個體有差異，該課程在教授過程中采用分層教學(xué)，充分體現(xiàn)尊重個體差異，給不同程度的同學(xué)都提供機會和學(xué)習(xí)空間[4]。例如，布置每次課堂作業(yè)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(xué)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(yōu)秀成績。從多年實踐效果看，分層教學(xué)的教學(xué)效果很好，多數(shù)同學(xué)希望得到更好成績，會不斷挑戰(zhàn)自己，希望達到最優(yōu)。經(jīng)常會出現(xiàn)下課很久了，同學(xué)們也不愿離去?？傮w來說，在課堂實踐環(huán)節(jié)，由于同學(xué)們比較接受這種教與學(xué)相結(jié)合的方式，所以即使是在多數(shù)人眼中認(rèn)為學(xué)習(xí)可能會吃力的跟班學(xué)習(xí)的留學(xué)生和新疆同學(xué)，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(xí)、作業(yè)），文獻報告和期末測評占40%。平時成績主要反映學(xué)生的課堂表現(xiàn)、平時的信息接受。成績評定的依據(jù)主要是課堂上機的實踐效果和作業(yè)情況。文獻報告體現(xiàn)了學(xué)生對該課程內(nèi)容在機械工程領(lǐng)域應(yīng)用的了解和理解，鍛煉了學(xué)生工科思維能力和文字組織編輯能力。期末測評是對學(xué)生學(xué)習(xí)情況的全面檢驗，通過大作業(yè)完成。該大作業(yè)包含期末課堂測試和課后完成的一份完整的大作業(yè)課程報告兩部分。通過大作業(yè)系統(tǒng)考核學(xué)生對所學(xué)各種計算方法基本原理、基本方法的理解程度，考核學(xué)生運用所學(xué)方法靈活解決機械工程實際數(shù)學(xué)問題的計算能力，該考核淡化結(jié)論記憶，注重實用效果。
五、結(jié)論語
機械工程專業(yè)認(rèn)證促進了專業(yè)教育質(zhì)量，也提高了對機械工程專業(yè)計算方法課程的重視和要求。筆者采用課堂教學(xué)與實踐相結(jié)合，開展了基于機械工程題目的實踐教學(xué)探索，進行了計算方法課程在機械工程專業(yè)的教學(xué)改革與實踐，通過分層教學(xué)，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣和解決機械工程領(lǐng)域的數(shù)學(xué)問題的能力。
參考文獻：
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[3]王海軍,曹德欣,陳興同,胡建華,楊然.基于科學(xué)計算和實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的數(shù)值計算方法課程改革與實踐研究[J].大學(xué)教育,2016,(8):135-136,150.
[4]劉炎,王侃.工科院校“分層教學(xué)、分流培養(yǎng)、分類成才”培養(yǎng)模式探索[J].中國大學(xué)教學(xué),2018,(8):38-40.
作者：孫國芹 劉小冬 許東來 單位：北京工業(yè)大學(xué)
