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研究生学位课《弹性力学及有限元》的创新教学研究论文
针对研究生学位课《弹性力学及有限元》理论性强，逻辑严谨、直观性差、抽象、难理解等基本特点，该文在教学内容、教学方法、教学手段三方面进行教学模式创新探索。将现代教学手段与传统教学模式有机结合起来，将专业知识与工程实例溶入到理论教学之中，使枯燥抽象的理论知识变得生动实际，从而激发学生的学习兴趣和创新能力。
研究生学位课程《弹性力学及有限元》是一门理论性兼应用性极强的课程：一方面，理论性上，弹性力学的研究方法严密，基本概念及理论内容十分抽象，公式严谨难以理解，即使对一些简化的模型问题进行求解，通常需要大量的运用高数知识与理论，涉及微积分和常微分方程，更多运用偏微分方程相关思想与知识;另一方面，应用性上，弹性力学及有限元主要分析各种工程材料和工程结构在受力过后的变形状况，需要研究生对工程实例实践有自己的感性认识，能够将理论知识的分析与工程实际的例子联系起来。因此，该课程对研究生的高等数学的基础思想和工程背景要求高，属于研究生教学期间难度系数比较大的一门学科。
该课程是机械工程专业必修的主干基础课程。涉及弹性力学平面问题(平面应力与平面应变)基本理论、直角坐标及极坐标求解、差分法和变分法、有限单元法、空间问题的基本理论等方面的内容，综合性强[1]。随着计算机技术的飞速发展，为弹性问题有限元法及弹塑性问题有限元法应用到机械工程的优化设计、制造分析提供了崭新途径和高效手段。例如：采用先进的计算机数值模拟技术，人们可以在短短十几分钟之内完成手工作业需要花费数周时间才能完成的工作，大大缩短了设计和试制周期[2]。如今几乎所有重要的机械产品和机械装备在研发阶段都必须采用数值方法进行计算分析，这已经成为探知复杂对象本质规律的定量分析手段。数字化的“虚拟试验”在研发时做到了高效率与低成本的完美结合，其大规模巨容量的工程计算模拟在研发中起到核心支撑作用。可见有限元方法作为一种成熟有效的分析手段，在科学研究、工程设计与研发制造中发挥了其无可替代的巨大作用。实现这些技术的关键之一，就是采用了CAD/CAE，而有限元分析技术则是其中的核心。可见对研究生培养来说，《弹性力学及有限元》是一门非常高端，非常重要、非常专业的课程。因此，在新的科技发展形势下，该学位课怎样在内容和体系上突出拓宽基础、提高应用能力培养，怎样把课程建设建成拥有新理念、重基础、突出应用技术、容易自学等特点的精品课程，使理论、实践、素质、创新和现代教育技术有机地结合在一起，是该课程改革和建设的目标。经过此课程的基础教授、课外作业、计算机模拟、课堂报告等教学环节，首先加深基础理论知识的掌握，熟悉一般实际实践中出现的受外力影响、边界条件、温度改变等因素而引发的应力变化、应变程度和位移量分析;其次加深理论结合实际，使学生通过虚功原理的位移法、力法、混合法及有限元数值模拟方法掌握工作实践中应用的分析和求解能力，为接下来的专业课学习和学术研究做好充分准备。
在实践教学环节，由于没有足够的计算机实验教学平台，使得学生接触数值计算和参加实验的时间少、上课内容和实际工程没有直接联系，自然而然在学习过程中不能回避地产生一定困难，由于上述因素都很大程度影响和制约了研究生学习的积极性[3-4]。对于上述问题，除了教学中合理安排上课知识顺序、细致准备教案外，还应重点探讨教学模式的创新。可从以下几方面问题着手。
1 明确课程教学总体思路和目标
高等教育的根本问题是：“培养什么人，怎样培养人”。它的培养目标是教师进行创新教学工作的出发点和行动指南。创新教育使大家深刻认识到，弹性力学及有限元课程的教学目标不是培养上机实验员，而是应该向社会输送具有较强的实践能力和创新能力的工程设计制造人才。因此，只有注重学生学习能力、思维能力、创新能力的培养，创新教育才能获得成功。
创新教学课程《弹性力学及有限元》作为计算力学的主要方法已成为工程设计分析的最重要手段，大到航天飞机、船舶及海洋石油平台、重型机械、汽车制造业，小到产品结构设计分析、以及进行理论研究都需要使用这一成熟而又有效的方法。目前，就有限元分析本身而言，主要涉及以下几个方面：数值计算;力学基础;计算机应用;工程应用。因此，“物理建模+软件平台+工程应用对象”是弹性力学及有限元分析这门课的三个主要特征。因此，在教改中应努力做到：(1)力求反映上述三个方面的完整内容，达到“数值计算及力学基础→工程概念→有限元平台的使用→解决实际问题”的目标。(2)使研究生在弹性力学学习及有限元的数学理论分析基础方面有较深刻的理解，着重于方法论的多元融合来分析复杂工程问题，实践应用有限元分析的最新研究成果，力求解决一些实际的工程问题。(3)整合优化课程体系、进一步拓展弹性力学及有限元课程的深度、广度及应用。通过该课程教学模式的创新，带动和推进其他相关课程的建设和发展，不断提高教学质量，培养研究生综合学习与开拓创新能力。
2 教学方法创新
(1)重新设计课程体系，依照弹性力学及有限元技术的最新发展趋势，修改完善教学大纲，努力实现理论教学与实践教学的融合。
(2)采用启发式的教学方法，要求该课程的教学内容应由“静态”向“动态”方向发展。“静态”指要求学生能够在理论层面上真正理解和掌握弹性力学及有限元方法;夯实基础知识，加大课程信息量;“动态”指要求学生能够在实践层面上利用计算机有限元模拟平台掌握分析实际工程问题的动态仿真过程，如：伺服压力机结构强度及整体刚度分析、折弯机床身变形模拟、板材冲压成形及回弹动态过程等;力争反映该领域较成熟的最新的实用成果，如：高精度方法(h-p adaptive)计算的误差控制及计算的可靠性及收敛性问题等。课堂上，结合弹性力学理论知识，在先进的有限元数值仿真平台上演示教学，并在工程实际实例中精选出具有典型教学代表意义和较大知识覆盖面的实例作为教学素材，设计出一些能够充分发挥学生创新能力的上机练习及考试试题。
(3)利用网络教学手段，把课堂教学内容的PPT、课本练习题的参考答案，常见的经典工程结构三维有限元动态仿真模拟动画、视频文件等相关教学内容放在网络上，学生可网上查阅，以了解该课程的各方面情况，同时也可从网上反馈有关信息。
(4)积极寻求校企联合、共同加入课程建设和教学的模式，积极与企业工程师共同创作部分与企业项目实际类似的课程设计题目，提高课程设计的实践性，缩小课堂教学与企业实际间的距离。使专业知识与工程实例融入到弹性力学及有限元的理论教学之中，让枯燥的抽象理论知识与实际的工程实践知识结合起来，调动了研究生的学习积极性，激发研究生的研究兴趣和创新能力。
(5)推进教学与科研相融合，高水平的教学与科研是有机结合、相互促进的，以教学促进科研，以科研充实教学，实现教学和科研的良性互动。在已有的包括国家自然科学基金、上海自然科学基金及上海教委创新基金在内的科研平台上，基础理论结合实际工程问题，来推进《弹性力学及有限元》课程教学改革纵深发展，以培养适应机械工程领域需求的具有创新精神，实践能力和创业精神的高素质研究生人才。
3 先进教学手段
3.1 进行创新能力与综合能力的培养
在教学活动中，以学生为中心，尊重学生的主体地位，教师起主导作用，引导学生创造性学习。例如：精选一些具有典型工程背景的有限元分析实例，从易到难，让学生自主物理建模、数值计算、数据分析和进行结果评判，以培养学生的综合能力，构思一些综合全面、兼具开放性的上机作业，以培养学生在有限元建模方面的创新能力，给学生充分发挥其创造性思维的时间和空间。
3.2 强调计算机平台、先进软件的应用和上机实践
该课题研究团队所在的金属板材曲面成形技术实验室已获上海市高等教育内涵建设“085”工程的资助，分别购置了500吨数控液压折弯机，200吨热成形伺服压力机，5吨超精密伺服压力机，SUN SPARC10工作站，ABAQUS、ANSYS有限元模拟分析平台。因此，可在高端工作站上，采用最先进的有限元建模系统作为分析平台进行教学和上机实践，采用UG/MECHANICA、ABAQUS、ANSYS、NASTRAN软件，以实际工程问题为背景，增加在实践中进行的教学环节，利于学生在实践中学以致用、增长才干[5]。
3.3 改革传统考试手段
考试不是目的，只是一种方式，了解学生对基本理论、技能知识的掌握情况，也是对上课效果的一次检验。长期以来，一提起考试，人们就想到闭卷，对于弹性力学及有限元这门理论性及实践性都较强的课程，闭卷考试存在种种弊端。繁杂的计算公式和典型结构考核迫使学生采用“穷尽式”的学习方法进行学习，这种学习方法与创新教育的思想大相径庭。为此采用了各种考试方法综合运用的措施，即考试内容的选择力求呈现综合性、灵活性和多样性，真实考查研究生灵活运用理论知识，创造性解决实际问题的.能力。因此，采取综合作业题、上机数值分析以及卷面考试等多元化的考试方式。
3.4 构建网络教学平台
多媒体及网络教学是现在高校教学普遍采用的教学方法，但是对于弹性力学及有限元这样一门理论与实践性较强的学科，完全采用多媒体教学而不结合实例是不适宜的。现今正处于一个信息化的时代，信息的传播和交流是多元化的，为便于学生广泛参与研究学习，在校园网上专门建立了关于该课程教学及综合改革的主页，利用网络教学手段，将教材内容与CAD(计算机辅助设计)技术、FEA(有限元分析)仿真和CAI(计算机辅助教学)教学有机整合的课堂教学内容PPT，课本习题的参考答案，常见的经典有限元动态模拟仿真动画、视频文件等相关教学内容放在网络上，大家可网上学习，也可以网上提问和反馈信息，以熟悉该课程的全方面知识，为加强网络教学做好有利条件。
3.5 推进教学与科研的融合
高水平的教学与科研是有机结合、相互促进的，这在专业课和专业基础课的教学活动中更显突出。近年来，该研究团队先后从事了多项包括国家自然科学基金、上海自然科学基金及上海教委创新基金在内的科研项目，这些科研项目的开展对进行弹性力学及有限元课程教改起到了很好促进作用。
3.6 实现教学与工程实践的结合
在工程领域，课程教学与工程实践是紧密相关的。课题组近几年校企联合及横向科研活动中累积了一些具有代表性的工程结构有限元分析的实例，如：大尺度起重机吊臂板材零件的有限元分析、伺服压力机强度分析、折弯机机床床身变形的有限元分析、折弯机送料装置的三维有限元分析。将上述课题作为实训素材，使专业知识与实际工程应用融入到弹性力学及有限元的理论课程学习当中。这种多元化的课程建设和创新的教学模式，真实提高课程理论与实践教学质量。
4 结语
“弹性力学及有限元”教学创新体系的建立具有深远的教学意义。第一，它体现了创新教学的实际运用性。通过从教学内容、教学方法及教学手段三方面的创新研究，将课本基础内容与CAD/CAE技术和有限元数值模拟实践教学有机地结合起来，通过网络可实现资源共享，便于教师教学和学生辅助学习。在理论及实践环节，通过实际科研与学科教学、学科教学与工程实践的结合，培养研究生理论分析和处理工程上实际问题的综合能力，培养研究生创新能力。尽管该课程的教改还存在诸多不足之处，但坚信，通过课程改革继续摸索和推进、实践中不断完善和成熟，可以把该课程建设成开放的、具有较宽口径和较大覆盖面的、高水平的研究生学位课。
微课创新高中化学教学研究论文
摘要:在高中化学课堂开展微课教学，教师要借助网络资源促进课堂教学的转化，建立微课系列，促进教学知识立体化，创建实验场景，确保化学实验直观化。
关键词:微课；高中化学；课程改革
1引言
随着信息化技术的飞速发展和新课程改革的创新要求，以微课为代表的一批创新型教学模式逐渐走进教学课堂。它通过创建一节较小的教学视音频，可以集中讲解和传授某个单一、具象化的教学主题。通过这些简短的教学课程，能够为学生创建“自助式”教学资源，引导学生在课堂学习中和课后复习中开展有针对性的学习研究。在高中化学教学中引入微课模式，可以迎合新课程标准下的高中化学教学要求，将各种抽象的化学知识和化学实验具象化，激发学生学习化学的兴趣，也能充分提高高中化学的课堂效率。
2微课的核心内容及其教学特点
微课是由美国教学研究者在2008年率先提出的教学理念，不仅集中于微型教学所建立的教学环境，更是通过解构主义来优化教学内容，建立微型、在线或者移动的教学环境。微课的核心内容微课的建立和创新点是基于信息技术和网络技术的发展背景，它通过以视频、音频为主要教学载体来记录课堂教学内容或者教学重点、难点，从而实现课堂教学内容的完整宣导和有效构建，促进课堂教学的有效开展，促进化学学习的协同进步。在微课教学过程中，建立完善的课堂教学视频，实现课堂教学的针对性和有效性，就成为课堂教学的核心内容。这就需要教师加强微课的教学媒介作用，突出微课教学中的教学设计信息化、教学内容多媒体化、教学引导媒介化，引导学生养成自主学习的学习习惯，实现与教学主题相关的各个教学环节都能利用微课进行充分包装，展现给学生以结构清晰、主题鲜明和资源丰富的课堂教学小环境，实现从教学设计、素材整理、课件制作、课堂互动及教师评定等全方位的创新发展[1]。微课的教学特点微课教学的全部内容建立在微课视频这种教学工具上，而视频内容包括与教学主题相关的教学设计、难点解析、教学互动和教学评价等。1）微课的内容形式决定了教学内容。微课的特点是短小精干，一般教学视频时间不会超过十分钟。这种时间简短、结构鲜明的内容形式注定了微课对于教学内容的理解非常透彻，也需要微课的立题非常重要，需要认真规划；受众定位要求必须明确，必须满足绝大部分高中生的化学学习需要；情境定位必须明确，能够迎合高中化学课堂教学需求。2）微课的授课形式决定了教学氛围。微课视频的授课形式与课堂实操、优秀教案讲解不同，它是通过PPT课件的形式来辅助教师的讲解，它的授课过程可以在备课阶段，可以在课堂教学中，也可以在课后复习巩固阶段。此外，在高中化学教学中，实验教学占了很大部分，而微课可以完整呈现实验教学内容、实验现象和实验成果[2]。因此，微课可以给课堂教学创造轻松愉悦、节奏感强的教学氛围。3）微课的功能特色决定了教学成果。微课教学的突出功能在于点式教学，它能够通过微视频独立教授一个化学知识点，能够结合学生的学习需要和沟通需求创建个性化微视频。而在此基础上，配合课堂教学实操，再加上教师讲解，可以将课堂教学的重点和难点完整展现在视频界面上，而录制的微视频可以保证学生在课堂上和回家后都能学习，并且可以反复观看。而这些功能特色都提高了学生的学习效率，加强了针对教学重点和难点的价值取向和教学引导，促进了课堂教学成果的转化。
3微课应用存在的问题
微课作为一种新型有效的教学模式，在高中化学教学中的应用范围比较广泛，但是不能忽视的是，由于教师对微课教学模式的理解和专业知识的欠缺，在应用上也存在一些问题，主要表现在以下几个方面。没有把握好微课的应用范围微课是国内学者从国外的网络课堂中研究衍生出的一种创新教学模式，属于一种舶来品，在2010年以后才在国内学术杂志和教学期刊上被广泛探讨。目前，微课的教学模式和创新手段还在探讨摸索过程中，但是很多教师已经认为微课可以取代传统课堂。这种观点是不可取的。微课可以提高不同学习层面的学生学习的主动性，同时能够提高课堂教学效率，但是也存在师生互动性不强，短暂的播放内容很难将课堂教学内容讲得面面俱到。而面对复杂综合的理论知识、操作技能和概括性知识，单纯运用微课教学就显得片面单薄了。没有充分理解教学与微课的辩证关系微课教学的核心环节和教学重点就是微课内容的制作，它是服务于教学的，而教学成果又从另一方面印证了微课的教学目标。因此，教师在制作微课视频的时候，需要认真了解课堂教学目标，仔细划分课堂教学环节，将每个教学重点和难点浓缩成3～10分钟的视频教学内容，而录制的内容需要教师集合课堂教学内容、学生学习体验和课堂教学流程，真正做到课堂教学的每一个重要知识点都加入微课视频的录制、剪接中。而面对微课实验教学和课余实践的需求，教师应该侧重加强微课视频的教学引导和分享交流的过程，可以将实验教学的过程和实践操作的结论制作成微课视频，在课堂教学中引导学生观察交流。尚未建立完善微课教学的授课平台微课课堂教学的开展，需要建立完善的信息技术和网络技术平台，需要加强电脑、多媒体、信息平台和网络设备等硬件建设。而在微课教学视频制作过程中，教师需要做到视频画面清楚稳定，图片构图合理，录制声音清晰准确，能够满足高中生对于化学知识的认知和理解。需要注意的是，在录制微课视频片头时，应该注明教学标题、教学核心内容提示，方便学生在以后学习中查找和调取；在录制微课视频内容时，应该做到教学知识点的有效解析，满足教学目标的仔细划分，掌握授课平台的操作要领。这样才能根据教学内容分析和录制教学内容，也方便化学教师利用微课这种教学媒介来串联课堂教学内容，开展有针对性的实验教学演练，运用微课教学内容来开展教学示范工作。
4微课在高中化学教学中的创新应用策略
在高中化学教学中，推动微课教学的创新发展，需要借助网络资源，建立完整的微课系列，创建真实的实验情境，保证化学教学的全面有序开展。借助网络资源，促进课堂教学转化高中化学教学的重点和难点在于教学内容单调枯燥，教学环节很难衔接，教师在备课阶段即使投入大量精力，也不能保证所有学生都能汲取到全部知识点。借助微课资源平台，可以极大地减轻教师的教学负担，提高学生的学习效率。教师可以根据不同层次学生的学习能力，录制不同内容的微课视频，然后将微课视频上传到微课资源平台。学生在课前就可以搜索下载相关的微课视频，进行课前预习，也可以授课后反复观看，加强复习巩固。而对于同一教学内容的`不同教学视频，可以帮助学生拓展思路，实现高中化学思维的有效转换。如在组织教学“生命中的基础有机化学物质”时，教师可以预先给学生发放问卷单，了解学生的学习状况、兴趣点和知识层次，结合学生的综合状况，在充分挖掘教学内容后，根据油脂、糖类、蛋白质和核酸的相关概念制作微视频，上传到微课资源平台，组织学生下载学习。而教师可以利用网络资源来了解学生的学习兴趣点、知识掌握情况。建立微课系列，促进教学知识立体化当前，高中课堂教学必须服务于高考需要，而高中化学的考试习题和考点相对固定，充分利用微课视频建立微课系列，实现微课教学知识的立体和完善，建立完善的考试学习体系，将大量的课堂训练和模拟考试纳入微课视频系列中。这样有利于学生研习和巩固，实现平常的训练和测试都能有题可查，做到解题过程清晰明了，解题思路烂熟于心。而在微课系列的创建过程中，需要高中化学教师将大量精力投入热门知识点的解析，做到选题简明、重点突出、内容科学、设计合理和形式新颖，将微课视频的技术规范纳入高中化学考试习题库的建设中来，从而保证课堂教学知识立体化。实验证明，相对于传统的纸笔训练而言，微课视频所带来的视觉、听觉和逻辑思维等多重冲击更能调动学生的学习兴趣和记忆能力，通过反复播放微视频习题，就可以保证学生掌握扎实的化学知识点，促进考点立体化教学[3]。创建实验场景，确保化学实验直观化在高中化学实验教学中，实验的化学场景和化学反应如何直观反映，一直是教学的重点和难点，也成为阻碍学生化学逻辑思维提高的拦路虎。通过将微课视频应用到具体的高中化学实验教学中，可以将复杂抽象的化学实验真实还原到学生面前，而学生通过拖动和等倍放大，可以快速、慢速和等倍距离放大观察化学反应，教师过去的言传身教转变成具体的视频讲解。这样可以最有效地帮助学生直观了解化学实验现象，增强化学实验的可操作性和直观性。此外，教师可以在备课阶段将失败的化学实验或者错误的化学实验操作录制成微课视频，将化学实验的错误原因和操作步骤完整呈现在学生面前，引导学生掌握正确的实验操作方法，了解化学实验背后所蕴藏的化学原理，避免危险的化学实验操作。最重要的是，利用微课实验视频有助于学生深入化学实验的背后，了解化学知识和化学实验操作，培养良好的化学逻辑思维。
5总结
综上所述，微课教学还属于新鲜事物，它的教学特点和应用特征还在不断归纳和总结之中。教师应该抱着开放和包容的态度，吸取其教学优点，摒弃其教学缺点，实现课堂教学的信息化、现代化建设，不断提高高中化学课堂教学效率，促进高中化学课堂教学成果的有效转化，这才是采用微课教学的最大受益之处，应该加以足够的思考与反思。
参考文献
[1]金国林,林肃浩.构建高中化学微课“生态”系统:以“化学反应的方向”为例[J].中学化学教学参考,2015(10):3-6.
[2]陈晓云.高中化学课堂应用微课解决疑难点的研究[J].福建基础教育研究,2016(2):91-92.
[3]瞿正东.微课对高中化学教学减时增效的探析[J].新课程导学,2015(26).
