机械工程计算方法课程教学改革实践

摘要：传统的计算方法课程教学偏于理论、比较枯燥，难以提高学生兴趣。文章采用课堂教学与实践相结合，融合实际机械工程课题和以往课程中内容的模式开展基于机械工程题目的实践教学探索，从必要的课堂理论教学，到实验上机的简单题目验证、机械工程题目练习及机械工程课题实践，开展了计算方法课程在机械工程专业的教学改革和分层教学。新的教学模式有利于培养学生主动探索与求知能力，实现自主学习与发展的目标。

关键词：机械工程；计算方法；实践教学；分层教学

工程教育专业认证促进高等教育发展，提高教育质量[1，2]。在机械工程专业认证大环境下，计算方法课程成为我校机械工程专业学生必选的一门课程。该课程是一门紧密结合计算机编程的数学类课程，也是科学计算的基础。该课程可加强学生的数学修养，提高学生科学计算的能力，培养学生的基本运算能力、分析问题和解决问题的能力，为机械工程类学生今后的专业课学习、科学研究和工程设计奠定数学基础[3]。针对面向机械工程专业的计算方法课程，老师该怎么教、教什么，学生如何学、怎么做，需要教师对该课程不断地教学改革和实践。作者历经多年的教学实践，认为纯理论课程教学对于机械工程专业大四学生来说，内容偏枯燥，而且单纯理论教学很难落实与机械工程专业有机结合；单靠教师课堂讲授教学效果不理想。于是作者逐步改革教学模式，将机械工程领域的工程实际问题引入到课堂教学，实现理论教学与实验教学有机融合。

一、改革教学内容

首先，针对机械工程专业特点，将课程内容做适当调整，增加机械工程相关实例。课程内容讲解上重思路、重方法、重应用，使学生理解和掌握“计算方法”中的基本概念、理论和方法基础上，学会实际问题应用，提升计算机应用求解的水平，体验理论研究解决实际问题的乐趣。教师课堂讲授绪论、Matlab基础知识、非线性方程求根、求解线性方程组、插值与拟合、数值积分及常微分方程的各种计算方法。32学时的课程中既要开展理论教学又要开展实验教学，原则上对每部分内容都进行讲解，但以基础讲解为主，其他计算方法学生可课外自学。教师对计算方法理论从能解决什么机械工程问题入手开始讲解，到该方法建立过程，最后进行结果分析。通过课堂教学，使学生对一些基本概念和各计算方法的原理和求解思路能够理解。

二、重视实践教学

课程加强实验环节，增强学生的感性认识，是工科本科学生需要加强的部分。在课堂教学中尽可能多提供机械工程实际案例，及时提供上机实践的机会，帮助学生在理解基本理论和方法的基础上，学习解决工程实际问题。教师在教学过程中，加强学生动手能力和自学能力的培养，学会自觉主动地学习，同时注意思维和创造能力的培养。

（一）实验教学教师自编实验教学指导手册，将教师科研过程中的应用案例及机械原理、机械设计及工程力学等教材中的典型案例作为工程题目，列入教学指导书中，让学生学习如何用计算方法中的各种方法去解决机械工程实际问题。教师完成一个方法讲解后，学生上机实践该过程。在实验教学过程中，学生应用这些基本理论的核心思想，去解决实际相关问题。Matlab软件是课程必学的内容之一。在课程之初，一般用两课时将Matlab数值计算功能、图形处理功能及基本程序设计知识教授给学生，并让他们现场实操，学会使用。之后进行各种计算方法的学习，借助该软件，在教师教授完各种计算方法原理、思路及求解过程后，根据各计算方法原理，理解教师给出的Matlab语言主程序，学生写出要求解题目的函数和其他必要的程序，综合主程序来实现具体题目的求解。实验需要在掌握基本原理的基础上，在具体方法的理论思路下编程，并用简单实例验证程序，之后解决实际机械工程问题，提高解决科学实际问题的能力。两个学时的课堂一般是一节讲课一节上机。

（二）实践作业课堂的实践时间，首先完成课堂上机验证和机械工程题目作业，检验学习效果。如有余力，可进一步完成教师科研课题中数学问题的计算方法实践，提高解决机械工程实际问题的能力。第二，布置必要的课外作业。每章根据学生学习情况，留有一定数量的实践作业供学生自主学习。第三，在课程进行过程中，一般会布置文献阅读报告任务，让学生通过大量阅读计算方法的工程应用文章，拓展学生对该门课所学方法的实际应用。通过阅读，总结某方法解决什么问题，解决过程及结果如何，自己的收获与体会是什么。最后，布置综合大作业，将所学知识通过一个大的机械工程科研实践中的题目贯穿起来，系统掌握该门课的学习内容。

三、开展分层教学

在计算方法课程教学中，学生需完成教师布置的课堂任务。但由于学生个体有差异，该课程在教授过程中采用分层教学，充分体现尊重个体差异，给不同程度的同学都提供机会和学习空间[4]。例如，布置每次课堂作业时，都分为基本验证性题目、工程题目和提高题目。课堂所有同学完成基本验证性题目为该次课堂及格，完成机械工程题目达到该次课堂良好成绩，完成提高题目，则取得该次课堂优秀成绩。从多年实践效果看，分层教学的教学效果很好，多数同学希望得到更好成绩，会不断挑战自己，希望达到最优。经常会出现下课很久了，同学们也不愿离去。总体来说，在课堂实践环节，由于同学们比较接受这种教与学相结合的方式，所以即使是在多数人眼中认为学习可能会吃力的跟班学习的留学生和新疆同学，也能取得课堂测试良好的成绩。

四、综合课程考核

由于平时的课堂考核很多，所以平时成绩比例更高，占60%（课堂练习、作业），文献报告和期末测评占40%。平时成绩主要反映学生的课堂表现、平时的信息接受。成绩评定的依据主要是课堂上机的实践效果和作业情况。文献报告体现了学生对该课程内容在机械工程领域应用的了解和理解，锻炼了学生工科思维能力和文字组织编辑能力。期末测评是对学生学习情况的全面检验，通过大作业完成。该大作业包含期末课堂测试和课后完成的一份完整的大作业课程报告两部分。通过大作业系统考核学生对所学各种计算方法基本原理、基本方法的理解程度，考核学生运用所学方法灵活解决机械工程实际数学问题的计算能力，该考核淡化结论记忆，注重实用效果。

五、结论语

机械工程专业认证促进了专业教育质量，也提高了对机械工程专业计算方法课程的重视和要求。笔者采用课堂教学与实践相结合，开展了基于机械工程题目的实践教学探索，进行了计算方法课程在机械工程专业的教学改革与实践，通过分层教学，提高了学生自主学习兴趣和解决机械工程领域的数学问题的能力。

参考文献：

[1]朱立达,宁晋生,巩亚东,史家顺.基于机械工程学科的新式工程教育模式改革探析[J].中国大学教学,2018,(8):19-25.

[2]孙晶,张伟,崔岩,王殿龙,刘新.工程教育专业认证的持续改进理念与实践[J].大学教育,2018,(7):71-73,86.

[3]王海军,曹德欣,陈兴同,胡建华,杨然.基于科学计算和实践创新能力培养的数值计算方法课程改革与实践研究[J].大学教育,2016,(8):135-136,150.

[4]刘炎,王侃.工科院校“分层教学、分流培养、分类成才”培养模式探索[J].中国大学教学,2018,(8):38-40.

作者：孙国芹 刘小冬 许东来 单位：北京工业大学