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摘 要：新工科将培养适应新时代快速发展要求的现代化工程拔尖人才作为核心目标之一。文章立足工程创新人才观，对有限单元法课进行了一系列深刻的改革：重构有限元法教学内容分布，完善人才培养载体;运用 “工程项目驱动教学法”优化培养途径，加强人才工程设计、工程实践、自主学习、合作沟通及集成创新等能力的培养;采取多元化课程考核模式改进学业评价，完善教学过程。实践结果表明，理论与工程实践同步且有机结合，不仅有助于深刻理解后续专业领域的理论，而且能激发学生的探究欲，提高学生的工程意识和解决问题的能力，为培养行业拔尖人才奠定坚实的基础。
关键词：新工科;弹性力学有限单元法;课程改革;拔尖人才
中图分类号：C961 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）06-0140-03
Abstract： The emerging engineering education will train the top-notch talents in modern engineering that meet the requirements of rapid development in the new era. Based on the concept of engineering innovation talents， the article has carried out a series of profound reforms on the finite element law course： reconstructing the distribution of finite element method teaching content， perfecting the talent training carrier; using the "engineering project-driven teaching method" to optimize the training channels and strengthen the talent engineering design ， engineering practice， independent learning， cooperative communication and integrated innovation， etc.; adopt a diversified curriculum assessment model to improve academic evaluation and improve the teaching process. The results of practice show that the simultaneous and organic combination of theory and engineering practice not only helps to deeply understand the theory of follow-up professional fields， but also stimulates students' desire for inquiry， improves students' engineering awareness and problem-solving ability， and lays the foundation for cultivating top talents in the industry. solid foundation.
Keywords： emerging engineering education; elastics & finite element method; curriculum reform; top-notch talent
《國家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》中明确提出高等教育要着力培养本领过硬的高素质专门人才和拔尖创新人才。2017年，教育部发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》。通知中，基于国家战略发展新需求、国际竞争新形势、立德树人新要求提出了新工科（Emerging Engineering Education）。其内涵以应对变化、塑造未来为建设理念，更加强调学科的实用性、交叉性，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才[1]。弹性力学作为工科基础，是工科四大力学之一，同时兼备了科学、数学和工程三重属性。因而，机械、土木、航空航天等工程问题最终大多都归结为弹性力学问题。从实际工程问题到力学模型建立即为其科学创新的体现，力学问题的数学方程求解即为实际问题的量化基因，有限单元法的创立为量化发展的代表性创造。郑泉水教授认为力学同时拥有定量化“基因”和技术创新“基因”。因此，作为传授力学基本概念和规律、工程思维及实际问题解决的弹性力学有限单元法将为发展学生工程问题处理的能力，培养拔尖人才提供一个有极大拓展空间的平台。本文以4年来，上海工程技术大学与美国劳伦斯理工大学（LAWRENCE TECHNOLOGICAL UNIVERSITY 简称LTU）合作办学专业的有限单元法课程改革为例，在新工科及创新教育视角下，探讨拔尖人才的培养载体、教学途径及教学效果评价。
一、重构教学内容体系，完善人才培养载体
教学内容是人才培养最为基本的载体，因此教学内容的改革是课程改革的核心，在某种程度上也决定着教学模式的改革[2]，将直接影响教学实效。机械设计制造及其自动化是我校与LTU合作办学的专业，其目标是培养理论联系实际，具有实践创新精神和较强的对外交流能力，适应国际企业、具有国际视野的高级汽车工程技术人才。以理论教学为主的传统有限单元法教学内容体系显然难以满足要求，需要对其进行重新遴选、关联及重构。 本课题针对弹性力学有限单元法理论及其工程应用课程进行了模块化设计，将其分为弹性力学基础理论、弹性力学课程思政内容、有限单元法基础理论、有限单元法课程思政内容、工程项目实践及工程素养。其中理论模块包括弹性力学基本概念、三大控制方程、有限元基本思想及解决问题的流程等，这几大模块是最为根本和重要的部分。思政模块内容隐含在理论教学和工程案例实践教学中，强调现代文化人的要求、力学工程师的职业素养和对弹性力学、有限单元法发展贡献巨大的人物尤其是华人学者的事迹，以期达到目标指引、精神引领及内省的目的;强调工程问题的协同解决，着重培养学生做人做事的基本品格培养。工程实践模块主要采用项目驱动法进行教学，利用有限单元法及弹性力学理论，运用成熟的商业有限元软件分析实际工程项目案例，从需求分解、方案设计、模型建立及求解、结果反馈等多个方面进行过程把控。
（一）强化力学概念，渗透力学建模思想，夯实基础理论
力学概念、弹性力学问题的界定及求解、建模思路等在教学内容体系中是最为关键的。长期以来，我国大学工科力学课程主要集中在工程力学即理论力学、材料力学和结构力学，其力学模型主要是刚体和简单变形体，控制方程利用初等数学即可求解。而实际工程结构大多为复杂弹性体，其边界及受力非常复杂，简单变形体的力学模型、初等数学工具都已无法满足。弹性力学基本问题是研究任意弹性体在外力及温度作用下，内部的反应，而描述弹性体内部反应的物理量是应力、应变及位移。因而，这里的力学概念就包括了任意弹性体、位移、应变、应力及外载荷。力学建模思想即是在一定的假设基础上，寻找描述该弹性体的四个变量之间的关系，即三大控制方程。从弹性力学问题入手，帮助学生建立起来从位移到应变、从应变到应力、应力与外力等三个方程的逻辑关系，此即力学建模的思想。给出合理的假定前提下，得到控制方程;在一定边界约束条件下，利用不同的数学工具求解;整个建模到求解的过程即为力学基础理论。而在有限元理论分析中，位移有限元的单元分析过程正是沿着这一思路开展，所以结合弹性力学基本问题的位移求解来开展有限元法理论教学，非常有助于学生的理解。
（二）遴选思政教学内容，拓宽学生视野、提高学生科学及工程素养
时至今日，弹性力学依然是一门生机勃勃的科学，是工程问题解决的主要理论所在。对于 “新工科”来讲，其内涵是立德树人，培养未来多元化、创新型卓越工程拔尖人才。作为新工科主干课程，在《弹性力学有限单元法理论及工程应用》课程培养过程中，就要考虑学生将来处理工程问题时应承担的社会责任、解决问题时的团队协作、品行、决断、敏捷、知人善任、学识和技能的综合应用等方面。因而，本课程的教学内容必需要加入思政元素，包括弹性力学和有限元法相关历史人物事迹、工程项目管理基本素养、工程伦理等。
（三）加强实践模块，促进学生解决实际工程能力
有限元法在机械零部件的设计中已经是最有效的工具，所以在教学中构建专业应用模块，为后续的专业课留接口，可促进学生力学知识的迁移。选择项目组已完成或正在进行的课题，划分成小的项目任务，供学生选择，并以企业要求为标准进行实践教学。目前已采用的项目任务包括摩擦制动过程摩擦片温度场的瞬态问题、摩擦片热应力分析、基于疲劳特性的空心稳定杆设计、基于疲劳特性的实心稳定杆设计、小排量发动机平衡轴的设计、前悬架弹簧设计分析、后悬架弹簧设计分析、气门弹簧节距变化的力学特性分析、沙滩车的优化设计等等。在实践教学中，采用工程问题建模、CAE建模、工程项目解决为主线的台阶式教学方式，使教学目的层次分明，使得学生掌握基本的CAE分析技能;而工程问题及工程项目的解决，更注重学生综合应用的能力、系统集成的能力和创新能力的培养。
二、改革教学模式，优化人才培养途径
教学模式决定了人才培养途径。在新工科视角下，由于需要的综合应用能力，研究性学习应该是教学的主旋律。研究性学习理论来源于建构主义，其本质在于知识的自主构建，即学习的过程分为转移、混沌即再构。为此，坚持以学生为中心，利用真实工程问题的解决，充分发挥学生的积极性，最终实现学生对所学知识的自主构建，训练工程实践能力。
（一）引入PTM 模式，促进学生自主探究
PTM（Project-driven Teaching Method）项目驱动教学模式是以真实工程项目为载体，让学生自由组队，从工程案例库中选择项目，完全按照工程项目流程：从需求解读、项目分解、方案设计、中期汇报、风险评估、课堂答辩、结题总结等。每个小组都严格执行，完成一个项目的实施流程。
（二）采用准双语教学，为阅读英文专业文献打下基础
为了拓宽学生的国际视野，推荐学生查阅英文文献、英文专利和标准等。在教学中，采用准双语授课，即涉及到力学概念、原理等描述均采用双语讲义，并以翻转课堂形式要求学生学习国际著名大学的公开课视频，让学生及早接触科技英语。
（三）开展项目组演讲汇报，增强沟通表达意识
对于每个项目的最终结题，必须经过课堂答辩，最终以 PPT 演讲的形式向全班展示对问题的分析、解决方案以及结果。台下每位同学都可以进行评论和提问，气氛十分热烈，按照合同要求及评委们的最终意见，决定是合格或者优秀。在此过程中，学生感受到了工程问题解决的乐趣，增强了工程意识。
三、探索课程考核方式，改进学业评价
课程评价一般是“一张试卷定成绩”，这显然不能完全客观地评价学生的掌握情况，尤其调整后的教学过程更加注重理论与工程实践结合，因而，需要引入多元化的课程考核模式。本課程总评成绩由理论考核、工程实践、平时成绩三块组成，其中理论考核为期末闭卷考试分数;工程实践分为汇报答辩及项目结题论文评分两部分;平时成绩分为出勤、课堂参与度、查阅外文资料及学习知名大学公开课情况及作业等组成，整个课程最终评价由三项加权给出。
四、结束语
在创新教育观和新工科人才观下，我们对本校与LTU合作办学的机械设计制造及其自动化专业的核心课程《弹性力学有限单元法理论及工程应用》课程进行教学改革，主要涉及到教学内容的设计、工程项目实践的项目驱动法的实施以及对应于教学内容及新教学法的学业评价标准的制定等。四年来的实践结果表明，学生对于有限元法的理解及应用、工程意识和创新能力都有了很大提升，尤其是在毕业设计、实习工作中更能体现。
参考文献：
[1]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.
[2]郝会颖，赵长春，张自力，等.谈创新教育视角下拔尖人才培养的载体、途径和学业评价——以大学物理课程改革为例[J].物理与工程，2017，27（6）：90-94.
[3]郑泉水.论创新型工科的力学课程体系[J].力学与实践，2018， 40（2）：194-202.
关键词：新工科;弹性力学有限单元法;课程改革;拔尖人才
中图分类号：C961 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）06-0140-03
Abstract： The emerging engineering education will train the top-notch talents in modern engineering that meet the requirements of rapid development in the new era. Based on the concept of engineering innovation talents， the article has carried out a series of profound reforms on the finite element law course： reconstructing the distribution of finite element method teaching content， perfecting the talent training carrier; using the "engineering project-driven teaching method" to optimize the training channels and strengthen the talent engineering design ， engineering practice， independent learning， cooperative communication and integrated innovation， etc.; adopt a diversified curriculum assessment model to improve academic evaluation and improve the teaching process. The results of practice show that the simultaneous and organic combination of theory and engineering practice not only helps to deeply understand the theory of follow-up professional fields， but also stimulates students' desire for inquiry， improves students' engineering awareness and problem-solving ability， and lays the foundation for cultivating top talents in the industry. solid foundation.
Keywords： emerging engineering education; elastics & finite element method; curriculum reform; top-notch talent
《國家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》中明确提出高等教育要着力培养本领过硬的高素质专门人才和拔尖创新人才。2017年，教育部发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》。通知中，基于国家战略发展新需求、国际竞争新形势、立德树人新要求提出了新工科（Emerging Engineering Education）。其内涵以应对变化、塑造未来为建设理念，更加强调学科的实用性、交叉性，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才[1]。弹性力学作为工科基础，是工科四大力学之一，同时兼备了科学、数学和工程三重属性。因而，机械、土木、航空航天等工程问题最终大多都归结为弹性力学问题。从实际工程问题到力学模型建立即为其科学创新的体现，力学问题的数学方程求解即为实际问题的量化基因，有限单元法的创立为量化发展的代表性创造。郑泉水教授认为力学同时拥有定量化“基因”和技术创新“基因”。因此，作为传授力学基本概念和规律、工程思维及实际问题解决的弹性力学有限单元法将为发展学生工程问题处理的能力，培养拔尖人才提供一个有极大拓展空间的平台。本文以4年来，上海工程技术大学与美国劳伦斯理工大学（LAWRENCE TECHNOLOGICAL UNIVERSITY 简称LTU）合作办学专业的有限单元法课程改革为例，在新工科及创新教育视角下，探讨拔尖人才的培养载体、教学途径及教学效果评价。
一、重构教学内容体系，完善人才培养载体
教学内容是人才培养最为基本的载体，因此教学内容的改革是课程改革的核心，在某种程度上也决定着教学模式的改革[2]，将直接影响教学实效。机械设计制造及其自动化是我校与LTU合作办学的专业，其目标是培养理论联系实际，具有实践创新精神和较强的对外交流能力，适应国际企业、具有国际视野的高级汽车工程技术人才。以理论教学为主的传统有限单元法教学内容体系显然难以满足要求，需要对其进行重新遴选、关联及重构。 本课题针对弹性力学有限单元法理论及其工程应用课程进行了模块化设计，将其分为弹性力学基础理论、弹性力学课程思政内容、有限单元法基础理论、有限单元法课程思政内容、工程项目实践及工程素养。其中理论模块包括弹性力学基本概念、三大控制方程、有限元基本思想及解决问题的流程等，这几大模块是最为根本和重要的部分。思政模块内容隐含在理论教学和工程案例实践教学中，强调现代文化人的要求、力学工程师的职业素养和对弹性力学、有限单元法发展贡献巨大的人物尤其是华人学者的事迹，以期达到目标指引、精神引领及内省的目的;强调工程问题的协同解决，着重培养学生做人做事的基本品格培养。工程实践模块主要采用项目驱动法进行教学，利用有限单元法及弹性力学理论，运用成熟的商业有限元软件分析实际工程项目案例，从需求分解、方案设计、模型建立及求解、结果反馈等多个方面进行过程把控。
（一）强化力学概念，渗透力学建模思想，夯实基础理论
力学概念、弹性力学问题的界定及求解、建模思路等在教学内容体系中是最为关键的。长期以来，我国大学工科力学课程主要集中在工程力学即理论力学、材料力学和结构力学，其力学模型主要是刚体和简单变形体，控制方程利用初等数学即可求解。而实际工程结构大多为复杂弹性体，其边界及受力非常复杂，简单变形体的力学模型、初等数学工具都已无法满足。弹性力学基本问题是研究任意弹性体在外力及温度作用下，内部的反应，而描述弹性体内部反应的物理量是应力、应变及位移。因而，这里的力学概念就包括了任意弹性体、位移、应变、应力及外载荷。力学建模思想即是在一定的假设基础上，寻找描述该弹性体的四个变量之间的关系，即三大控制方程。从弹性力学问题入手，帮助学生建立起来从位移到应变、从应变到应力、应力与外力等三个方程的逻辑关系，此即力学建模的思想。给出合理的假定前提下，得到控制方程;在一定边界约束条件下，利用不同的数学工具求解;整个建模到求解的过程即为力学基础理论。而在有限元理论分析中，位移有限元的单元分析过程正是沿着这一思路开展，所以结合弹性力学基本问题的位移求解来开展有限元法理论教学，非常有助于学生的理解。
（二）遴选思政教学内容，拓宽学生视野、提高学生科学及工程素养
时至今日，弹性力学依然是一门生机勃勃的科学，是工程问题解决的主要理论所在。对于 “新工科”来讲，其内涵是立德树人，培养未来多元化、创新型卓越工程拔尖人才。作为新工科主干课程，在《弹性力学有限单元法理论及工程应用》课程培养过程中，就要考虑学生将来处理工程问题时应承担的社会责任、解决问题时的团队协作、品行、决断、敏捷、知人善任、学识和技能的综合应用等方面。因而，本课程的教学内容必需要加入思政元素，包括弹性力学和有限元法相关历史人物事迹、工程项目管理基本素养、工程伦理等。
（三）加强实践模块，促进学生解决实际工程能力
有限元法在机械零部件的设计中已经是最有效的工具，所以在教学中构建专业应用模块，为后续的专业课留接口，可促进学生力学知识的迁移。选择项目组已完成或正在进行的课题，划分成小的项目任务，供学生选择，并以企业要求为标准进行实践教学。目前已采用的项目任务包括摩擦制动过程摩擦片温度场的瞬态问题、摩擦片热应力分析、基于疲劳特性的空心稳定杆设计、基于疲劳特性的实心稳定杆设计、小排量发动机平衡轴的设计、前悬架弹簧设计分析、后悬架弹簧设计分析、气门弹簧节距变化的力学特性分析、沙滩车的优化设计等等。在实践教学中，采用工程问题建模、CAE建模、工程项目解决为主线的台阶式教学方式，使教学目的层次分明，使得学生掌握基本的CAE分析技能;而工程问题及工程项目的解决，更注重学生综合应用的能力、系统集成的能力和创新能力的培养。
二、改革教学模式，优化人才培养途径
教学模式决定了人才培养途径。在新工科视角下，由于需要的综合应用能力，研究性学习应该是教学的主旋律。研究性学习理论来源于建构主义，其本质在于知识的自主构建，即学习的过程分为转移、混沌即再构。为此，坚持以学生为中心，利用真实工程问题的解决，充分发挥学生的积极性，最终实现学生对所学知识的自主构建，训练工程实践能力。
（一）引入PTM 模式，促进学生自主探究
PTM（Project-driven Teaching Method）项目驱动教学模式是以真实工程项目为载体，让学生自由组队，从工程案例库中选择项目，完全按照工程项目流程：从需求解读、项目分解、方案设计、中期汇报、风险评估、课堂答辩、结题总结等。每个小组都严格执行，完成一个项目的实施流程。
（二）采用准双语教学，为阅读英文专业文献打下基础
为了拓宽学生的国际视野，推荐学生查阅英文文献、英文专利和标准等。在教学中，采用准双语授课，即涉及到力学概念、原理等描述均采用双语讲义，并以翻转课堂形式要求学生学习国际著名大学的公开课视频，让学生及早接触科技英语。
（三）开展项目组演讲汇报，增强沟通表达意识
对于每个项目的最终结题，必须经过课堂答辩，最终以 PPT 演讲的形式向全班展示对问题的分析、解决方案以及结果。台下每位同学都可以进行评论和提问，气氛十分热烈，按照合同要求及评委们的最终意见，决定是合格或者优秀。在此过程中，学生感受到了工程问题解决的乐趣，增强了工程意识。
三、探索课程考核方式，改进学业评价
课程评价一般是“一张试卷定成绩”，这显然不能完全客观地评价学生的掌握情况，尤其调整后的教学过程更加注重理论与工程实践结合，因而，需要引入多元化的课程考核模式。本課程总评成绩由理论考核、工程实践、平时成绩三块组成，其中理论考核为期末闭卷考试分数;工程实践分为汇报答辩及项目结题论文评分两部分;平时成绩分为出勤、课堂参与度、查阅外文资料及学习知名大学公开课情况及作业等组成，整个课程最终评价由三项加权给出。
四、结束语
在创新教育观和新工科人才观下，我们对本校与LTU合作办学的机械设计制造及其自动化专业的核心课程《弹性力学有限单元法理论及工程应用》课程进行教学改革，主要涉及到教学内容的设计、工程项目实践的项目驱动法的实施以及对应于教学内容及新教学法的学业评价标准的制定等。四年来的实践结果表明，学生对于有限元法的理解及应用、工程意识和创新能力都有了很大提升，尤其是在毕业设计、实习工作中更能体现。
参考文献：
[1]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.
[2]郝会颖，赵长春，张自力，等.谈创新教育视角下拔尖人才培养的载体、途径和学业评价——以大学物理课程改革为例[J].物理与工程，2017，27（6）：90-94.
[3]郑泉水.论创新型工科的力学课程体系[J].力学与实践，2018， 40（2）：194-202.