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基于OBE理念的材料力学课程教学改革实践
摘要：为了将OBE教育理念和课堂教学深度融合，为不同工科专业量身定制细化版材料力学课程目标，以产出为导向，反向设计教学环节和考核方式。正向实施，根据不同知识点及其对课程目标达成度支撑情况制定不同教学模式和考核方式。通过过程考核并动态追踪整体和个体课程达成度情况实现学期内的持续改进，通过期末成绩分析与多维度调查问卷分析实现学期间的持续改进。实践效果表明，通过基于OBE理念的材料力学课程专业化细分及过程考核追踪式改革，学生整体成绩及课堂满意度均有提升。
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OBE理念强调“以产出为导向，以学生为中心，持续改进”[1]，这一理念在国际工程教育领域内已成为被推崇的主流教育模式。OBE教育理念与传统教育理念最大的不同有：由“知识导向”转变为“产出导向”；由“以教师为中心”转变为“以学生为中心”。这一教育理念的转变促使教育者以学生预期培养目标反向设计人才培养体系，极大地促进了工程教育与工程实践的紧密联系及其匹配度。随后OBE教育理念在美国、英国、澳大利亚和德国等国家工程人才培养方面得到广泛发展。2001年，美国正式启动了“2020工程师计划”，2004欧洲国际工程协会联盟启动了“欧洲工程项目和工程毕业生鉴定计划”。《华盛顿协议》是国际工程师互认体系中最具权威性协议，在认证准则上与OBE理念主张的产出导向一致。我国在2016年正式成为《华盛顿协议》成员国之一，具有国际实质等效的工程教育专业认证开始全面在国内推广[2]。
国外OBE教育理念研究开始较早，逐渐覆盖了产生、发展以及各个方面的具体应用，这些资料可以作为我国工程教育发展的借鉴。但学情与年代的不同，我国工程教育人才培养不能一味跟着跑，必须借助先进的教育理念，加快人才培养模式、教学模式、考核评定模式等教育教学各环节的改革实践，促使我国工程教育人才培养质量迈入新台阶。教育部2016年提出“新工科”概念，为我国工程教育指出了发展方向。教育部2017年2月在复旦大学召开的高等工程教育发展战略研讨会，共同探讨达成了新工科建设与发展的“复旦共识”[3]。同年4月在天津大学召开新工科建设研讨会，60余所高校共商新工科建设行动路线，即“天大行动”[4]。同年6月在北京召开新工科研究与实践专家组第一次工作会议，通过高校、企业和研究机构的专家共同探讨，审议通过了《新工科研究与实践项目指南》，即“北京指南”[5]，这一系列举措促使我国工程教育改革创新迈入新台阶。在这些高水平大学为打造世界一流工程教育努力的同时，众多地方高校结合自身特色，围绕服务地方经济建设以及促进区域经济和产业升级，以需求为指引，产出为导向的理念开展人才培养改革实践是当前新工科建设的必要组成。
材料力学课程是众多工科专业的核心课程之一，也是开展工程教育认证工作的重要课程[6]。但其作为工科专业基础课，在当前很多高校中，材料力学课程授课教师为全校范围内统一调配，分属单独的教研室，与专业老师沟通较少，在各个工科专业人才培养方案制定过程的参与度较弱。这就导致材料力学课程大纲往往按学时要求分为不同大类，难以体现不同工科专业的特色需求。授课教师使用同样的教案和课件为不同专业的学生讲授一样的材料力学课程，虽然能满足整体的知识与能力培养需求，但对不同专业学生培养目标的细化指标贡献较为模糊，同时不易启发学生对自身专业的兴趣，难以提供铺垫后续专业课的情感指标。所以，需要增加材料力学课程教师与不同工科专业教师的沟通，了解不同工科专业培养目标中的各个细化指标及其后续专业课程，“聚焦需求，反向设计”，基于不同专业的个性化需求重新制定个性化课程大纲或个性化课程案例，实现将“产出导向，学生中心，持续改进”理念深度融合在课堂教学过程中。
一、课程教学改革思路
以学生为中心，以产出为导向，反向设计教学环节和考核方式，实现学期内循环动态改进和学期间的持续改进，如图1所示。
图1 教学设计与实施方案流程图
具体教学设计思路：(1)深入理解人才培养方案中的培养目标和毕业要求，尤其深入理解毕业要求中的细化指标具体内容，结合专业课老师建议和材料力学课程自身特征，形成不同专业的个性化教学大纲；(2)根据个性化教学大纲中的具体课程目标重新组织教学内容；(3)根据不同教学内容特点及其对课程目标的支撑情况，建立多元化课程达成度评价指标体系；(4)根据不同教学内容及其达成度评价标准设计教学过程。
具体实施方案：(1)将教学内容根据不同专业的课程目标细化重难点及教学方式，根据对应专业各个知识点对课程目标的支撑情况确定相应知识和能力的过程考核方式；(2)通过过程考核形成全部学生个体的动态课程目标达成度矩阵，及时掌握学生整体与个别预警同学的动态达成度情况，实现学期内教学循环、不断优化调整；(3)学期末分析专业学生整体材料力学课程学习过程的参与度、满意度以及课程目标达成度，形成后续学期教学活动的持续改进意见。
二、课程教学改革实践
基于以上教学改革设计思路，组织材料力学课程组教师与机械类、土木类专业教师的研讨活动，针对不同专业的具体人才培养方向，形成“专业定制版课程目标细化指标点”，微调不同专业材料力学课程教学重难点和考核要求，深入融合“以产出为导向”的教育理念，具体措施如下。
（一）不同专业教学内容侧重点的区分
材料力学课程是青岛理工大学机械类、土木类等工科专业共同的学科基础课，但不同专业的毕业要求不同导致课程培养目标具有一定差异，所以材料力学课程组根据不同专业培养方案对材料力学课程目标进行细化，并针对不同专业毕业要求微调知识点与课程目标的支撑关系。比如：土木工程专业对弯曲变形相关的强度计算要求更高（尤其是脆性材料），教学重点尤其突出了脆性材料的弯曲强度，把弯曲切应力的校核也列入了教学重点；材料科学与工程专业对材料强度理论分析要求更高，突出了强度理论内容的重要性，并针对此内容适当扩展不同强度理论在各个领域的应用案例；机械设计制造及其自动化专业对构件动荷载及疲劳破坏分析比其他专业要求更高，所以将动荷载、交变应力与疲劳破坏放入了教学重点中；材料成型及控制工程专业则必须了解温度等环境因素变化对材料力学性能的影响。基于以上不同专业要求的不同，在不同专业教学大纲及教学实施过程都有明确区分。
（二）不同知识点的教学模式制定
对于逻辑推导性知识点，推导过程较为抽象不易引人入胜，而推导过程的理解对学生思维能力提升非常重要。比如纯弯曲梁横截面正应力公式，需要学生理解“开展实验—观察变形，提出假设—分析变形分布规律—得出应力分布规律—建立公式”这一种常用的研究思路，而常规的单纯讲解需要学生想象实验过程，学生不易理解变形分布规律以及平面假设的提出。我们借助了武汉先导科技的弯曲演示教具，实现了带学生一起随堂实验（图2(a）），一起探索变形分布规律，让学生由实验规律的接受者转变为实验规律的探索者，真正实现了由“以教师为中心”转变为“以学生为中心”。
对于应用型知识点，通过工程和日常现象为引导启发学生思考其中蕴含的材料力学知识，不仅加深了学生对该知识的理解，更重要的是提升了学生的学习获得感和积极性，培养了学生理论联系实际的能力。比如：由地砖鼓包启发学生思考其中原因（图2(b）），并由此引出超静定结构中的温度应力问题，进一步将问题如何解决的主动权交给学生，充分发挥学生的主观能动性，借此培养学生的创新思维。
对于一些实际问题中包含多个材料力学知识，或需要具体分析的问题，设计一些开放式作业，让学生发挥自己的理解，从不同角度给出答案，借此开拓学生思维，并能提升课程的趣味性。比如：分析讨论骑车时链条脱落是强度问题还是刚度问题（图2(c）），通过开放式作业，同学们提出链条脱落后如果出现了断裂或者某个齿轮发生明显不可恢复的变形应是强度问题，若脱落后重新检查链条没有发现任何细小裂纹和不可恢复的变形，那么链条应该是在某一瞬间用力大时弹性变形过大导致脱扣，归为刚度问题。
此外，课程组围绕材料力学不同知识点的高阶应用，为学有余力的学生提供了项目开发方向，学生可组队在教师的指导下利用材料力学所学以及自身的综合能力完成一个项目开放应用，可在加深材料力学课程学习的同时提升个人项目设计、程序开发、解决实际工程问题的综合能力。比如：基于应力状态分析公式，使用Matlab App Designer开发材料力学应力状态求解器（图2(d））。
图2 根据不同知识点及课程目标制定多种教学模式
三、多元化过程考核方式实施与动态追踪
基于OBE理念改革考核评定方式，突出能力培养，以学生为中心加强多元化过程性考核管理，以便实时了解学生课程目标达成度情况，对于达成度较低的学生及时给予个性化干预。(1)需要重点理解的概念采用随堂测试方式考核，并随堂分析学生作答情况；(2)固定答案的基本概念与基础知识内容通过雨课堂推送客观题测试方式考核；(3)需要体现过程分析能力和计算能力的通过计算题作业考核；(4)高阶性能力的体现以小组作业和开放作业考核评定，组内投票出组员各自的贡献度，作为额外选做的加分项目。
通过过程考核实时追踪班级整体课程目标达成度动态变化曲线（图3），发现：随着课程内容的深入，难度提升，课程目标达成度呈波折下降趋势。为此，课程团队通过综合分析学生课堂表现、问卷调查学生学习状态以及测试和作业的具体完成细节，通过推送扩展资料提高学生课程兴趣、推送重难点补充讲解视频提高学生对重难点的理解等措施，促使课程目标达成度实现了回温。
图3 过程考核记录班级整体课程目标达成度动态变化曲线
通过加强过程管理，对比同一教师、同一专业2021与2022学生表现及最终成绩（图4），整体考核结果与课堂表现均有提升：平均分由72.04分提升到74.15分；及格率由88.57%提升到95%；优良率由22.86%提升到40%，整体到课率由96%提升到99%。
图4 同一教师同一专业不同学年学生最终成绩分布对比
每次授课结束后，向学生发布匿名调查问卷，调查学生对材料力学课程整体满意度，对自身课堂表现满意度，整体满意度（满分5），由4.81提升到4.90；对自身课堂表现满意度（满分5），由4.55提升到4.79。同时调查学习过程中最满意的一次课和最不满意的一次课，根据学生反馈信息形成改进方案，实现“以学生为中心”的“持续改进”。
四、结束语
基于OBE“产出导向，学生中心，持续改进”的教育理念，青岛理工大学材料力学课程组结合不同专业的具体人才培养方向和材料力学内在逻辑关系，形成不同专业定制版课程目标细化指标点。在细化课程目标基础上，根据不同知识点及其对课程目标的支撑选择不同的教学模式与考核模式。实时记录班级整体和个体动态课程目标达成度，根据课程目标达成度动态变化形势持续改进后续教学方式，形成教学周期的内循环。学期末通过学生综合考核结果和多维度匿名调查问卷，形成整学期的教学分析与反思，为后续学期教学的持续改进提供方向。
参考文献:
[1]孙爱晶,陈怡君,石晓娟.基于OBE的本科人才培养目标评价体系探究[J].高教学刊,2017(9):33-34.
[2]李志义,赵卫兵.我国工程教育认证的最新进展[J].高等工程教育研究,2021(5):39-43.
[3]“新工科”建设复旦共识[J].高等工程教育研究,2017(1):10-11.
[4]“新工科”建设行动路线“天大行动”[J].高等工程教育研究,2017(2):24-25.
[5]新工科建设指南“北京指南”[J].高等工程教育研究,2017(4):20-21.
[6]刘德军,左建平,周宏伟,等.OBE理念下的材料力学教学方法改革与实践[J].力学与实践,2021,43(1):112-119.
基金资助:国家自然科学基金青年基金“强震下核电厂刚柔耦合叠放多体系统动力学建模分析与致灾机理研究”(12202224); 青岛理工大学本科教学改革与研究项目“基于OBE理念材料力学课程改革实践”(F2022-019);
文章来源:张树翠,张欣刚,李凯,等.基于OBE理念的材料力学课程教学改革实践[J].高教学刊,2024,10(21):108-110+114.
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2024-09-06
“动物生理学”作为一门研究人体及动物机体生命活动和规律的学科，是生物科学专业的基础课程。由于课时有限且教学内容繁多，以往教学多采用传统的知识讲授法，教师对学生学习需求关注不足，学生学习的自主性难以发挥。在全面推进教育改革下，多元化教学方法广泛普及，为“动物生理学”课程改革提供更多的支持。
2024-08-21
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2024-08-20
建设社会主义现代化强国需要大批思想政治觉悟高、专业知识扎实、应用技能强的高素质专门人才，因此，高校必须将思想政治（思政）教育、专业教育、创新创业（双创）教育贯穿高等教育的全过程，使三者同向同行，以培养出高素质、高质量的人才。
2024-08-15
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2024-08-14
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首先，在课程设计阶段必须明确学习目标和预期结果，特别是在机械设计制造及其自动化专业中，这意味着确定学生需要掌握的技术、工程和设计方面的具体能力和知识。其次，教育者应该专注于确保学生真正理解和掌握核心概念，而不仅仅是记忆知识点，以提高教学质量，并使学生能够更好地应用所学知识解决实际问题。
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“现代工业安全与标准”课程是工科教育的重要组成部分，传统的教学设计侧重理论知识讲解，缺乏实践性和应用性，已经不能适应新工科的要求，难以满足当今社会对工科人才的需求。因此，需要在新工科背景下进行教学创新。其中，如何提高课程的教学质量和效果成为了关键问题。
2024-08-05
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国际刊号：2095-2791
国内刊号：44-1690/G4
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创刊时间：2012年
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