“以學(xué)生為中心”的教學(xué)范式改革實踐
——以“工程力學(xué)與CAE”為例

呂償

（廣東白云學(xué)院機電工程學(xué)院，廣東 廣州 510450）

0 引言

我國“十四五”規(guī)劃階段對高校人才培養(yǎng)質(zhì)量提出了更高的要求，教育部發(fā)布的《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》強調(diào)，要以學(xué)生發(fā)展為中心，堅持成果導(dǎo)向，優(yōu)化專業(yè)結(jié)構(gòu)，完善課程體系，推動課堂教學(xué)革命，改進教學(xué)方法[1]?？梢姼哔|(zhì)量人才培養(yǎng)的根本在課程教學(xué)，探索適應(yīng)各個層次的高度教育課程教學(xué)模式改革國內(nèi)學(xué)者作了諸多研究，以研究型高校更注重基礎(chǔ)理論研究，應(yīng)用型高校則在理論教學(xué)的基礎(chǔ)上增設(shè)實踐環(huán)節(jié)，高職院校則將課程教學(xué)的重心專注于實踐教學(xué)。

課程教學(xué)作為體現(xiàn)教學(xué)范式的直接載體，是高校開展教學(xué)的主要途徑，如何開展好課堂教學(xué)，切實提高課程教學(xué)的有效性已成為深化教學(xué)改革、提升人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要發(fā)力點。

1 教學(xué)范式改革中的痛點

1.1 知識點固化

課程大綱延用是高校課程教學(xué)的一種普遍現(xiàn)象，特別是專業(yè)基礎(chǔ)課作為該專業(yè)的核心課程，課程教學(xué)大綱早期經(jīng)過反復(fù)論證具有較強的延用性，教師在進行課程改革時對原有教學(xué)大綱的依賴性較高，極少結(jié)合本專業(yè)涉及的行業(yè)水平重新調(diào)整課程的大綱，導(dǎo)致知識點基本圍繞課本、圍繞原有大綱要求的知識點進行課程講授，從而導(dǎo)致“以課本為中心”的教學(xué)模式。

1.2 教學(xué)模式固化

傳統(tǒng)教學(xué)模式以“傳授范式”為主，在高校教學(xué)中占據(jù)主流地位，教師作為教學(xué)活動開展的“原動機”，學(xué)生作為課題里的“從動件”，是典型的“以教師為中心”的教學(xué)范式，此范式使得教師對課堂占據(jù)絕對領(lǐng)導(dǎo)地位，學(xué)生被動接收來自教師的講授[2-3]。在學(xué)生基礎(chǔ)較好、自覺性良好的研究型高校具有一定的可行性，但在基礎(chǔ)相對薄弱、自律性一般的應(yīng)用型高校和職業(yè)院校學(xué)生開展“以教師為中心”的教學(xué)范式教學(xué)效果普遍達不到課程教學(xué)的預(yù)期。據(jù)一項調(diào)查統(tǒng)計，在“以教師為中心”教師范式課題上，學(xué)生玩手機的比例高達55%，睡覺比例為26%，聽課比例僅為7%[4]。

誠然有些高校針對“以教師為中心”開展了教學(xué)范式改革，在設(shè)計了教學(xué)活動以提高學(xué)生的參與度，亦出現(xiàn)“兩張皮”，即學(xué)生對課程教學(xué)中的活動內(nèi)容敷衍，較容易地完成教師布置的課程任務(wù)，學(xué)生有參與課程教學(xué)活動但并非高質(zhì)量參與。

1.3 教學(xué)模式改革未能與學(xué)生的發(fā)展關(guān)聯(lián)

無論何種教學(xué)設(shè)計、教學(xué)改革其對象是為了讓學(xué)生接受有用的知識，一切都是為了學(xué)生的發(fā)展，在高校教學(xué)改革中普遍存在以教師對課程的理解進行相應(yīng)的教學(xué)改革，而不是基于本專業(yè)在行業(yè)未來發(fā)展中的需求及學(xué)生在未來職業(yè)發(fā)展中的影響進行課程改革，“以學(xué)生的發(fā)展為中心”是課程改革的本質(zhì)，課程對學(xué)生未來的發(fā)展貢獻值是衡量課程改革的重要依據(jù)。

2 以“工程力學(xué)與CAE”課程范式改革的主要做法與成效

“工程力學(xué)與CAE”是機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，先修課程為“機械制圖”“高等數(shù)學(xué)”和“大學(xué)物理”且與后續(xù)的“機械原理”及“機械設(shè)計”聯(lián)系緊密，在該專業(yè)有著承上啟下的重要作用。課程改革之后在內(nèi)容上融合了傳統(tǒng)的“理論力學(xué)”“材料力學(xué)”的知識點，并在此基礎(chǔ)上增加了CAE技術(shù)，其目的是為了提高課程在工程實踐中的應(yīng)用性，摒棄專注理論講授的傳統(tǒng)教學(xué)范式。

“工程力學(xué)與CAE”作為廣東白云學(xué)院“以學(xué)生為中心”的課改課程之一，目前已經(jīng)過4年改革經(jīng)驗通過驗收為優(yōu)秀，課程設(shè)計從知識點重構(gòu)、教法創(chuàng)新、全過程評價等系列改革措施開展教學(xué)，從“以教師、教材、課堂為中心”向“以學(xué)生的發(fā)展為中心”轉(zhuǎn)變，具有一定的推廣價值。

2.1 知識點重構(gòu)

2.1.1 注重后續(xù)課程應(yīng)用

“工程力學(xué)與CAE”是機械專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是通識課高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理等與專業(yè)必修課機械原理、機械設(shè)計等的重要銜接課程，知識點的重構(gòu)著重于后續(xù)專業(yè)必修課中涉及的相關(guān)應(yīng)用。

2.1.2 引入CAE技術(shù)，注重工程實踐能力培養(yǎng)相較于課程改革前“只講理論，不講應(yīng)用”的講授方式，本課程改革引入CAE技術(shù)在于解決“學(xué)不能致用”的問題。本課程改革主要面向與應(yīng)用型本科院校學(xué)生，此類學(xué)生在力學(xué)建模、理論計算等方面能力偏弱，在面對相對復(fù)雜的工程應(yīng)用問題時往往無從下手，甚至有畏難情緒，而CAE技術(shù)引入本課程設(shè)計較好地引導(dǎo)學(xué)生在掌握基本理論的基礎(chǔ)上，靈活運用CAE技術(shù)解決一些工程實踐問題。

2.1.3 引入課程思政，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴謹?shù)穆殬I(yè)素養(yǎng)

在引入工程實踐項目時，引導(dǎo)學(xué)生治學(xué)要科學(xué)嚴謹、求真務(wù)實，例如在講授桁架結(jié)構(gòu)時，本課程引入了港珠澳大橋為例。港珠澳大橋部分設(shè)計為斜拉橋，涉及十分嚴謹?shù)牧W(xué)分析，建立合理的力學(xué)模型進行理論計算對后續(xù)施工具有非常重要的指導(dǎo)意義，保證港珠澳大橋具有良好的可靠性、穩(wěn)定性。

2.2 知識點模塊化

知識點的模塊化設(shè)計徹底摒棄“以教材為中心”，以教材中的章節(jié)為主線的知識點構(gòu)成。在課程設(shè)計中是以工程實踐項目為載體，基于機械專業(yè)學(xué)生在本科階段應(yīng)掌握的“拉、剪、彎、扭、組合變形”等幾大類的工程問題，對應(yīng)設(shè)計了工程實踐項目，圍繞設(shè)計的工程實踐項目所需要掌握的基本理論知識來選定知識點構(gòu)成。

3 教學(xué)方法的創(chuàng)新

3.1 以項目為驅(qū)動逆向教學(xué)設(shè)計

以目標為導(dǎo)向，采取逆向設(shè)計法，以“教學(xué)目標”為切入點，向“教學(xué)活動”逆向推進。首先確定“教學(xué)目標”隨后根據(jù)“教學(xué)目標”選取合適的“教學(xué)內(nèi)容”，隨之設(shè)計“教學(xué)活動”，最后設(shè)計“教學(xué)策略”。

在每個知識模塊開展教學(xué)前，向?qū)W生提出明確在該模塊的學(xué)習(xí)中要解決的工程實踐項目，以項目為驅(qū)動，通過工程實踐項目來激發(fā)學(xué)生求知欲，讓學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標，帶著學(xué)習(xí)目標去學(xué)習(xí)。

解決該模塊的工程實踐項目是要具備相應(yīng)的理論基礎(chǔ)知識為前提，有針對性地遴選出必要的知識點，遴選出來的知識點并非全盤拖出，而是將項目分解為若干個任務(wù)，以任務(wù)的形式對逐步對總體項目的進行。

3.2 課堂講授的策略

3.2.1 徹底摒棄單向灌輸?shù)慕虒W(xué)模式

通過線上資源，讓學(xué)生提前預(yù)知課堂的教學(xué)目標，為課堂活動的開展作相關(guān)的準備，教師以引導(dǎo)式牽引課堂，為本次課堂目標達成充當(dāng)“導(dǎo)演”的角色。將知識點-任務(wù)-項目進行串聯(lián)，對知識點-任務(wù)-項目中存在的難點、疑點逐個點撥，盡量避免單向灌輸，以研討、發(fā)問等形式開展，調(diào)動學(xué)生的積極性，提高學(xué)生在課堂上的參與程度。

3.2.2 學(xué)生活動設(shè)計策略

學(xué)生活動設(shè)計策略緊扣教學(xué)目標和教學(xué)內(nèi)容，完成相關(guān)知識模塊的項目設(shè)計，學(xué)生在完成項目設(shè)計的過程中由教師引導(dǎo)，而更為重要的是學(xué)生可參照模板獨立完成，實現(xiàn)從“模仿”到“獨立自主”，最后能夠舉一反三進行相關(guān)的創(chuàng)新性的項目設(shè)計。

3.2.3 采取線上-線下混合式教學(xué)

在線上超星學(xué)習(xí)平臺建設(shè)了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源庫，通過任務(wù)、項目驅(qū)動將課堂時間有效延長，以更加豐富的教學(xué)形式激發(fā)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)意識。

在線下，構(gòu)建了工程力學(xué)實驗室，可開展低碳鋼的軸向拉伸實驗、圓形截面棒料的純扭轉(zhuǎn)實驗、等截面/強度梁的彎曲應(yīng)力應(yīng)變測試實驗，可供學(xué)生開展驗證性或探索性實驗，增強學(xué)生對軸向拉伸與壓縮、圓軸扭轉(zhuǎn)、彎曲應(yīng)力應(yīng)變等感性認識。

4 教學(xué)評價創(chuàng)新

本課程的教學(xué)評價采取全過程的教學(xué)評價如表1所示，摒棄了課改前單一的筆試成績作為考核標準，注重學(xué)生的全過程學(xué)習(xí)記錄，以項目為驅(qū)動的教學(xué)階段性考核。通過項目驅(qū)動，在學(xué)習(xí)本門課程中以能否解決工程實踐問題來定義學(xué)生是否掌握基本知識、基本技術(shù)、基本能力的重要指標。徹底摒棄了唯試卷、唯理論知識的考核方式。

表1 “工程力學(xué)與CAE（B）”考核評價方式

5 教學(xué)成效

5.1 學(xué)生的參與度顯著提高

傳統(tǒng)的教學(xué)是以教師為中心，即“教師講、學(xué)生聽”，學(xué)生在課堂上容易開小差、打瞌睡、玩手機等，上課積極性不高，最終導(dǎo)致教學(xué)效果不佳?！耙詫W(xué)生為中心”的教學(xué)范式改革則側(cè)重于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在學(xué)習(xí)動力，本課改采取的策略是“教師授課引導(dǎo)，學(xué)生主動學(xué)習(xí)，教師答疑解惑”。具體操作流程如圖1所示。

圖1 教學(xué)策略

采取“以學(xué)生為中心”教學(xué)范式改革，學(xué)生對學(xué)習(xí)的參與度不再局限于課堂，線上成為重要的延展課堂，在超星學(xué)習(xí)通上學(xué)生訪問課程主頁數(shù)達16.8萬次/年，互動教學(xué)達一百多次/學(xué)期。

5.2 解決工程實踐問題能力顯著提高

改革后，改變了以往“學(xué)不能致用”的狀態(tài)，解決問題的手段多樣化，不局限于單一的理論計算，使學(xué)生在掌握基本理論的基礎(chǔ)上能夠靈活運用CAE技術(shù)解決工程實踐問題，例如在求解桁架結(jié)構(gòu)內(nèi)力的章節(jié)，一般教材僅限于平面桁架結(jié)構(gòu)內(nèi)力求解且桁架結(jié)構(gòu)桿件個數(shù)較少，此類屬于理想化力學(xué)模型，而在工程實踐問題卻相差甚遠，往往需要解決的是空間桁架結(jié)構(gòu)且數(shù)量較大（桿件數(shù)大于100），此時單憑人工計算顯然不切實際。引入CAE技術(shù)后學(xué)生能夠快速建立有限元模型借助計算機輔助分析是可以解決此類問題。

此外，涉及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的“拉、剪、彎、扭”力學(xué)問題，單憑人工計算亦是十分復(fù)雜，而建立合理的有限元模型，則能快速、精準求解。由此，CAE技術(shù)的引入提高了學(xué)生解決工程實踐問題的能力。

5.3 學(xué)生畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量提高

本科階段機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計中凡涉及復(fù)雜靜力學(xué)分析，在計算方面往往出現(xiàn)邏輯不清或因結(jié)構(gòu)復(fù)雜計算結(jié)果不足以對設(shè)計形成較好的參考性。出現(xiàn)上述緣故一是工程力學(xué)基礎(chǔ)知識掌握不牢固，二是結(jié)構(gòu)復(fù)雜單憑人工計算顯得捉襟見肘。通過本門課程的學(xué)習(xí)，利用CAE技術(shù)能較好地解決上述問題，筆者所指導(dǎo)的學(xué)生畢業(yè)設(shè)計中能較好體現(xiàn)CAE技術(shù)區(qū)解決工程實踐問題，學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計中有將CAE技術(shù)應(yīng)用于零部件輕量化設(shè)計中，如圖2所示，學(xué)生對山地自行車零部件根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計要求設(shè)計出原始外觀，后根據(jù)受載情況分析其等效應(yīng)力云圖，如圖3所示，在等效應(yīng)力云圖中對應(yīng)力較大部分進行二次優(yōu)化設(shè)計，最終由拓撲優(yōu)化結(jié)果設(shè)計的零部件如圖4所示。由此可見，通過課程的學(xué)習(xí)對畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量的提升產(chǎn)生了直接的影響。

圖2 原始設(shè)計的山地自行車零部件

圖3 零件受載后的等效應(yīng)力云

圖4 拓撲優(yōu)化后的零件設(shè)計造型

5.4 CAE技術(shù)應(yīng)用于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育作為第一課堂向第二課堂的延伸，將第一課堂所學(xué)知識充分在第二課堂上得以展示是間接驗證第一課堂教學(xué)效果。通過本門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生敢于嘗試新技術(shù)新方法，勇于直面挑戰(zhàn)難度較大的方程式賽車車身骨架設(shè)計，用CAE技術(shù)根據(jù)強度和剛度條件對車身進行拓撲優(yōu)化設(shè)計。相較于傳統(tǒng)課堂學(xué)生更多專注于課程習(xí)題的演練而接觸工程實踐問題，課程改革之后學(xué)生以項目-任務(wù)驅(qū)動，從工程實踐中來，最后回到工程實踐中去，切實體現(xiàn)了課程在工程應(yīng)用中的地位。圖5為筆者所帶學(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，完全自主設(shè)計的方程式賽車車身骨架即基于本門課程作了具體結(jié)構(gòu)強度分析，基于拓撲優(yōu)化結(jié)果進行了二次設(shè)計。

圖5 方程式賽車骨架結(jié)構(gòu)分析

6 總結(jié)與展望

課程教學(xué)范式改革既是教師對課程教學(xué)模式的重新定義更是教師對課程的二次認知，將舊的“三中心”向新“三中心”的徹底轉(zhuǎn)變，將課堂本質(zhì)屬性重新回歸到學(xué)生為中心，讓學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)、學(xué)會思考、善于解決問題，一切為了學(xué)生的發(fā)展?！肮こ塘W(xué)與CAE”課程教學(xué)范式改革實踐從教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)空間、教學(xué)過程與評價等諸多方面進行了改革，使學(xué)生在課程學(xué)習(xí)參與度有明顯提高，解決工程實踐問題手段更豐富，畢業(yè)設(shè)計更具高質(zhì)量，同時將課程所學(xué)知識在第二課堂即創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動中得以體現(xiàn)。本門課程的教學(xué)范式使得教學(xué)的維度更廣，學(xué)生接收的知識面更寬，綜合素質(zhì)訓(xùn)練強度更大，同時對教師從事本門課程的教學(xué)亦提出了更高的要求，雖然本科課程取得了階段性成果，但任何一種課程教學(xué)范式改革都需要不斷摸索前行，因材施教又任重道遠。