基于OBE理念的材料力學課程教學改革實踐

摘 要：為了將OBE教育理念和課堂教學深度融合，為不同工科專業(yè)量身定制細化版材料力學課程目標，以產(chǎn)出為導向，反向設計教學環(huán)節(jié)和考核方式。正向?qū)嵤鶕?jù)不同知識點及其對課程目標達成度支撐情況制定不同教學模式和考核方式。通過過程考核并動態(tài)追蹤整體和個體課程達成度情況實現(xiàn)學期內(nèi)的持續(xù)改進，通過期末成績分析與多維度調(diào)查問卷分析實現(xiàn)學期間的持續(xù)改進。實踐效果表明，通過基于OBE理念的材料力學課程專業(yè)化細分及過程考核追蹤式改革，學生整體成績及課堂滿意度均有提升。

關鍵詞：OBE理念；過程考核；動態(tài)追蹤；材料力學；教學改革

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）21-0108-04

Abstract： Mechanics of Material curriculum goals are customized for different engineering majors in order to deeply integrate the OBE education concept with classroom teaching. Teaching links and assessment methods are reversely designed based on output， and then are forward implementation according to different knowledge points and their support for the achievement of curriculum goals.Continuous improvement during the semester is achieved through process assessment and dynamic tracking of the overall and individual course achievement. Continuous improvement during the school period is achieved through the final grade analysis and multi-dimensional questionnaire analysis. The practical effect shows that students' overall performance and classroom satisfaction have been improved after course teaching reform of course subdivision customization by major based on OBE concept and the dynamic tracking of process assessment.

Keywords： OBE concept; process assessment; dynamic tracking; Mechanics of Material; teaching reform

OBE理念強調(diào)“以產(chǎn)出為導向，以學生為中心，持續(xù)改進”[1]，這一理念在國際工程教育領域內(nèi)已成為被推崇的主流教育模式。OBE教育理念與傳統(tǒng)教育理念最大的不同有：由“知識導向”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爱a(chǎn)出導向”；由“以教師為中心”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W生為中心”。這一教育理念的轉(zhuǎn)變促使教育者以學生預期培養(yǎng)目標反向設計人才培養(yǎng)體系，極大地促進了工程教育與工程實踐的緊密聯(lián)系及其匹配度。隨后OBE教育理念在美國、英國、澳大利亞和德國等國家工程人才培養(yǎng)方面得到廣泛發(fā)展。2001年，美國正式啟動了“2020工程師計劃”，2004歐洲國際工程協(xié)會聯(lián)盟啟動了“歐洲工程項目和工程畢業(yè)生鑒定計劃”?！度A盛頓協(xié)議》是國際工程師互認體系中最具權威性協(xié)議，在認證準則上與OBE理念主張的產(chǎn)出導向一致。我國在2016年正式成為《華盛頓協(xié)議》成員國之一，具有國際實質(zhì)等效的工程教育專業(yè)認證開始全面在國內(nèi)推廣[2]。

國外OBE教育理念研究開始較早，逐漸覆蓋了產(chǎn)生、發(fā)展以及各個方面的具體應用，這些資料可以作為我國工程教育發(fā)展的借鑒。但學情與年代的不同，我國工程教育人才培養(yǎng)不能一味跟著跑，必須借助先進的教育理念，加快人才培養(yǎng)模式、教學模式、考核評定模式等教育教學各環(huán)節(jié)的改革實踐，促使我國工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量邁入新臺階。教育部2016年提出“新工科”概念，為我國工程教育指出了發(fā)展方向。教育部2017年2月在復旦大學召開的高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會，共同探討達成了新工科建設與發(fā)展的“復旦共識”[3]。同年4月在天津大學召開新工科建設研討會，60余所高校共商新工科建設行動路線，即“天大行動”[4]。同年6月在北京召開新工科研究與實踐專家組第一次工作會議，通過高校、企業(yè)和研究機構的專家共同探討，審議通過了《新工科研究與實踐項目指南》，即“北京指南”[5]，這一系列舉措促使我國工程教育改革創(chuàng)新邁入新臺階。在這些高水平大學為打造世界一流工程教育努力的同時，眾多地方高校結(jié)合自身特色，圍繞服務地方經(jīng)濟建設以及促進區(qū)域經(jīng)濟和產(chǎn)業(yè)升級，以需求為指引，產(chǎn)出為導向的理念開展人才培養(yǎng)改革實踐是當前新工科建設的必要組成。

材料力學課程是眾多工科專業(yè)的核心課程之一，也是開展工程教育認證工作的重要課程[6]。但其作為工科專業(yè)基礎課，在當前很多高校中，材料力學課程授課教師為全校范圍內(nèi)統(tǒng)一調(diào)配，分屬單獨的教研室，與專業(yè)老師溝通較少，在各個工科專業(yè)人才培養(yǎng)方案制定過程的參與度較弱。這就導致材料力學課程大綱往往按學時要求分為不同大類，難以體現(xiàn)不同工科專業(yè)的特色需求。授課教師使用同樣的教案和課件為不同專業(yè)的學生講授一樣的材料力學課程，雖然能滿足整體的知識與能力培養(yǎng)需求，但對不同專業(yè)學生培養(yǎng)目標的細化指標貢獻較為模糊，同時不易啟發(fā)學生對自身專業(yè)的興趣，難以提供鋪墊后續(xù)專業(yè)課的情感指標。所以，需要增加材料力學課程教師與不同工科專業(yè)教師的溝通，了解不同工科專業(yè)培養(yǎng)目標中的各個細化指標及其后續(xù)專業(yè)課程，“聚焦需求，反向設計”，基于不同專業(yè)的個性化需求重新制定個性化課程大綱或個性化課程案例，實現(xiàn)將“產(chǎn)出導向，學生中心，持續(xù)改進”理念深度融合在課堂教學過程中。

一 課程教學改革思路

以學生為中心，以產(chǎn)出為導向，反向設計教學環(huán)節(jié)和考核方式，實現(xiàn)學期內(nèi)循環(huán)動態(tài)改進和學期間的持續(xù)改進，如圖1所示。

具體教學設計思路：①深入理解人才培養(yǎng)方案中的培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求，尤其深入理解畢業(yè)要求中的細化指標具體內(nèi)容，結(jié)合專業(yè)課老師建議和材料力學課程自身特征，形成不同專業(yè)的個性化教學大綱；②根據(jù)個性化教學大綱中的具體課程目標重新組織教學內(nèi)容；③根據(jù)不同教學內(nèi)容特點及其對課程目標的支撐情況，建立多元化課程達成度評價指標體系；④根據(jù)不同教學內(nèi)容及其達成度評價標準設計教學過程。

具體實施方案：①將教學內(nèi)容根據(jù)不同專業(yè)的課程目標細化重難點及教學方式，根據(jù)對應專業(yè)各個知識點對課程目標的支撐情況確定相應知識和能力的過程考核方式；②通過過程考核形成全部學生個體的動態(tài)課程目標達成度矩陣，及時掌握學生整體與個別預警同學的動態(tài)達成度情況，實現(xiàn)學期內(nèi)教學循環(huán)、不斷優(yōu)化調(diào)整；③學期末分析專業(yè)學生整體材料力學課程學習過程的參與度、滿意度以及課程目標達成度，形成后續(xù)學期教學活動的持續(xù)改進意見。

二 課程教學改革實踐

基于以上教學改革設計思路，組織材料力學課程組教師與機械類、土木類專業(yè)教師的研討活動，針對不同專業(yè)的具體人才培養(yǎng)方向，形成“專業(yè)定制版課程目標細化指標點”，微調(diào)不同專業(yè)材料力學課程教學重難點和考核要求，深入融合“以產(chǎn)出為導向”的教育理念，具體措施如下。

（一） 不同專業(yè)教學內(nèi)容側(cè)重點的區(qū)分

材料力學課程是青島理工大學機械類、土木類等工科專業(yè)共同的學科基礎課，但不同專業(yè)的畢業(yè)要求不同導致課程培養(yǎng)目標具有一定差異，所以材料力學課程組根據(jù)不同專業(yè)培養(yǎng)方案對材料力學課程目標進行細化，并針對不同專業(yè)畢業(yè)要求微調(diào)知識點與課程目標的支撐關系。比如：土木工程專業(yè)對彎曲變形相關的強度計算要求更高（尤其是脆性材料），教學重點尤其突出了脆性材料的彎曲強度，把彎曲切應力的校核也列入了教學重點；材料科學與工程專業(yè)對材料強度理論分析要求更高，突出了強度理論內(nèi)容的重要性，并針對此內(nèi)容適當擴展不同強度理論在各個領域的應用案例；機械設計制造及其自動化專業(yè)對構件動荷載及疲勞破壞分析比其他專業(yè)要求更高，所以將動荷載、交變應力與疲勞破壞放入了教學重點中；材料成型及控制工程專業(yè)則必須了解溫度等環(huán)境因素變化對材料力學性能的影響?；谝陨喜煌瑢I(yè)要求的不同，在不同專業(yè)教學大綱及教學實施過程都有明確區(qū)分。

（二） 不同知識點的教學模式制定

對于邏輯推導性知識點，推導過程較為抽象不易引人入勝，而推導過程的理解對學生思維能力提升非常重要。比如純彎曲梁橫截面正應力公式，需要學生理解“開展實驗—觀察變形，提出假設—分析變形分布規(guī)律—得出應力分布規(guī)律—建立公式”這一種常用的研究思路，而常規(guī)的單純講解需要學生想象實驗過程，學生不易理解變形分布規(guī)律以及平面假設的提出。我們借助了武漢先導科技的彎曲演示教具，實現(xiàn)了帶學生一起隨堂實驗（圖2（a）），一起探索變形分布規(guī)律，讓學生由實驗規(guī)律的接受者轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶒炓?guī)律的探索者，真正實現(xiàn)了由“以教師為中心”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W生為中心”。

對于應用型知識點，通過工程和日?，F(xiàn)象為引導啟發(fā)學生思考其中蘊含的材料力學知識，不僅加深了學生對該知識的理解，更重要的是提升了學生的學習獲得感和積極性，培養(yǎng)了學生理論聯(lián)系實際的能力。比如：由地磚鼓包啟發(fā)學生思考其中原因（圖2（b）），并由此引出超靜定結(jié)構中的溫度應力問題，進一步將問題如何解決的主動權交給學生，充分發(fā)揮學生的主觀能動性，借此培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維。

對于一些實際問題中包含多個材料力學知識，或需要具體分析的問題，設計一些開放式作業(yè)，讓學生發(fā)揮自己的理解，從不同角度給出答案，借此開拓學生思維，并能提升課程的趣味性。比如：分析討論騎車時鏈條脫落是強度問題還是剛度問題（圖2（c）），通過開放式作業(yè)，同學們提出鏈條脫落后如果出現(xiàn)了斷裂或者某個齒輪發(fā)生明顯不可恢復的變形應是強度問題，若脫落后重新檢查鏈條沒有發(fā)現(xiàn)任何細小裂紋和不可恢復的變形，那么鏈條應該是在某一瞬間用力大時彈性變形過大導致脫扣，歸為剛度問題。

此外，課程組圍繞材料力學不同知識點的高階應用，為學有余力的學生提供了項目開發(fā)方向，學生可組隊在教師的指導下利用材料力學所學以及自身的綜合能力完成一個項目開放應用，可在加深材料力學課程學習的同時提升個人項目設計、程序開發(fā)、解決實際工程問題的綜合能力。比如：基于應力狀態(tài)分析公式，使用Matlab App Designer開發(fā)材料力學應力狀態(tài)求解器（圖2（d））。

三 多元化過程考核方式實施與動態(tài)追蹤

基于OBE理念改革考核評定方式，突出能力培養(yǎng)，以學生為中心加強多元化過程性考核管理，以便實時了解學生課程目標達成度情況，對于達成度較低的學生及時給予個性化干預。①需要重點理解的概念采用隨堂測試方式考核，并隨堂分析學生作答情況；②固定答案的基本概念與基礎知識內(nèi)容通過雨課堂推送客觀題測試方式考核；③需要體現(xiàn)過程分析能力和計算能力的通過計算題作業(yè)考核；④高階性能力的體現(xiàn)以小組作業(yè)和開放作業(yè)考核評定，組內(nèi)投票出組員各自的貢獻度，作為額外選做的加分項目。

通過過程考核實時追蹤班級整體課程目標達成度動態(tài)變化曲線（圖3），發(fā)現(xiàn)：隨著課程內(nèi)容的深入，難度提升，課程目標達成度呈波折下降趨勢。為此，課程團隊通過綜合分析學生課堂表現(xiàn)、問卷調(diào)查學生學習狀態(tài)以及測試和作業(yè)的具體完成細節(jié)，通過推送擴展資料提高學生課程興趣、推送重難點補充講解視頻提高學生對重難點的理解等措施，促使課程目標達成度實現(xiàn)了回溫。

通過加強過程管理，對比同一教師、同一專業(yè)2021與2022學生表現(xiàn)及最終成績（圖4），整體考核結(jié)果與課堂表現(xiàn)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%；優(yōu)良率由22.86%提升到40%，整體到課率由96%提升到99%。

每次授課結(jié)束后，向?qū)W生發(fā)布匿名調(diào)查問卷，調(diào)查學生對材料力學課程整體滿意度，對自身課堂表現(xiàn)滿意度，整體滿意度（滿分5），由4.81提升到4.90；對自身課堂表現(xiàn)滿意度（滿分5），由4.55提升到4.79。同時調(diào)查學習過程中最滿意的一次課和最不滿意的一次課，根據(jù)學生反饋信息形成改進方案，實現(xiàn)“以學生為中心”的“持續(xù)改進”。

四 結(jié)束語

基于OBE“產(chǎn)出導向，學生中心，持續(xù)改進”的教育理念，青島理工大學材料力學課程組結(jié)合不同專業(yè)的具體人才培養(yǎng)方向和材料力學內(nèi)在邏輯關系，形成不同專業(yè)定制版課程目標細化指標點。在細化課程目標基礎上，根據(jù)不同知識點及其對課程目標的支撐選擇不同的教學模式與考核模式。實時記錄班級整體和個體動態(tài)課程目標達成度，根據(jù)課程目標達成度動態(tài)變化形勢持續(xù)改進后續(xù)教學方式，形成教學周期的內(nèi)循環(huán)。學期末通過學生綜合考核結(jié)果和多維度匿名調(diào)查問卷，形成整學期的教學分析與反思，為后續(xù)學期教學的持續(xù)改進提供方向。

參考文獻：

[1] 孫愛晶，陳怡君，石曉娟.基于OBE的本科人才培養(yǎng)目標評價體系探究[J].高教學刊，2017（9）：33-34.

[2] 李志義，趙衛(wèi)兵.我國工程教育認證的最新進展[J].高等工程教育研究，2021（5）：39-43.

[3] “新工科”建設復旦共識[J].高等工程教育研究，2017（1）：10-11.

[4] “新工科”建設行動路線“天大行動”[J].高等工程教育研究，2017（2）：24-25.

[5] 新工科建設指南“北京指南”[J].高等工程教育研究，2017（4）：20-21.

[6] 劉德軍，左建平，周宏偉，等.OBE理念下的材料力學教學方法改革與實踐[J].力學與實踐，2021，43（1）：112-119.