面向車輛工程的基于OBE-CDIO融合理念的理論力學(xué)教學(xué)改革探索

摘 要：本文針對理論力學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀及新工科背景下國家對車輛工程技術(shù)人才的高需求，提出基于OBE-CDIO融合理念下的面向車輛工程專業(yè)的理論力學(xué)教學(xué)改革方案，分別從教學(xué)目標(biāo)明確、教學(xué)內(nèi)容改進、教學(xué)方法優(yōu)化及多維評價方式完善等多角度進行闡述。本文希望通過案例教學(xué)、項目引導(dǎo)和線上線下混合等教學(xué)策略，經(jīng)由過程性及期末考核、教師反饋評價、學(xué)生相互評價和用人單位評價等多元考核評價方式，培養(yǎng)出符合新工科發(fā)展需求的理論力學(xué)領(lǐng)域相關(guān)工程技術(shù)人才。

關(guān)鍵詞：理論力學(xué) 車輛工程 OBE理念 CDIO模式 教學(xué)改革

1 緒論

在21世紀(jì)的科技浪潮中，汽車工業(yè)作為制造業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，正經(jīng)歷著前所未有的變革。電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展趨勢，不僅改變了汽車的設(shè)計與生產(chǎn)方式，也對車輛工程專業(yè)人才的培養(yǎng)提出了新的挑戰(zhàn)[1-2]。作為車輛工程專業(yè)教育的基石，理論力學(xué)課程承擔(dān)著培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維、問題分析能力和工程實踐能力的重任。然而，傳統(tǒng)的教學(xué)模式過于注重理論知識的傳授，忽視了對學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐能力的培養(yǎng)，難以滿足行業(yè)對高素質(zhì)車輛工程人才的需求。

OBE理念，即需求導(dǎo)向教育，是以學(xué)生學(xué)習(xí)成果為中心，強調(diào)逆向設(shè)計和持續(xù)評價的教育模式[3]。OBE注重知識、技能、價值觀等預(yù)期學(xué)習(xí)成果的獲得，要求教育者明確學(xué)生應(yīng)達到的學(xué)習(xí)產(chǎn)出，并以此為基礎(chǔ)對教學(xué)進行“反向設(shè)計”及“持續(xù)評價”，從而使學(xué)生成為主動的學(xué)習(xí)者，教師轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)的引導(dǎo)者，真正實現(xiàn)教育模式由傳統(tǒng)的“教學(xué)為中心”向“學(xué)生為中心”轉(zhuǎn)變。目前，OBE理念已被用于各種學(xué)科教學(xué)中，如數(shù)字信號處理課程[4]，飛行器工程專業(yè)[5]等中，我們廣東工業(yè)大學(xué)車輛工程專業(yè)一直積極將OBE付諸工程教育實踐，面向車輛工程專業(yè)學(xué)生的理論力學(xué)教學(xué)也需緊跟步伐，探索OBE在理論力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。

CDIO工程教育模式，即構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作理念，最初由麻省理工學(xué)院、瑞典皇家工學(xué)院等四所國際著名工科院校共同創(chuàng)立，是近年來國際工程教育改革的最新成果。它注重實踐與創(chuàng)新的結(jié)合，鼓勵學(xué)生將所學(xué)知識應(yīng)用于實際問題中，讓學(xué)生獲得工程技術(shù)知識及工程實踐能力，已被應(yīng)用于電力電子技術(shù)[6]、物聯(lián)網(wǎng)工程[7]等課程考核中，該模式也符合車輛工程新工科人才成長的規(guī)律和特點[8]。

在此背景下，本文擬引入并融合OBE和CDIO理念的優(yōu)勢，結(jié)合理論力學(xué)的課程特點，構(gòu)建以學(xué)生為中心的基于OBE-CDIO理念的車輛工程專業(yè)理論力學(xué)教學(xué)改革框架。在教學(xué)實施過程中，通過項目為學(xué)生提供車輛力學(xué)問題相關(guān)聯(lián)的教學(xué)情境，高質(zhì)量培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)實踐能力和綜合素質(zhì)[9]。

2 傳統(tǒng)理論力學(xué)課程教學(xué)存在的問題

2.1 課程內(nèi)容與實際應(yīng)用脫節(jié)

本校車輛工程專業(yè)選用的是哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室編撰的理論力學(xué)課本，內(nèi)容專業(yè)性強，公式推導(dǎo)較多，傳統(tǒng)教學(xué)偏重于理論知識的傳授，課程內(nèi)容抽象，邏輯性強，但缺乏與車輛工程實際應(yīng)用的緊密聯(lián)系。學(xué)生難以將所學(xué)知識應(yīng)用于解決實際問題，影響了學(xué)習(xí)興趣和效果。盡管現(xiàn)有教材會包含一些理論力學(xué)應(yīng)用案例，但這些案例往往偏向于工程建筑結(jié)構(gòu)，航空航天領(lǐng)域等，與車輛工程的具體應(yīng)用關(guān)聯(lián)不大，無法有效幫助學(xué)生建立課程內(nèi)容與車輛工程之間的聯(lián)系。

2.2 教學(xué)方法枯燥，考核方式單調(diào)

理論力學(xué)傳統(tǒng)的教學(xué)模式以講授式為主，缺乏互動和參與感，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。同時，部分教師仍使用老舊的教學(xué)方法和手段，缺乏多媒體、虛擬現(xiàn)實等現(xiàn)代教學(xué)手段的應(yīng)用，無法讓學(xué)生直觀地感受和理解理論力學(xué)知識。此外，理論力學(xué)課程方式一般由平時成績和期末成績兩部分組成，平時成績包含了出勤簽到，課堂表現(xiàn)和課后作業(yè)，其中課堂表現(xiàn)往往難以對每個同學(xué)進行客觀評價，課后作業(yè)也僅僅是對題目正確與否進行評判，很難科學(xué)有效地評判學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，其專業(yè)素養(yǎng)，技能的獲得更是難以評價。期末成績以閉卷考試形式獲得，學(xué)生常通過考試前突擊做題來獲得高分，靠死記硬背對各公式進行短期記憶，并不能消化理解變成自己的知識，因此期末考試的評價方式也無法科學(xué)評價學(xué)生專業(yè)知識獲取的效果。因此，教學(xué)方法的枯燥，考核方式的單調(diào)，導(dǎo)致學(xué)生缺乏理論聯(lián)系實際、分析問題和解決問題的能力以及創(chuàng)新能力。這不利于應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

2.3 學(xué)生學(xué)習(xí)難度大，教學(xué)效果欠佳

理論力學(xué)涉及大量的數(shù)學(xué)公式和推導(dǎo)，部分學(xué)生由于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱，無法迅速準(zhǔn)確地理解相關(guān)知識，對公式的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程理解不到位。同時，隨著理論教學(xué)的深入，從靜力學(xué)過渡到運動學(xué)，動力學(xué)，課程內(nèi)容的難度明顯增加，需要理解記憶的公式越來越多，一部分學(xué)生落下一步后就難以跟上進度，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣逐漸下降，甚至出現(xiàn)上課睡覺等課堂紀(jì)律問題以及課后抄襲作業(yè)等缺乏獨立思考的現(xiàn)象。由于上述問題的存在，學(xué)生的考試成績分布往往不理想，卷面不及格率較高，優(yōu)秀率較低。這不僅影響了學(xué)生的學(xué)業(yè)成績，也給學(xué)生畢業(yè)和就業(yè)帶來諸多負(fù)面影響。

3 OBE-CDIO理念在車輛工程理論力學(xué)教學(xué)改革中的應(yīng)用方案

首先基于OBE需求導(dǎo)向教育的理念，明確理論力學(xué)車輛工程學(xué)生需達到的三個學(xué)習(xí)成果目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，采用CDIO工程實踐全過程的教學(xué)理念，在構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作四個層面優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改進教學(xué)方法、完善考核方式，同時設(shè)置多維多層次的評價體系，開展教師自我評價，學(xué)生反饋評價，用人單位評價等，形成基于OBE-CDIO理念的理論力學(xué)課程教學(xué)改革方案，如圖1所示。

3.1 明確教學(xué)目標(biāo)，預(yù)期學(xué)習(xí)成果

OBE理念的核心在于以學(xué)生的學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，即首先明確學(xué)生完成學(xué)業(yè)后應(yīng)該達到的知識、技能和素質(zhì)要求，然后圍繞這些要求設(shè)計課程體系和教學(xué)活動。在車輛工程理論力學(xué)教學(xué)改革中，我們根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合理論力學(xué)的課程特色，同時基于行業(yè)需求和學(xué)生特點，明確了教學(xué)目標(biāo)為知識能力目標(biāo)，應(yīng)用技能目標(biāo)和道德素養(yǎng)目標(biāo)。知識能力目標(biāo)需要掌握靜力學(xué)基礎(chǔ)，分析物體的受力平衡條件，掌握動力學(xué)分析，科學(xué)表述物體運動幾何性質(zhì)，以及掌握運動學(xué)原理，研究物體機械運動與力的關(guān)系。應(yīng)用技能目標(biāo)是能將所學(xué)知識應(yīng)用于車輛中，如運用靜力學(xué)校核車輛各部件強度等靜態(tài)性能，應(yīng)用運動學(xué)描述車輛在直行或轉(zhuǎn)彎時的速度、加速度、運動軌跡等運動幾何性質(zhì)，以及運用動力學(xué)進行車輛懸架、剎車系統(tǒng)等的優(yōu)化設(shè)計與性能評估。道德素養(yǎng)目標(biāo)包括擁有強烈的愛國護黨觀念、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ趟季S、團隊協(xié)作精神以及創(chuàng)新意識，具備車輛人的職業(yè)道德素養(yǎng)和守護民眾安全的社會責(zé)任感。以上課程目標(biāo)對畢業(yè)要求中的工程知識、設(shè)計/開發(fā)解決方案、研究、使用現(xiàn)代工具、職業(yè)規(guī)范有較強的支撐關(guān)系。

3.2 基于學(xué)習(xí)成果，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容往往以教材為中心，按照章節(jié)順序進行講授。然而在OBE理念下，我們需要從學(xué)生的學(xué)習(xí)成果出發(fā)，反向設(shè)計教學(xué)內(nèi)容。我們選用哈爾濱工業(yè)大學(xué)編撰的《理論力學(xué)》作為課程主教材，結(jié)合高等教育出版社出版的《理論力學(xué)》，構(gòu)建三大教學(xué)內(nèi)容形成基礎(chǔ)模塊，分別是“靜力學(xué)基礎(chǔ)”、“運動學(xué)分析”和“動力學(xué)原理與應(yīng)用”教學(xué)模塊。靜力學(xué)基礎(chǔ)，包括靜力學(xué)公理，物體受力分析，平面任意力學(xué)的平衡問題以及物體系的平衡靜定與超靜定問題；運動學(xué)分析包含點運動的表述方法，剛體簡單運動的描述，點的合成運動和剛體的平面運動；動力學(xué)原理與應(yīng)用包括質(zhì)點的運動微分方程，動量定理，動量矩定理以及動能定理等。此外，針對傳統(tǒng)教學(xué)課程內(nèi)容與實際應(yīng)用脫軌的缺點，我們還將在教學(xué)內(nèi)容中加入拓展模塊，引入與車輛工程相關(guān)的國際前沿技術(shù)和跨學(xué)科知識，介紹與理論力學(xué)相關(guān)的內(nèi)容。例如，介紹車輛動力學(xué)仿真技術(shù)、新能源汽車技術(shù)等，讓學(xué)生了解車輛工程領(lǐng)域的最新發(fā)展動態(tài)和未來趨勢，清晰掌握理論力學(xué)對解決車輛領(lǐng)域工程問題的幫助，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力與熱情，進一步提升其解決實際問題的能力。

3.3 結(jié)合項目實踐，創(chuàng)新教學(xué)方法

教學(xué)方法是實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的重要手段，在明確了教學(xué)目標(biāo)，優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容后，在CDIO理念強調(diào)實踐、項目導(dǎo)向和團隊協(xié)作的工程教育模式下，我們需要打破傳統(tǒng)教學(xué)方法束縛，采用靈活多樣的教學(xué)手段和方式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性，培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作能力和實際應(yīng)用技能。運用案例教學(xué)法，引入汽車工程中的實際案例，讓學(xué)生在分析問題、解決問題的過程中掌握理論力學(xué)相關(guān)原理和應(yīng)用方法。比如，在靜力學(xué)部分，可以讓學(xué)生利用所學(xué)知識校核車輛在靜態(tài)承重情況下的受力情況。這種方法能夠使學(xué)生更好地將理論知識與實際工程相結(jié)合，提升解決實際工程問題的能力。在此基礎(chǔ)上，采用項目引導(dǎo)，讓學(xué)生分組合作，比如在運動學(xué)和動力學(xué)部分，讓學(xué)生利用所學(xué)知識以及自行查找相關(guān)資料設(shè)計并優(yōu)化車輛懸架系統(tǒng)，確定懸架最優(yōu)剛度及阻尼參數(shù)。通過項目學(xué)生不僅能夠深入理解力學(xué)原理，還能鍛煉團隊協(xié)作、創(chuàng)新思維和問題解決能力。在分組完成項目后，可結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，讓學(xué)生利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段，匯報項目完成情況，并在課堂上答疑、討論。這種方法能夠增加學(xué)生的自主學(xué)習(xí)時間和深度，提高課堂效率和互動性，鍛煉學(xué)生的匯報技能及溝通能力。翻轉(zhuǎn)課堂會占用傳統(tǒng)知識教學(xué)時間，為解決此問題，我們也將采用線上線下結(jié)合的教學(xué)方式，通過教師錄制專業(yè)知識教學(xué)視頻，學(xué)生課下學(xué)習(xí)，課間通過雨課堂進行課堂測驗檢查學(xué)生學(xué)習(xí)成果，便于及時調(diào)整教學(xué)進度。

3.4 完善多維考核，評價學(xué)習(xí)成果

課程考核是評價學(xué)生學(xué)習(xí)成果的重要方式，目前的考核方式主要是分為平時成績和期末考試成績來評價學(xué)生對課程理論知識的掌握程度，其中平時成績占30%，主要考察了學(xué)生到課率以及課后作業(yè)的完成度，期末考試成績占比高達70%，通過學(xué)生答題正確率來衡量其對理論知識的掌握。傳統(tǒng)考核方式主要關(guān)注了學(xué)生知識能力目標(biāo)，缺乏對學(xué)生的應(yīng)用技能目標(biāo)和道德素養(yǎng)目標(biāo)的評價。為了科學(xué)合理地評價學(xué)生綜合素質(zhì)能力的獲得，基于OBE-CDIO融合理念，我們建立了多方面多角度的評價方式。首先采用過程性考核和期末考核相結(jié)合的方式，評價學(xué)生對理論知識的掌握程度。過程性考核內(nèi)容包括雨課堂測試得分、線上視頻學(xué)習(xí)時長、項目分組匯報表現(xiàn)、課后作業(yè)正確率等，占總成績的40%。其中，項目分組匯報表現(xiàn)占比20%，將會邀請我校車輛工程系長期合作企業(yè)參與匯報過程并給予評價（10%）以及學(xué)生相互評價（5%）和教師反饋評價（5%）。過程性考核將貫穿整個教學(xué)過程，階段性了解學(xué)生相關(guān)能力的獲得與缺失，以便及時對現(xiàn)有教學(xué)進度和方式進行適當(dāng)調(diào)整。期末考試占總成績60%，多為綜合性題目，考查學(xué)生對理論力學(xué)知識的綜合應(yīng)用能力。課程結(jié)束后，課程小組基于過程性考核和期末考核結(jié)果得到課程目標(biāo)是否達成的評價結(jié)果。根據(jù)考核評價結(jié)果，我們將了解課程教學(xué)改革成效及后續(xù)持續(xù)改進的方向，不斷升級課程教學(xué)改革方案。

4 結(jié)語

為培養(yǎng)出新工科背景下的面向車輛工程領(lǐng)域的理論力學(xué)應(yīng)用型人才，基于OBE-CDIO融合理念，我們明確課程目標(biāo)，設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新案例教學(xué)、項目引導(dǎo)、課堂翻轉(zhuǎn)及線上線下相結(jié)合的教學(xué)方法，完善多維考核評價方式，建立過程性及期末考核標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合教師反饋評價、學(xué)生相互評價及用人單位評價來評估學(xué)習(xí)成果，不斷強化理論力學(xué)課程教學(xué)效果，最終實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的達成。

基金項目：國家自然科學(xué)基金青年基金，基于結(jié)構(gòu)阻抗的流體式慣容系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計與非線性參數(shù)協(xié)同優(yōu)化（52008259）；廣東省研究生教育創(chuàng)新計劃項目（粵教研函〔2023〕3號）。

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