張國尚 馮日寶 李亞娟

中國民航大學理學院 天津 300300

0 引言

計算機在材料科學中的應(yīng)用是將計算機技術(shù)應(yīng)用到材料科學，講述材料科學中從微觀到宏觀層次的理論分析、建模和求解，以及材料成形、檢測等過程計算機控制的課程，它是材料類各專業(yè)的必修課。美國國家研究院材料科學與工程委員會在20世紀90年代前就指出材料科學與工程領(lǐng)域存在分析建模和儀器設(shè)備兩個關(guān)鍵問題[1]。在新工科建設(shè)的背景下，中國民航大學從教學內(nèi)容更新優(yōu)化、融通線上線下兩個空間并密切聯(lián)系工程實踐、考核方式過程結(jié)果相結(jié)合等方面，對計算機在材料科學中的應(yīng)用課程進行改革，通過利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建以學生為中心的面向工程實踐的教育生態(tài)，取得了一定的教學效果[2]。然而，盡管利用開發(fā)的虛擬仿真教學平臺實現(xiàn)了虛擬仿真與一些實驗測試的結(jié)合，但絕大部分教學案例仍無相關(guān)條件通過真實實驗來驗證模擬結(jié)果是否正確，計算機控制部分也無相關(guān)實驗，更不必說學生親自設(shè)計并搭建裝置驗證模擬結(jié)果。實際工作中，常需要通過團隊合作解決復(fù)雜工程問題，而以往教學中常忽視此方面能力的培養(yǎng)和考核。以教師為中心的傳統(tǒng)教學模式也面臨學生學習目標不明確、學習注意力不集中等問題。國內(nèi)一些開設(shè)該課程的高校從教學內(nèi)容、教學方法及考核方式等方面進行了改革并且取得了一定成效，但仍存在模擬結(jié)果缺少實驗驗證和計算機控制部分無相關(guān)實踐的問題，導致學生利用或研發(fā)相關(guān)實驗裝置解決材料相關(guān)問題的能力無法得到充分鍛煉[3-7]。

OBE（Outcome-Based Education）理念是以成果為導向的教育，重點突出“學生中心、成果導向、持續(xù)改進”工程教育理念。該理念以學生學習成果為導向，逆向確定教學環(huán)節(jié)，使教學更具有針對性，在一些內(nèi)容繁雜的虛實結(jié)合課程或?qū)嵱柦虒W中提高了學生的工程實踐能力[8-9]。根據(jù)中國民航大學主要面向未來民航發(fā)展需求人才培養(yǎng)的實際，結(jié)合課程特點，以培養(yǎng)掌握計算機技術(shù)在材料科學中應(yīng)用的具有社會主義核心價值觀的民航特色人才為主線，以培養(yǎng)學生的理論水平和工程能力為重點，引入OBE理念，對課程的教學內(nèi)容、教學方法及考核方式的改革，探索新的育人模式，從而提高教學效果具有重要意義。

1 OBE理念下育人模式思路

確定教學目標是基于OBE理念教學的第一步，關(guān)系到后續(xù)教學內(nèi)容選擇、教學過程設(shè)計和教學評價，是確保學生在教學活動結(jié)束后取得預(yù)期效果的前提。教學目標的制定以專業(yè)培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求為導向，專業(yè)培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求則以市場需求為導向。學校的材料類專業(yè)面向未來民航技術(shù)發(fā)展，培養(yǎng)具有扎實的數(shù)理和材料科學基礎(chǔ)知識，良好的個人素質(zhì)、工作作風、質(zhì)量意識和團隊精神，能夠解決材料領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的創(chuàng)新型、復(fù)合型高級工程技術(shù)和管理人才?；贠BE理念的教學設(shè)計還應(yīng)考慮幾個原則：1）以學生學到什么為前提和依據(jù)；2）以解決“復(fù)雜工程問題”為背景，從“學知識”到“應(yīng)用知識解決問題”能力轉(zhuǎn)變；3）以提升學生能力，特別是思維能力、自主學習能力解決復(fù)雜工程問題為目標。因此，該課程的教學目標主要有五點：1）掌握工程問題的抽象思維方法及建模方法，能借助有限元、有限差分等軟件求解材料成形及服役環(huán)境下的溫度場、應(yīng)力場、濃度場；2）掌握計算機在材料成形、加工及檢測等領(lǐng)域涉及的基本知識，了解人工智能、大數(shù)據(jù)等在材料科學中的應(yīng)用，能設(shè)計裝置和實驗對模擬結(jié)果進行驗證及分析；3）掌握計算機文獻檢索方法，具有通過計算機網(wǎng)絡(luò)不斷獲取新知識的能力；4）能夠借助計算機在多學科背景下的團隊中以團隊成員及負責人角色解決材料領(lǐng)域復(fù)雜工程問題并進行有效交流，包括掌握工程項目CDIO 方法[10-12]；5）以“當代民航精神”為主線，通過“節(jié)、段、點”將家國情懷、探索精神、民航文化有機融入教學與實踐全過程。

教學目標需落實到具體的教學內(nèi)容中，在不增加學時的前提下，實現(xiàn)以上教學目標，可將教學內(nèi)容進行分類整合，融入課程思政內(nèi)容，通過完成虛實結(jié)合的驗證性、創(chuàng)新性實驗及團隊合作完成的具有復(fù)雜工程背景的大作業(yè)等，培養(yǎng)創(chuàng)新能力和團隊合作能力，同時針對不同教學內(nèi)容，采用適宜的教學模式及評價體系，從而根據(jù)反饋結(jié)果實現(xiàn)教學過程持續(xù)改進，以滿足教學目標要求?；贠BE理念的育人模式流程如圖1所示。

教學內(nèi)容的設(shè)計除以教學目標為導向外，還需考慮學生知識背景、實際應(yīng)用場景、學?？梢蕴峁┑膶嶒灄l件等，從而梳理課程教學知識點，開發(fā)出多個具有一定工程背景的教學案例及相應(yīng)的實踐教學平臺，確定的課程教學內(nèi)容、教學形式及考核指標如表1所示。

2 OBE理念下育人模式實施

2.1 課程思政與思想政治課協(xié)同

教學資源的構(gòu)建以支撐教學內(nèi)容的達成為導向，在制定教學大綱、編寫講義等過程中要將立德樹人放在首要位置，深入挖掘與課程內(nèi)容相關(guān)的思政元素，引出相應(yīng)的育人目標，作為思想政治課程的有效補充。課程以習近平新時代中國特色社會主義思想為指導，堅持立德樹人、全方位育人，將對學生的理想信念教育、愛國主義教育緊密結(jié)合起來，弘揚以“兩彈一星”“兩航起義”“英雄機組”“國產(chǎn)大飛機”等為標志的特色文化，在教學內(nèi)容中有機融入當代民航精神，使學生接受科學精神教育、工程倫理教育、實踐能力教育、愛國敬業(yè)教育和民航文化熏陶，形成具有顯著民航特征的思政育人教學體系。

為了使專業(yè)課思政教育與思想政治課界面相容、協(xié)同增效，思政元素的融入主要以典型案例為載體。案例的選取要豐富多樣且反映時代前沿，分析過程要嚴謹有趣，結(jié)果要能解決問題。目前課程教學團隊已設(shè)計出20 余個課程思政典型案例，可以解決課程思政與思想政治課“兩張皮”問題。

案例教學中貫徹以學生為中心的宗旨，教師首先要為人師表和知識過硬，其次要有教學熱情，并能針對不同內(nèi)容采用適當教學方法，師生共同分析解決問題。在科學精神教育方面，針對案例進行批判性講授，讓學生獨立評判、比較和分析，培養(yǎng)學生不迷信權(quán)威、追求真理、實事求是的科學精神；在工程倫理教育方面，選用學生熟悉的人和事進行深入闡釋，特別注意引入民航相關(guān)案例，培養(yǎng)學生依規(guī)做事、踐行工匠精神、具有民航責任擔當；在實踐能力教育方面，通過分組形式進行的虛實結(jié)合的結(jié)課大作業(yè)，結(jié)合第一課堂的答辯、第二課堂的競賽及第四課堂的線上講座，培養(yǎng)學生文獻調(diào)研、創(chuàng)新設(shè)計、動手、報告撰寫、演講表達、團隊協(xié)作等能力，力求使其能夠?qū)W以致用，具有創(chuàng)新精神；在愛國敬業(yè)教育方面，通過“兩航起義”“英雄機長”等先進事跡，培養(yǎng)學生對中國共產(chǎn)黨的忠誠和對生命的敬畏。

2.2 線上與線下協(xié)同

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，線上線下混合式教學正成為未來教學的重要形式。特別是在縮減學時和計算機軟件操作需要反復(fù)練習的背景下，本門課程采用線上線下協(xié)同教學非常必要。線上線下線協(xié)同指的是把軟件操作過程放在線上，學生通過學習通可以反復(fù)觀看視頻并練習，不懂的問題可以通過學習通及微信向教師提問，教師則可以對學生進行個性化的指導。線上和線下內(nèi)容要精心設(shè)計，做到有效銜接，這樣可以打破時空限制，對學生進行全過程個性化教學，從而提高教學的針對性。

2.3 虛擬仿真與實驗驗證協(xié)同

考慮到課外創(chuàng)新實驗及結(jié)課大作業(yè)中搭建實驗裝置的需求，教學團隊研制了同時對試件施加力、電流及溫度載荷，測量各點的應(yīng)變及整體變形，采集電阻、熱流密度等信息的力-熱-電材料教學平臺，如圖2所示。該平臺涵蓋了課程中的數(shù)據(jù)采集、運動控制（步進電機、伺服電機）、溫度控制、單片機、圖像處理、虛擬儀器、機械設(shè)計及力學分析等知識，涉及力學、熱學、熱-力耦合、電-熱-力耦合、材料冶金、塑性成形、損傷檢測及健康狀態(tài)監(jiān)測等材料領(lǐng)域重要方向，可用于課程中的大部分實踐內(nèi)容的教學，也可對裝置進行功能擴展，以驗證復(fù)雜工程問題的模擬結(jié)果。理論教學中，依據(jù)所講授內(nèi)容采用不同的教學方法，如在介紹力-熱-電材料教學平臺時，采用項目教學法，使學生掌握基于CDIO 理念的構(gòu)思-設(shè)計-實現(xiàn)-運作的整個流程以及任務(wù)分解、費用控制、進度控制等項目管理知識，鼓勵學生基于該裝置，針對感興趣的問題開發(fā)虛實結(jié)合的教學案例。在講授有限單元法時，以許多工程問題難以建立符合實際情況的方程或無法獲得解析解這一問題引出有限元的思想，介紹我國科學家馮康于20世紀在國外封鎖條件下，獨立提出有限元法并將其應(yīng)用于當時我國最大的劉家峽水壩，從而及時解決了應(yīng)力分析難題的重要貢獻，進而結(jié)合“兩彈一星”、國產(chǎn)大飛機及芯片“卡脖子”問題談民族自信，將思想政治教育融入課程教學中[13]。大數(shù)據(jù)與人工智能部分采用翻轉(zhuǎn)課堂教學形式，鍛煉學生的自學能力和表達能力，教師則引導學生進行探究式研究，探索如何將新技術(shù)應(yīng)用到材料科學領(lǐng)域。

實踐教學分為三種形式，每種形式采用不同的教學模式。1）利用力-熱-電材料教學平臺及實驗室現(xiàn)有裝置。除了表1 所列的課內(nèi)必修驗證性基礎(chǔ)實驗外，還有課外選做的綜合性實驗和創(chuàng)新性實驗。在基礎(chǔ)實驗中，教師主要引導學生理解相關(guān)理論及建立裝置的方法，正確使用裝置和處理分析實驗數(shù)據(jù)，鼓勵學生選修針對該問題的更復(fù)雜的綜合性實驗及對實驗進行改進的創(chuàng)新性實驗。2）利用虛擬仿真實驗平臺。學生就業(yè)的一個重要方向是飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)檢測與維修，為此教學團隊開發(fā)了復(fù)合材料維修虛擬仿真實驗，不僅可以在計算機上重現(xiàn)結(jié)構(gòu)檢測與維修的整個流程，還可以獲取預(yù)設(shè)的真實實驗數(shù)據(jù)，從而將模擬值與實現(xiàn)值進行對比，解決了現(xiàn)場實驗成本過高而虛實結(jié)合無法進行的難題。3）利用現(xiàn)有裝置改進后的裝置。課程結(jié)束時，每4 ～5 人為一組，需要完成一個具有復(fù)雜工程背景的虛實結(jié)合項目，即結(jié)課大作業(yè)。學生自由組隊、自擬題目，利用現(xiàn)有裝置的改進開展創(chuàng)新性研究。整個實踐過程要求學生忠于事實，嚴禁抄襲和數(shù)據(jù)造假，鼓勵學生與他人合作解決問題，培養(yǎng)其腳踏實地的實干精神和團隊合作精神。

2.4 大作業(yè)與競賽及畢業(yè)設(shè)計協(xié)同

課程的虛擬仿真及實驗驗證方法有助于學生參加“大學生數(shù)學建模競賽”“大學生物理實驗創(chuàng)新賽”“挑戰(zhàn)杯”“互聯(lián)網(wǎng)+”等各類比賽，教學團隊鼓勵學生將感興趣的競賽內(nèi)容作為大作業(yè)，并在后續(xù)畢業(yè)設(shè)計中繼續(xù)完善，從而對問題進行深入研究。課程中關(guān)于熱變形的大作業(yè)曾獲得2021年全國大學生物理實驗創(chuàng)新二等獎。

2.5 終結(jié)性考核與形成性考核協(xié)同

由于教學內(nèi)容相對分散，集中閉卷考試又很難覆蓋到各知識點，因此學校變終結(jié)性考核為終結(jié)性考核與形成性考核相結(jié)合，考核要求細化到每個知識點并具有可操作性，使學生有目的地學習，也便于教師對學生的學習效果進行準確評估。

學生總成績由平時成績和結(jié)課大作業(yè)兩部分組成，其中平時成績包括小測驗（占15%）、課堂討論及回答問題（占15%）、虛實結(jié)合作業(yè)和實踐報告（占40%）。結(jié)課大作業(yè)要求每個團隊提供項目的全部資料，包括方案設(shè)計、詳細設(shè)計、虛擬仿真程序、實驗裝置、實驗測試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析、項目進度表、項目預(yù)算及執(zhí)行情況、項目管理報告，每個人針對自己負責部分進行匯報并接受同學及教師的質(zhì)疑，教師則按照考核細則對每個項目給出分數(shù)。在成績評定過程中，對抄襲、學術(shù)不端等行為零容忍，實行一票否決，對實事求是、勇于探索的學生則實行傾斜加分。

教師通過對全體學生各項成績的匯總，并與教學目標對比獲得該課程的達成度，學生也可以知道自己在哪些方面存在不足，需要加強。這有利于為后面的大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等課外項目或畢業(yè)設(shè)計活動補足短板。

3 OBE理念下育人模式效果

通過上述改革，學生的出勤率顯著提高，學習方法從以被動記憶、生搬硬套為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐灾鲃铀伎?、提出問題、分析問題、解決問題為主，作業(yè)的思考深度、完成質(zhì)量明顯提升，普遍較好地掌握了有限元等數(shù)值模擬技術(shù)及實驗驗證方法。

此外，筆者還定期對畢業(yè)生進行回訪，檢驗其獲得的能力是否在工作中發(fā)揮了作用，哪些方面還需要改進，同時參照課程達成度分析、學生評教分數(shù)、問卷調(diào)查情況對課程目標和教學內(nèi)容進行修訂和完善，不斷提高教學水平。經(jīng)過兩學期的教學實踐，學生對課程的評教成績較以前提高近2%。

4 結(jié)束語

基于OBE 理論，融入課程思政，以課程目標為導向，通過開發(fā)具有工程背景的教學案例及實踐教學平臺，實現(xiàn)了課程的虛實結(jié)合教學，開設(shè)了基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗和創(chuàng)新性實驗以及結(jié)課大作業(yè)項目，鍛煉了學生的創(chuàng)新能力和團隊合作能力，彌補了課程缺乏實踐環(huán)節(jié)的不足。同時采用線上線下協(xié)同教學、課程內(nèi)容與學科競賽和畢業(yè)設(shè)計一體化教學，引入多元考核體系，根據(jù)課程目標達成度分析及畢業(yè)生反饋情況等，不斷完善課程教學，形成教學體系的閉環(huán)，從而構(gòu)建了“一條主線、兩個重點、五個協(xié)同”的課程育人模式，取得了一定效果。