面向專業人才培養目標的材料力學一流課程建設1)

祝 捷 周宏偉 左建平 王宏偉 劉德軍 薛東杰 李明耀

(中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京100083)

2016年6 月，我國成為國際本科工程學位互認協議“華盛頓協議”的正式會員。“華盛頓協議”有兩個突出特點：一是著重基于學生學習結果的標準，二是強調工業界與教育界的有效對接。“華盛頓協議”大多數成員國(或地區)采取成果導向教育(outcome based education，OBE)，即將學生表現作為教學成果的評量依據，以促進專業持續改進作為最終目標[1]。2019年10月，教育部頒布“關于一流本科課程建設的實施意見”，指出課程是人才培養的核心要素，以目標為導向加強課程建設。OBE理念和一流課程建設的目標是一致的[2]。

中國礦業大學(北京)以理工為主、以礦業與安全為特色，在煤炭能源的勘探、開發、利用，資源、環境和生產相關的礦建、安全、測繪、機械、信息技術、生態恢復、管理工程等領域形成了優勢品牌和鮮明特色。材料力學重點傳授變形概念和變形體的力學知識，具有非常悠久的學科歷史[3]，是學校采礦工程、安全工程、土木工程、工程力學等17個專業本科生的學科基礎課，課程依托“工程力學”國家重點學科和教育部、北京市特色專業，借助“煤炭資源與安全開采”國家重點實驗室、北京市高等學校實驗教學示范中心、國家自然科學基金創新群體等科研優勢，充分利用教學團隊承擔的國家重要能源領域科研項目，如國家重點研發計劃、國家973項目、國家自然科學基金項目等取得的重要研究成果作為教學資源。經過長期的教學實踐和改革，2020年中國礦業大學(北京)材料力學課程獲批首批國家級一流本科課程(線下一流課程)。

本文深入分析了材料力學課程建設面臨的教育教學理念、專業培養目標和學生學習動力等方面的挑戰，詳細闡述了教學團隊探索并實踐OBE理念下雙閉環教學模式，以及應用多維度教學質量評價手段提高學生學習成效、保障專業目標達成的情況。

1 課程建設面臨的挑戰

1.1 轉變教育教學理念

“華盛頓協議”包括的12條畢業生素質不僅要求工程知識、工程能力，而且強調溝通、團隊合作等方面的通用能力、品德倫理、工程倫理和社會責任感。用人單位對畢業生的品德、溝通、團隊合作等方面的能力也非常關注。我國傳統教學理念以教為中心，非常重視“如何教”，對學生真正學到了什么關注較少，工程教育注重學生的工程知識和技術能力，對溝通、團隊合作、工程倫理等方面重視不夠。教師教得多、資源投入多，但學生的實際收獲往往并不大，因此要改變以傳授知識為主的傳統教育理念。

“關于一流本科課程建設的實施意見”提出，推動課程思政的理念，確立學生中心、產出導向、持續改進的理念，以新理念引領一流本科課程建設。課程建設要堅持導向性和專業性，符合學校定位，滿足區域經濟發展，體現專業定位和優勢。OBE理念以學生產出作為驅動教育系統運作的動力，與傳統的內容驅動和重視投入的教育理念形成了鮮明對比[1]。實踐證明，以學生為中心，關注學生能力提升的OBE理念是值得關注和借鑒的教學理念[4]。

1.2 達成專業培養目標

中國礦業大學(北京)采礦工程、安全工程、土木工程、工程力學等17個專業將材料力學作為學科基礎課。不同專業的人才培養方案對材料力學課程的定位存在差異，學校分層設置了不同學時的材料力學課程，以及涵蓋靜力學和材料力學知識的工程力學課程。表1顯示了不同專業設置的材料力學課程基本信息。

表1 材料力學課程的設置情況

要達成不同專業的人才培養目標，課程建設必須答好與人才培養目標對應的一系列問題，例如授課對象的專業人才培養目標是什么？課程在專業課程體系中的定位如何？怎么實現課程教學與專業目標的關聯？如何支撐畢業要求指標點的達成？制定課程大綱和設計教學方案時，必須將專業人才培養方案要求的相關指標點落實到課程的教學目標、教學內容、進度安排和考核方式中。

1.3 調動學生學習動力

課堂教學是實踐課程建設的主渠道，課程質量和學習成效是一流課程最關鍵的要素[5]。學生的學習動力是教學活動達到預期效果的前提條件[6]。從應然狀態而言，老師教、學生學是天經地義的，但實際狀態可能是老師教、學生未必學，學習沒有發生或者說沒有真實地發生[7]。師生共享課堂，教學才有“靈魂”。學生想學、愿意學，才能得到理想的學習效果。

教學活動要堅持以學生為中心，調動學生的學習動力。學校教學任務的設置和教學安排必須符合學生的成長規律、認知規律、腦發展規律、身體成長發展規律。教師要采取合適的教學方法、考核方式和評價標準等，促進學習成果產出。尤其對于理解課程知識有難度的學生，教師要在時間、方法、表現等方面制定靈活的教學方案，幫助他們達成專業要求的培養目標。

2 課程建設實踐與成效

2.1 課程建設目標

課程建設目標應按照國家專業課程質量標準和專業認證標準的要求，充分考慮人才培養方案對課程的定位和需求[8]。表2顯示，采礦工程、機械工程、工程力學專業的材料力學課程學時相同，但是上述專業人才培養方案中材料力學課程支撐的畢業要求指標點有一些差異。其中機械工程專業強調掌握力學基礎知識，具有分析相關問題的能力，工程力學和采礦工程專業明確提出了2個層次的要求：①掌握力學的基礎知識和基本原理；②能夠建立模型，分析復雜工程問題。

表2 專業對材料力學的課程定位

根據OBE教育理念[9]，課程教學必須與畢業要求指標點形成對應的支撐關系[10]。中國礦業大學(北京)材料力學教學團隊在深入分析相關專業人才培養方案的基礎上，明確了不同專業的人才培養目標，確定了“以學生為中心、支撐畢業要求指標點”的課程建設目標。

2.2 踐行OBE理念的教學模式

課堂教學是課程建設的“最后一公里”。材料力學教學團隊根據OBE理念“反向設計、正向支撐”的特點，在明確課程與畢業要求指標點支撐關系的基礎上，探索并實踐了三階段、八步驟的“雙閉環”教學模式。三階段指課前、課中和課后，八步驟是指師生教學活動可分成8個步驟。

“雙閉環”教學模式以學生為中心，圖1內環顯示學生“學”的8個步驟，從課前預習開始，學生學習過程分成課前(課前預習、閱讀探究)、課中(展示分享、知識學習、討論測驗)和課后(完成作業、自主學習、評價總結)。圖1外環為教師“教”的8個步驟。教師的課前活動包括學情分析、教學設計和資料發布；課中包括課題導入、知識精講和互動啟發；課后主要是批改點評和課后輔導。學情分析是教師課前活動的核心，是按照專業人才培養目標，針對性設計教學方案的關鍵步驟。評價總結是學生自我評價反思、提升學習效果的關鍵環節，也是學生反饋教學質量、促進教師改進教學的重要步驟。

圖1 “雙閉環”教學模式流程圖

隨著“互聯網+”時代的到來，課堂教學過程成為一個教與學融合、交互作用與影響的動態過程[11]。師生教學互動從課堂延伸到課外，學生在學習的全過程都具備和老師互動的條件。圖1內外環之間箭頭所示路徑為師生教學互動的4種途徑：

①(教師)資料發布→(學生)課前預習、閱讀探究→(教師)課題導入→(學生)展示分享

②(教師)知識精講→(學生)知識學習→(教師)互動啟發→(學生)討論測驗

③(學生)完成作業→(教師)批改點評→(學生)自主學習→(教師)課后輔導

④(學生)評價總結→(教師)學情分析→(教師)教學設計

教學互動①②由教師在課前和課中發起，目的是給學生輸入知識、啟發學生獨立思考。以教學互動①為例，我們借助信息技術，針對學生專業背景在網絡平臺上發布課前預習題，引導學生在課外多看一些資料。城市地下空間工程專業本科生學習“曲桿內力圖”章節的預習題是地鐵隧道受什么形式的載荷作用？整體式隧道襯砌什么位置最危險？采礦工程專業學生學習“彎曲應力”章節的預習題是煤礦井下工作面采場上覆巖層(圖2(a))可能形成什么結構？通過查閱文獻，學生發現了我國礦山壓力與巖層控制領域專家錢鳴高院士曾提出承載層“砌體梁”模型[12](圖2(b))。“砌體梁”模型是采礦工程中彎曲理論應用和發展的典型案例，本科生從“砌體梁”模型中獲得的不僅是學科知識，更多的是專業歸屬感和礦業“文化自信”。除了“砌體梁”，教學團隊充分發揮學校礦業與安全的特色優勢，將采礦工程等領域的關鍵科學問題轉變為探究型教學案例，如煤礦井下鋼管混凝土墩柱(簡化為軸心受壓構件)截面設計的依據是什么？煤層開采后，堅硬頂板發生懸露和下沉，哪些因素會影響頂板初次斷裂時的懸露極限跨度？為什么礦震導致原本處于穩定狀態的支護結構發生失穩？學生通過討論和分析這些案例，體會到材料力學在解決實際復雜工程問題中的重要作用。

圖2 開采后巖層活動狀態及承載層的“砌體梁”結構模型[12]

教學團隊將力學學科的人文元素引入課堂教學，將知識模塊通過歷史人物或故事串聯起來，促進生動活潑的課堂氛圍和師生互動，增加了材料力學的課堂魅力。專業教育與課程思政高度融合的教學方法深受廣大學生的歡迎。實踐證明，以專業人才培養目標為導向的課堂教學拉近了師生之間的心理距離，愛聽材料力學課的學生多了，學生的學習動力、課堂參與度和師生互動次數等都有了明顯的提升。

愛因斯坦說過“人的差異在于業余時間”，材料力學的課后互動是個性化的。教師不僅給理解課程知識有困難的學生答疑，還要滿足不同專業背景、不同學習能力的學生需求。針對采礦工程、工程力學專業目標要求的“針對具體工程建立力學模型”，我們在教學互動③布置一些與專業背景相關的自主學習任務或者發布一些與專業相關的力學建模資料，引導學生結合課程知識，深入思考專業中的力學問題。從學習成效來看，個性化的課后互動不僅有利于教學目標的達成，而且促進了多樣化的成果產出，例如有的學生在老師指導下參加“互聯網+”創新創業大賽獲獎，有的學生和老師合作開展研究、發表學術論文或申請專利等。

教學互動④是指教師結束一次課，進入下次課之前，可以從網絡平臺上接收學生評價反饋的信息；通過分析學生的質量評價反饋信息，針對性調整教學方案，爭取下一次課達到更加理想的狀態。OBE理念下的雙閉環教學模式強化了教學互動，以“螺旋鉆進”的方式瞄準教學目標、動態分析學情和持續改進教學，切實保障了學生學習成果的產出。

為了提升學生的溝通能力和批判性思維，教學團隊采用啟發誘導式教學法，使學生成為提問的主體，培養學生發現問題的能力。以“彎曲正應力”的課堂教學為例，教師首先列舉身邊的彎曲現象或實際工程中的彎曲構件，引導學生透過現象探究彎曲變形特征，在此過程中學生發現了梁橫截面上各層纖維變形是不均勻的，并進一步提出為什么梁的橫截面上各層纖維變形不均勻呢？根據純彎曲實驗現象，教師帶領學生理性建立假設，先后引入幾何關系、物理條件和靜力學方程，以板書的方式逐步推導彎曲正應力的計算公式，發現橫截面上不均勻的應力是導致其不均勻變形的原因。值得一提的是，教師采用啟發誘導式教學法的過程中，不僅引導學生掌握質疑、分析、推斷、創新等批判性思維技能，而且培養學生勤學好問、理性判斷、刻苦鉆研等精神品質。

2.3 OBE理念下的教學質量評價

OBE要求學習產出、教學活動、質量評價三方面統一起來，形成整個教學體系[4]。教學團隊在“雙閉環”課前、課中和課后教學活動中設置了2類、5個質量評價點(圖1紅字標注教學步驟設有質量評價點)，持續關注學生學習成效和課堂教學質量，尤其是課程對學生目標能力和素質的培養情況。

(1)第1類質量評價點關注學生的“學”。在課中“展示分享”環節，教師評價學生課前預習效果，判斷學生的學習狀態是否達到教學設計要求；“討論測驗”環節，教師重點關注學生的課堂表現，評價學生的學習動力；課后“批改點評”環節，教師通過批改和點評學生作業，判斷學生掌握的知識和技能是否達到本次課的教學目標。除了關注學生的期中、期末考試成績以外，教師根據上述質量評價全程關注學生的學習狀態。對于學習效果未達標的同學，教師可以加強課后輔導，及時幫助學生利用課后時間完善提高。

(2)第2類質量評價點關注教師的“教”。在課中“知識精講”環節，教學督導和同行專家聽課對教師的教學態度、教學內容、教學方法和教學效果進行綜合評價；授課對象的專業負責人從本專業人才培養目標出發，評價課程對畢業要求指標點的支撐程度，判斷教學質量是否達到了本專業關于知識、能力和素質的人才培養要求。在課后“評價總結”環節，授課對象(學生)對課程在價值引領、知識傳授、學科前沿、課后輔導和學習成效等方面進行評價。

通過上述教學質量評價方案，教學團隊能夠精準定位課程教學存在的問題，在以后的教學中針對學習效果不達標的部分進行查漏補缺，適當調整教學方法和進度安排，保障教學目標的達成。

我們調研分析了1263份來自工程力學、采礦工程、土木工程、安全工程等專業本科生的教學質量評價問卷(2019—2020學年)。統計數據顯示學生對材料力學課程的綜合滿意度大于96%。在價值引領、知識傳授、學科前沿和課后輔導方面，學生給出的A類分(非常滿意)占比分別為96.1%，86.2%，82.8%和82.3%，其中采礦工程、工程力學、土木工程和城市地下空間工程專業學生對教學滿意度最高。測繪工程、遙感科學與技術專業的學生對于了解學科前沿知識和課后輔導方面給出的A類分(非常滿意)占比均為64%，B類分(滿意)占比分別為29.5%和32.4%，總體滿意度超過93%。測繪工程、遙感科學與技術專業的學生對教學效果總體上是滿意的，但是在了解學科前沿知識和課后個性化輔導方面還有需求。問卷顯示95.2%的學生認為已掌握材料力學課程的全部內容或大部分內容，可見絕大部分學生對材料力學課程的學習成效是認可的。

3 結論

中國礦業大學(北京)材料力學教學團隊在OBE理念指導下，積極開展課程建設；通過專業人才培養目標“反向設計”教學方案，明確課程的學習產出；采用雙閉環互動教學模式，結合多元化質量評價，保障課程對畢業要求指標點的有效支撐。教師以學習產出為導向，合理配備與專業目標對應的教學資源、靈活設計教學方案、提升教學質量。學生掌握力學知識的同時，提高了分析專業相關力學問題的能力。實踐證明，培養目標為導向的材料力學課程教學有效提升了學生的學習動力、溝通能力和批判性思維，促進了個性化學習成果的產出。