“以學生為中心”的教學范式改革實踐
——以“工程力學與CAE”為例

呂償

（廣東白云學院機電工程學院，廣東 廣州 510450）

0 引言

我國“十四五”規劃階段對高校人才培養質量提出了更高的要求，教育部發布的《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》強調，要以學生發展為中心，堅持成果導向，優化專業結構，完善課程體系，推動課堂教學革命，改進教學方法[1]。可見高質量人才培養的根本在課程教學，探索適應各個層次的高度教育課程教學模式改革國內學者作了諸多研究，以研究型高校更注重基礎理論研究，應用型高校則在理論教學的基礎上增設實踐環節，高職院校則將課程教學的重心專注于實踐教學。

課程教學作為體現教學范式的直接載體，是高校開展教學的主要途徑，如何開展好課堂教學，切實提高課程教學的有效性已成為深化教學改革、提升人才培養質量的重要發力點。

1 教學范式改革中的痛點

1.1 知識點固化

課程大綱延用是高校課程教學的一種普遍現象，特別是專業基礎課作為該專業的核心課程，課程教學大綱早期經過反復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大綱的依賴性較高，極少結合本專業涉及的行業水平重新調整課程的大綱，導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，從而導致“以課本為中心”的教學模式。

1.2 教學模式固化

傳統教學模式以“傳授范式”為主，在高校教學中占據主流地位，教師作為教學活動開展的“原動機”，學生作為課題里的“從動件”，是典型的“以教師為中心”的教學范式，此范式使得教師對課堂占據絕對領導地位，學生被動接收來自教師的講授[2-3]。在學生基礎較好、自覺性良好的研究型高校具有一定的可行性，但在基礎相對薄弱、自律性一般的應用型高校和職業院校學生開展“以教師為中心”的教學范式教學效果普遍達不到課程教學的預期。據一項調查統計，在“以教師為中心”教師范式課題上，學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”開展了教學范式改革，在設計了教學活動以提高學生的參與度，亦出現“兩張皮”，即學生對課程教學中的活動內容敷衍，較容易地完成教師布置的課程任務，學生有參與課程教學活動但并非高質量參與。

1.3 教學模式改革未能與學生的發展關聯

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

2 以“工程力學與CAE”課程范式改革的主要做法與成效

“工程力學與CAE”是機械設計制造及其自動化專業的一門專業基礎課，先修課程為“機械制圖”“高等數學”和“大學物理”且與后續的“機械原理”及“機械設計”聯系緊密，在該專業有著承上啟下的重要作用。課程改革之后在內容上融合了傳統的“理論力學”“材料力學”的知識點，并在此基礎上增加了CAE技術，其目的是為了提高課程在工程實踐中的應用性，摒棄專注理論講授的傳統教學范式。

“工程力學與CAE”作為廣東白云學院“以學生為中心”的課改課程之一，目前已經過4年改革經驗通過驗收為優秀，課程設計從知識點重構、教法創新、全過程評價等系列改革措施開展教學，從“以教師、教材、課堂為中心”向“以學生的發展為中心”轉變，具有一定的推廣價值。

2.1 知識點重構

2.1.1 注重后續課程應用

“工程力學與CAE”是機械專業的專業基礎課程，是通識課高等數學、大學物理等與專業必修課機械原理、機械設計等的重要銜接課程，知識點的重構著重于后續專業必修課中涉及的相關應用。

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

2.1.3 引入課程思政，培養學生科學嚴謹的職業素養

在引入工程實踐項目時，引導學生治學要科學嚴謹、求真務實，例如在講授桁架結構時，本課程引入了港珠澳大橋為例。港珠澳大橋部分設計為斜拉橋，涉及十分嚴謹的力學分析，建立合理的力學模型進行理論計算對后續施工具有非常重要的指導意義，保證港珠澳大橋具有良好的可靠性、穩定性。

2.2 知識點模塊化

知識點的模塊化設計徹底摒棄“以教材為中心”，以教材中的章節為主線的知識點構成。在課程設計中是以工程實踐項目為載體，基于機械專業學生在本科階段應掌握的“拉、剪、彎、扭、組合變形”等幾大類的工程問題，對應設計了工程實踐項目，圍繞設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成。

3 教學方法的創新

3.1 以項目為驅動逆向教學設計

以目標為導向，采取逆向設計法，以“教學目標”為切入點，向“教學活動”逆向推進。首先確定“教學目標”隨后根據“教學目標”選取合適的“教學內容”，隨之設計“教學活動”，最后設計“教學策略”。

在每個知識模塊開展教學前，向學生提出明確在該模塊的學習中要解決的工程實踐項目，以項目為驅動，通過工程實踐項目來激發學生求知欲，讓學生明確學習目標，帶著學習目標去學習。

解決該模塊的工程實踐項目是要具備相應的理論基礎知識為前提，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，以任務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 徹底摒棄單向灌輸的教學模式

通過線上資源，讓學生提前預知課堂的教學目標，為課堂活動的開展作相關的準備，教師以引導式牽引課堂，為本次課堂目標達成充當“導演”的角色。將知識點-任務-項目進行串聯，對知識點-任務-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、發問等形式開展，調動學生的積極性，提高學生在課堂上的參與程度。

3.2.2 學生活動設計策略

學生活動設計策略緊扣教學目標和教學內容，完成相關知識模塊的項目設計，學生在完成項目設計的過程中由教師引導，而更為重要的是學生可參照模板獨立完成，實現從“模仿”到“獨立自主”，最后能夠舉一反三進行相關的創新性的項目設計。

3.2.3 采取線上-線下混合式教學

在線上超星學習平臺建設了網絡教學資源庫，通過任務、項目驅動將課堂時間有效延長，以更加豐富的教學形式激發學生的主動學習意識。

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

4 教學評價創新

本課程的教學評價采取全過程的教學評價如表1所示，摒棄了課改前單一的筆試成績作為考核標準，注重學生的全過程學習記錄，以項目為驅動的教學階段性考核。通過項目驅動，在學習本門課程中以能否解決工程實踐問題來定義學生是否掌握基本知識、基本技術、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 “工程力學與CAE（B）”考核評價方式

5 教學成效

5.1 學生的參與度顯著提高

傳統的教學是以教師為中心，即“教師講、學生聽”，學生在課堂上容易開小差、打瞌睡、玩手機等，上課積極性不高，最終導致教學效果不佳。“以學生為中心”的教學范式改革則側重于調動學生學習興趣，激發學生的內在學習動力，本課改采取的策略是“教師授課引導，學生主動學習，教師答疑解惑”。具體操作流程如圖1所示。

圖1 教學策略

采取“以學生為中心”教學范式改革，學生對學習的參與度不再局限于課堂，線上成為重要的延展課堂，在超星學習通上學生訪問課程主頁數達16.8萬次/年，互動教學達一百多次/學期。

5.2 解決工程實踐問題能力顯著提高

改革后，改變了以往“學不能致用”的狀態，解決問題的手段多樣化，不局限于單一的理論計算，使學生在掌握基本理論的基礎上能夠靈活運用CAE技術解決工程實踐問題，例如在求解桁架結構內力的章節，一般教材僅限于平面桁架結構內力求解且桁架結構桿件個數較少，此類屬于理想化力學模型，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構且數量較大（桿件數大于100），此時單憑人工計算顯然不切實際。引入CAE技術后學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，涉及復雜結構的“拉、剪、彎、扭”力學問題，單憑人工計算亦是十分復雜，而建立合理的有限元模型，則能快速、精準求解。由此，CAE技術的引入提高了學生解決工程實踐問題的能力。

5.3 學生畢業設計質量提高

本科階段機械設計制造及其自動化專業學生的畢業設計中凡涉及復雜靜力學分析，在計算方面往往出現邏輯不清或因結構復雜計算結果不足以對設計形成較好的參考性。出現上述緣故一是工程力學基礎知識掌握不牢固，二是結構復雜單憑人工計算顯得捉襟見肘。通過本門課程的學習，利用CAE技術能較好地解決上述問題，筆者所指導的學生畢業設計中能較好體現CAE技術區解決工程實踐問題，學生在畢業設計中有將CAE技術應用于零部件輕量化設計中，如圖2所示，學生對山地自行車零部件根據結構設計要求設計出原始外觀，后根據受載情況分析其等效應力云圖，如圖3所示，在等效應力云圖中對應力較大部分進行二次優化設計，最終由拓撲優化結果設計的零部件如圖4所示。由此可見，通過課程的學習對畢業設計質量的提升產生了直接的影響。

圖2 原始設計的山地自行車零部件

圖3 零件受載后的等效應力云

圖4 拓撲優化后的零件設計造型

5.4 CAE技術應用于創新創業教育

創新創業教育作為第一課堂向第二課堂的延伸，將第一課堂所學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效果。通過本門課程的學習，學生敢于嘗試新技術新方法，勇于直面挑戰難度較大的方程式賽車車身骨架設計，用CAE技術根據強度和剛度條件對車身進行拓撲優化設計。相較于傳統課堂學生更多專注于課程習題的演練而接觸工程實踐問題，課程改革之后學生以項目-任務驅動，從工程實踐中來，最后回到工程實踐中去，切實體現了課程在工程應用中的地位。圖5為筆者所帶學生參加創新創業項目，完全自主設計的方程式賽車車身骨架即基于本門課程作了具體結構強度分析，基于拓撲優化結果進行了二次設計。

圖5 方程式賽車骨架結構分析

6 總結與展望

課程教學范式改革既是教師對課程教學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”的徹底轉變，將課堂本質屬性重新回歸到學生為中心，讓學生學會學習、學會思考、善于解決問題，一切為了學生的發展。“工程力學與CAE”課程教學范式改革實踐從教學理念、教學內容、教學方法、教學空間、教學過程與評價等諸多方面進行了改革，使學生在課程學習參與度有明顯提高，解決工程實踐問題手段更豐富，畢業設計更具高質量，同時將課程所學知識在第二課堂即創新創業活動中得以體現。本門課程的教學范式使得教學的維度更廣，學生接收的知識面更寬，綜合素質訓練強度更大，同時對教師從事本門課程的教學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范式改革都需要不斷摸索前行，因材施教又任重道遠。