呂償

（廣東白云學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510450）

0 引言

我國(guó)“十四五”規(guī)劃階段對(duì)高校人才培養(yǎng)質(zhì)量提出了更高的要求，教育部發(fā)布的《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見(jiàn)》強(qiáng)調(diào)，要以學(xué)生發(fā)展為中心，堅(jiān)持成果導(dǎo)向，優(yōu)化專業(yè)結(jié)構(gòu)，完善課程體系，推動(dòng)課堂教學(xué)革命，改進(jìn)教學(xué)方法[1]?？梢?jiàn)高質(zhì)量人才培養(yǎng)的根本在課程教學(xué)，探索適應(yīng)各個(gè)層次的高度教育課程教學(xué)模式改革國(guó)內(nèi)學(xué)者作了諸多研究，以研究型高校更注重基礎(chǔ)理論研究，應(yīng)用型高校則在理論教學(xué)的基礎(chǔ)上增設(shè)實(shí)踐環(huán)節(jié)，高職院校則將課程教學(xué)的重心專注于實(shí)踐教學(xué)。

課程教學(xué)作為體現(xiàn)教學(xué)范式的直接載體，是高校開(kāi)展教學(xué)的主要途徑，如何開(kāi)展好課堂教學(xué)，切實(shí)提高課程教學(xué)的有效性已成為深化教學(xué)改革、提升人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要發(fā)力點(diǎn)。

1 教學(xué)范式改革中的痛點(diǎn)

1.1 知識(shí)點(diǎn)固化

課程大綱延用是高校課程教學(xué)的一種普遍現(xiàn)象，特別是專業(yè)基礎(chǔ)課作為該專業(yè)的核心課程，課程教學(xué)大綱早期經(jīng)過(guò)反復(fù)論證具有較強(qiáng)的延用性，教師在進(jìn)行課程改革時(shí)對(duì)原有教學(xué)大綱的依賴性較高，極少結(jié)合本專業(yè)涉及的行業(yè)水平重新調(diào)整課程的大綱，導(dǎo)致知識(shí)點(diǎn)基本圍繞課本、圍繞原有大綱要求的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行課程講授，從而導(dǎo)致“以課本為中心”的教學(xué)模式。

1.2 教學(xué)模式固化

傳統(tǒng)教學(xué)模式以“傳授范式”為主，在高校教學(xué)中占據(jù)主流地位，教師作為教學(xué)活動(dòng)開(kāi)展的“原動(dòng)機(jī)”，學(xué)生作為課題里的“從動(dòng)件”，是典型的“以教師為中心”的教學(xué)范式，此范式使得教師對(duì)課堂占據(jù)絕對(duì)領(lǐng)導(dǎo)地位，學(xué)生被動(dòng)接收來(lái)自教師的講授[2-3]。在學(xué)生基礎(chǔ)較好、自覺(jué)性良好的研究型高校具有一定的可行性，但在基礎(chǔ)相對(duì)薄弱、自律性一般的應(yīng)用型高校和職業(yè)院校學(xué)生開(kāi)展“以教師為中心”的教學(xué)范式教學(xué)效果普遍達(dá)不到課程教學(xué)的預(yù)期。據(jù)一項(xiàng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，在“以教師為中心”教師范式課題上，學(xué)生玩手機(jī)的比例高達(dá)55%，睡覺(jué)比例為26%，聽(tīng)課比例僅為7%[4]。

誠(chéng)然有些高校針對(duì)“以教師為中心”開(kāi)展了教學(xué)范式改革，在設(shè)計(jì)了教學(xué)活動(dòng)以提高學(xué)生的參與度，亦出現(xiàn)“兩張皮”，即學(xué)生對(duì)課程教學(xué)中的活動(dòng)內(nèi)容敷衍，較容易地完成教師布置的課程任務(wù)，學(xué)生有參與課程教學(xué)活動(dòng)但并非高質(zhì)量參與。

1.3 教學(xué)模式改革未能與學(xué)生的發(fā)展關(guān)聯(lián)

無(wú)論何種教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)改革其對(duì)象是為了讓學(xué)生接受有用的知識(shí)，一切都是為了學(xué)生的發(fā)展，在高校教學(xué)改革中普遍存在以教師對(duì)課程的理解進(jìn)行相應(yīng)的教學(xué)改革，而不是基于本專業(yè)在行業(yè)未來(lái)發(fā)展中的需求及學(xué)生在未來(lái)職業(yè)發(fā)展中的影響進(jìn)行課程改革，“以學(xué)生的發(fā)展為中心”是課程改革的本質(zhì)，課程對(duì)學(xué)生未來(lái)的發(fā)展貢獻(xiàn)值是衡量課程改革的重要依據(jù)。

2 以“工程力學(xué)與CAE”課程范式改革的主要做法與成效

“工程力學(xué)與CAE”是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，先修課程為“機(jī)械制圖”“高等數(shù)學(xué)”和“大學(xué)物理”且與后續(xù)的“機(jī)械原理”及“機(jī)械設(shè)計(jì)”聯(lián)系緊密，在該專業(yè)有著承上啟下的重要作用。課程改革之后在內(nèi)容上融合了傳統(tǒng)的“理論力學(xué)”“材料力學(xué)”的知識(shí)點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上增加了CAE技術(shù)，其目的是為了提高課程在工程實(shí)踐中的應(yīng)用性，摒棄專注理論講授的傳統(tǒng)教學(xué)范式。

“工程力學(xué)與CAE”作為廣東白云學(xué)院“以學(xué)生為中心”的課改課程之一，目前已經(jīng)過(guò)4年改革經(jīng)驗(yàn)通過(guò)驗(yàn)收為優(yōu)秀，課程設(shè)計(jì)從知識(shí)點(diǎn)重構(gòu)、教法創(chuàng)新、全過(guò)程評(píng)價(jià)等系列改革措施開(kāi)展教學(xué)，從“以教師、教材、課堂為中心”向“以學(xué)生的發(fā)展為中心”轉(zhuǎn)變，具有一定的推廣價(jià)值。

2.1 知識(shí)點(diǎn)重構(gòu)

2.1.1 注重后續(xù)課程應(yīng)用

“工程力學(xué)與CAE”是機(jī)械專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是通識(shí)課高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理等與專業(yè)必修課機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)等的重要銜接課程，知識(shí)點(diǎn)的重構(gòu)著重于后續(xù)專業(yè)必修課中涉及的相關(guān)應(yīng)用。

2.1.2 引入CAE技術(shù)，注重工程實(shí)踐能力培養(yǎng)相較于課程改革前“只講理論，不講應(yīng)用”的講授方式，本課程改革引入CAE技術(shù)在于解決“學(xué)不能致用”的問(wèn)題。本課程改革主要面向與應(yīng)用型本科院校學(xué)生，此類學(xué)生在力學(xué)建模、理論計(jì)算等方面能力偏弱，在面對(duì)相對(duì)復(fù)雜的工程應(yīng)用問(wèn)題時(shí)往往無(wú)從下手，甚至有畏難情緒，而CAE技術(shù)引入本課程設(shè)計(jì)較好地引導(dǎo)學(xué)生在掌握基本理論的基礎(chǔ)上，靈活運(yùn)用CAE技術(shù)解決一些工程實(shí)踐問(wèn)題。

2.1.3 引入課程思政，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)穆殬I(yè)素養(yǎng)

在引入工程實(shí)踐項(xiàng)目時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生治學(xué)要科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、求真務(wù)實(shí)，例如在講授桁架結(jié)構(gòu)時(shí)，本課程引入了港珠澳大橋?yàn)槔?。港珠澳大橋部分設(shè)計(jì)為斜拉橋，涉及十分嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牧W(xué)分析，建立合理的力學(xué)模型進(jìn)行理論計(jì)算對(duì)后續(xù)施工具有非常重要的指導(dǎo)意義，保證港珠澳大橋具有良好的可靠性、穩(wěn)定性。

2.2 知識(shí)點(diǎn)模塊化

知識(shí)點(diǎn)的模塊化設(shè)計(jì)徹底摒棄“以教材為中心”，以教材中的章節(jié)為主線的知識(shí)點(diǎn)構(gòu)成。在課程設(shè)計(jì)中是以工程實(shí)踐項(xiàng)目為載體，基于機(jī)械專業(yè)學(xué)生在本科階段應(yīng)掌握的“拉、剪、彎、扭、組合變形”等幾大類的工程問(wèn)題，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)了工程實(shí)踐項(xiàng)目，圍繞設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐項(xiàng)目所需要掌握的基本理論知識(shí)來(lái)選定知識(shí)點(diǎn)構(gòu)成。

3 教學(xué)方法的創(chuàng)新

3.1 以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)逆向教學(xué)設(shè)計(jì)

以目標(biāo)為導(dǎo)向，采取逆向設(shè)計(jì)法，以“教學(xué)目標(biāo)”為切入點(diǎn)，向“教學(xué)活動(dòng)”逆向推進(jìn)。首先確定“教學(xué)目標(biāo)”隨后根據(jù)“教學(xué)目標(biāo)”選取合適的“教學(xué)內(nèi)容”，隨之設(shè)計(jì)“教學(xué)活動(dòng)”，最后設(shè)計(jì)“教學(xué)策略”。

在每個(gè)知識(shí)模塊開(kāi)展教學(xué)前，向?qū)W生提出明確在該模塊的學(xué)習(xí)中要解決的工程實(shí)踐項(xiàng)目，以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)工程實(shí)踐項(xiàng)目來(lái)激發(fā)學(xué)生求知欲，讓學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，帶著學(xué)習(xí)目標(biāo)去學(xué)習(xí)。

解決該模塊的工程實(shí)踐項(xiàng)目是要具備相應(yīng)的理論基礎(chǔ)知識(shí)為前提，有針對(duì)性地遴選出必要的知識(shí)點(diǎn)，遴選出來(lái)的知識(shí)點(diǎn)并非全盤拖出，而是將項(xiàng)目分解為若干個(gè)任務(wù)，以任務(wù)的形式對(duì)逐步對(duì)總體項(xiàng)目的進(jìn)行。

3.2 課堂講授的策略

3.2.1 徹底摒棄單向灌輸?shù)慕虒W(xué)模式

通過(guò)線上資源，讓學(xué)生提前預(yù)知課堂的教學(xué)目標(biāo)，為課堂活動(dòng)的開(kāi)展作相關(guān)的準(zhǔn)備，教師以引導(dǎo)式牽引課堂，為本次課堂目標(biāo)達(dá)成充當(dāng)“導(dǎo)演”的角色。將知識(shí)點(diǎn)-任務(wù)-項(xiàng)目進(jìn)行串聯(lián)，對(duì)知識(shí)點(diǎn)-任務(wù)-項(xiàng)目中存在的難點(diǎn)、疑點(diǎn)逐個(gè)點(diǎn)撥，盡量避免單向灌輸，以研討、發(fā)問(wèn)等形式開(kāi)展，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，提高學(xué)生在課堂上的參與程度。

3.2.2 學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)策略

學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)策略緊扣教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，完成相關(guān)知識(shí)模塊的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，學(xué)生在完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)的過(guò)程中由教師引導(dǎo)，而更為重要的是學(xué)生可參照模板獨(dú)立完成，實(shí)現(xiàn)從“模仿”到“獨(dú)立自主”，最后能夠舉一反三進(jìn)行相關(guān)的創(chuàng)新性的項(xiàng)目設(shè)計(jì)。

3.2.3 采取線上-線下混合式教學(xué)

在線上超星學(xué)習(xí)平臺(tái)建設(shè)了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源庫(kù)，通過(guò)任務(wù)、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)將課堂時(shí)間有效延長(zhǎng)，以更加豐富的教學(xué)形式激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)。

在線下，構(gòu)建了工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，可開(kāi)展低碳鋼的軸向拉伸實(shí)驗(yàn)、圓形截面棒料的純扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)、等截面/強(qiáng)度梁的彎曲應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試實(shí)驗(yàn)，可供學(xué)生開(kāi)展驗(yàn)證性或探索性實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)軸向拉伸與壓縮、圓軸扭轉(zhuǎn)、彎曲應(yīng)力應(yīng)變等感性認(rèn)識(shí)。

4 教學(xué)評(píng)價(jià)創(chuàng)新

本課程的教學(xué)評(píng)價(jià)采取全過(guò)程的教學(xué)評(píng)價(jià)如表1所示，摒棄了課改前單一的筆試成績(jī)作為考核標(biāo)準(zhǔn)，注重學(xué)生的全過(guò)程學(xué)習(xí)記錄，以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)的教學(xué)階段性考核。通過(guò)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，在學(xué)習(xí)本門課程中以能否解決工程實(shí)踐問(wèn)題來(lái)定義學(xué)生是否掌握基本知識(shí)、基本技術(shù)、基本能力的重要指標(biāo)。徹底摒棄了唯試卷、唯理論知識(shí)的考核方式。

表1 “工程力學(xué)與CAE（B）”考核評(píng)價(jià)方式

5 教學(xué)成效

5.1 學(xué)生的參與度顯著提高

傳統(tǒng)的教學(xué)是以教師為中心，即“教師講、學(xué)生聽(tīng)”，學(xué)生在課堂上容易開(kāi)小差、打瞌睡、玩手機(jī)等，上課積極性不高，最終導(dǎo)致教學(xué)效果不佳?！耙詫W(xué)生為中心”的教學(xué)范式改革則側(cè)重于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)力，本課改采取的策略是“教師授課引導(dǎo)，學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，教師答疑解惑”。具體操作流程如圖1所示。

圖1 教學(xué)策略

采取“以學(xué)生為中心”教學(xué)范式改革，學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)通上學(xué)生訪問(wèn)課程主頁(yè)數(shù)達(dá)16.8萬(wàn)次/年，互動(dòng)教學(xué)達(dá)一百多次/學(xué)期。

5.2 解決工程實(shí)踐問(wèn)題能力顯著提高

改革后，改變了以往“學(xué)不能致用”的狀態(tài)，解決問(wèn)題的手段多樣化，不局限于單一的理論計(jì)算，使學(xué)生在掌握基本理論的基礎(chǔ)上能夠靈活運(yùn)用CAE技術(shù)解決工程實(shí)踐問(wèn)題，例如在求解桁架結(jié)構(gòu)內(nèi)力的章節(jié)，一般教材僅限于平面桁架結(jié)構(gòu)內(nèi)力求解且桁架結(jié)構(gòu)桿件個(gè)數(shù)較少，此類屬于理想化力學(xué)模型，而在工程實(shí)踐問(wèn)題卻相差甚遠(yuǎn)，往往需要解決的是空間桁架結(jié)構(gòu)且數(shù)量較大（桿件數(shù)大于100），此時(shí)單憑人工計(jì)算顯然不切實(shí)際。引入CAE技術(shù)后學(xué)生能夠快速建立有限元模型借助計(jì)算機(jī)輔助分析是可以解決此類問(wèn)題。

此外，涉及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的“拉、剪、彎、扭”力學(xué)問(wèn)題，單憑人工計(jì)算亦是十分復(fù)雜，而建立合理的有限元模型，則能快速、精準(zhǔn)求解。由此，CAE技術(shù)的引入提高了學(xué)生解決工程實(shí)踐問(wèn)題的能力。

5.3 學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量提高

本科階段機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)中凡涉及復(fù)雜靜力學(xué)分析，在計(jì)算方面往往出現(xiàn)邏輯不清或因結(jié)構(gòu)復(fù)雜計(jì)算結(jié)果不足以對(duì)設(shè)計(jì)形成較好的參考性。出現(xiàn)上述緣故一是工程力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)掌握不牢固，二是結(jié)構(gòu)復(fù)雜單憑人工計(jì)算顯得捉襟見(jiàn)肘。通過(guò)本門課程的學(xué)習(xí)，利用CAE技術(shù)能較好地解決上述問(wèn)題，筆者所指導(dǎo)的學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)中能較好體現(xiàn)CAE技術(shù)區(qū)解決工程實(shí)踐問(wèn)題，學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)中有將CAE技術(shù)應(yīng)用于零部件輕量化設(shè)計(jì)中，如圖2所示，學(xué)生對(duì)山地自行車零部件根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)出原始外觀，后根據(jù)受載情況分析其等效應(yīng)力云圖，如圖3所示，在等效應(yīng)力云圖中對(duì)應(yīng)力較大部分進(jìn)行二次優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終由拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)的零部件如圖4所示。由此可見(jiàn)，通過(guò)課程的學(xué)習(xí)對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量的提升產(chǎn)生了直接的影響。

圖2 原始設(shè)計(jì)的山地自行車零部件

圖3 零件受載后的等效應(yīng)力云

圖4 拓?fù)鋬?yōu)化后的零件設(shè)計(jì)造型

5.4 CAE技術(shù)應(yīng)用于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育作為第一課堂向第二課堂的延伸，將第一課堂所學(xué)知識(shí)充分在第二課堂上得以展示是間接驗(yàn)證第一課堂教學(xué)效果。通過(guò)本門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生敢于嘗試新技術(shù)新方法，勇于直面挑戰(zhàn)難度較大的方程式賽車車身骨架設(shè)計(jì)，用CAE技術(shù)根據(jù)強(qiáng)度和剛度條件對(duì)車身進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。相較于傳統(tǒng)課堂學(xué)生更多專注于課程習(xí)題的演練而接觸工程實(shí)踐問(wèn)題，課程改革之后學(xué)生以項(xiàng)目-任務(wù)驅(qū)動(dòng)，從工程實(shí)踐中來(lái)，最后回到工程實(shí)踐中去，切實(shí)體現(xiàn)了課程在工程應(yīng)用中的地位。圖5為筆者所帶學(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，完全自主設(shè)計(jì)的方程式賽車車身骨架即基于本門課程作了具體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，基于拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果進(jìn)行了二次設(shè)計(jì)。

圖5 方程式賽車骨架結(jié)構(gòu)分析

6 總結(jié)與展望

課程教學(xué)范式改革既是教師對(duì)課程教學(xué)模式的重新定義更是教師對(duì)課程的二次認(rèn)知，將舊的“三中心”向新“三中心”的徹底轉(zhuǎn)變，將課堂本質(zhì)屬性重新回歸到學(xué)生為中心，讓學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)、學(xué)會(huì)思考、善于解決問(wèn)題，一切為了學(xué)生的發(fā)展?！肮こ塘W(xué)與CAE”課程教學(xué)范式改革實(shí)踐從教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)空間、教學(xué)過(guò)程與評(píng)價(jià)等諸多方面進(jìn)行了改革，使學(xué)生在課程學(xué)習(xí)參與度有明顯提高，解決工程實(shí)踐問(wèn)題手段更豐富，畢業(yè)設(shè)計(jì)更具高質(zhì)量，同時(shí)將課程所學(xué)知識(shí)在第二課堂即創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)中得以體現(xiàn)。本門課程的教學(xué)范式使得教學(xué)的維度更廣，學(xué)生接收的知識(shí)面更寬，綜合素質(zhì)訓(xùn)練強(qiáng)度更大，同時(shí)對(duì)教師從事本門課程的教學(xué)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(xué)范式改革都需要不斷摸索前行，因材施教又任重道遠(yuǎn)。