基于工程教育認(rèn)證的機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析在線課程教學(xué)改革與實(shí)踐

李樹森 周梓健 曹有為

摘要：工程教育認(rèn)證對機(jī)械類工科專業(yè)大學(xué)教育質(zhì)量提出新的標(biāo)準(zhǔn)和要求，對培養(yǎng)大學(xué)生的能力要求更加明確。本文針對課堂教學(xué)模式不能滿足培養(yǎng)需求的現(xiàn)狀，以學(xué)生為中心、學(xué)習(xí)成果達(dá)成為目標(biāo)、持續(xù)改進(jìn)的理念，以傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式為基礎(chǔ)，以在線開放課堂、互動課堂和實(shí)踐能力課堂的教學(xué)模式作為改革思路，從專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)對機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析課程進(jìn)行教學(xué)結(jié)構(gòu)改革和優(yōu)化，形成一套不斷自我完善可持續(xù)發(fā)展的教學(xué)改進(jìn)機(jī)制。在近三年機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析課程實(shí)際教學(xué)過程中進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用并取得較好效果，為促進(jìn)機(jī)械類大學(xué)課堂教學(xué)模式改革和提高大學(xué)生綜合素質(zhì)能力奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：工程教育認(rèn)證；在線課程；互動課堂；課程目標(biāo)達(dá)成度；實(shí)踐能力課堂

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）39-0158-03

2006年，中國的工程教育認(rèn)證工作正式開始，成為我國提高工程教育專業(yè)教學(xué)質(zhì)量的一項(xiàng)重要措施[1]。工程教育專業(yè)認(rèn)證是國際通行的工程教育質(zhì)量保障制度，也是實(shí)現(xiàn)工程教育國際互認(rèn)和工程師資格國際互認(rèn)的重要基礎(chǔ)[2]。2013年我國成為國際本科工程學(xué)位互認(rèn)協(xié)議《華盛頓協(xié)議》的預(yù)備成員[3]。在國際工程師互認(rèn)體系中，《華盛頓協(xié)議》是最具權(quán)威和國際化意義的[4]。2016年我國成為《華盛頓協(xié)議》的正式會員，標(biāo)志著我國的工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)得到國際認(rèn)可[5]。工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)以學(xué)生為中心、產(chǎn)出導(dǎo)向（OBE）和持續(xù)改進(jìn)為核心理念，要求一切教育活動圍繞培養(yǎng)學(xué)生的畢業(yè)要求和學(xué)生畢業(yè)后五年的培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向開展[6]。

本文基于工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，通過進(jìn)行在線課程的建設(shè)，充分利用在線課程與傳統(tǒng)課堂教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方法，以課程作為培養(yǎng)工程教育人才能力的載體，將學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，工程能力及其他能力的培養(yǎng)環(huán)節(jié)科學(xué)的滲透到課程教學(xué)活動中，以滿足社會對應(yīng)用型人才的需求。

一、課程培養(yǎng)目標(biāo)

現(xiàn)今“有限元法”已成為解決工程實(shí)際問題必不可少的工具[7]。我校根據(jù)企業(yè)反饋的信息分析發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在運(yùn)用基礎(chǔ)知識分析解決實(shí)際工程問題的能力較弱，缺乏工程意識，且創(chuàng)新意識也較薄弱。我校從2015年依據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)對機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析課程的教學(xué)模式進(jìn)行改革，圍繞學(xué)生從課程目標(biāo)培養(yǎng)、教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化、教學(xué)模式改革和教學(xué)成果評估四個(gè)方面進(jìn)行了教學(xué)改革與實(shí)踐，如下圖1所示。

本文基于工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，針對現(xiàn)今教學(xué)中存在的問題，對機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析課程理論與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行形成性教學(xué)改革與實(shí)踐，使學(xué)生具備下列幾方面的能力[8]。

1.掌握桿梁結(jié)構(gòu)、平面問題離散化方法、勢能極小原理、三維問題和薄板彎曲等的有限元解法。強(qiáng)調(diào)有限元方法的工程概念與理解，注重培養(yǎng)學(xué)生的工程知識水平。

2.掌握靜力結(jié)構(gòu)、傳熱問題、彈塑性問題和振動問題的有限元分析方法。了解參數(shù)單元的構(gòu)造方法、溫度場及熱應(yīng)力的有限元計(jì)算、彈塑性及振動結(jié)構(gòu)的有限元動力分析，注重培養(yǎng)學(xué)生的工程知識水平與問題分析能力。

3.通過ANSYS軟件程序平臺的實(shí)驗(yàn)?zāi)M和仿真訓(xùn)練，將所學(xué)理論知識與工程運(yùn)用有機(jī)結(jié)合，能夠?qū)C(jī)械結(jié)構(gòu)典型算例的特性、實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行仿真分析和解釋，得到合理有效的結(jié)論，注重培養(yǎng)學(xué)生的研究能力。

4.針對具體案例進(jìn)行查閱資料、撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告和分組答辯等環(huán)節(jié)，培養(yǎng)文獻(xiàn)檢索能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和溝通表達(dá)能力，具有自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識。

二、課程改革措施

1.教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化重組。教科書作為教學(xué)的基礎(chǔ)，是課堂教學(xué)質(zhì)量的重要影響因素，機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元作為一門工程應(yīng)用類學(xué)科，要讓學(xué)生在掌握連續(xù)變形體的力學(xué)描述等基本有限元方法理論的同時(shí)，能夠利用ANSYS軟件程序平臺對經(jīng)典結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，提高學(xué)生應(yīng)用基礎(chǔ)知識解決實(shí)際問題的能力。因此，應(yīng)本著教材的先進(jìn)性、學(xué)術(shù)性和適用性出發(fā)，合理選取了科學(xué)出版社和機(jī)械工業(yè)出版社的優(yōu)質(zhì)規(guī)劃教材。

2.教學(xué)的科學(xué)性。采用在線課堂教學(xué)，互動式課堂教學(xué)，實(shí)踐能力課堂教學(xué)營造研究型課程教學(xué)環(huán)境，以著重培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)知能力和實(shí)踐能力。（1）在線課堂教學(xué)：提供課堂教學(xué)及在線課程等多種學(xué)習(xí)資源，使學(xué)生能夠在課堂教學(xué)之外利用在線課程等資源進(jìn)行針對性預(yù)習(xí)及復(fù)習(xí)，將短期集中學(xué)習(xí)變?yōu)橹芷诜稚W(xué)習(xí)，以增強(qiáng)學(xué)生對深奧理論知識的感性認(rèn)識。（2）互動式課堂教學(xué)：學(xué)生在課堂之外通過在線課程進(jìn)行針對性預(yù)習(xí)，使課堂變?yōu)槔蠋熍c學(xué)生互動的場所，包括答疑解惑，知識的運(yùn)用等，充分調(diào)動了學(xué)生的主觀能動性。（3）實(shí)踐能力課堂教學(xué)：針對工程中的實(shí)際問題，由老師進(jìn)行引導(dǎo)，學(xué)生自行收集資料，設(shè)計(jì)解決方案，進(jìn)行仿真預(yù)測與評估。將理論與實(shí)踐有機(jī)的結(jié)合在一起，訓(xùn)練學(xué)生學(xué)以致用，獨(dú)立解決問題的能力，以社會需求為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行培養(yǎng)。

實(shí)踐表明，這種教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變，從課前學(xué)生通過在線課程進(jìn)行針對性預(yù)習(xí)，到課上對于重點(diǎn)和難點(diǎn)問題的小組討論和具體闡述；從教師課題項(xiàng)目問題的提出，到學(xué)生對項(xiàng)目問題的分析、研究和解決，始終以學(xué)生獨(dú)立自主研究為主，以老師教授引導(dǎo)為輔，并在教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)中逐步的訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用基礎(chǔ)知識解決實(shí)際工程問題的能力，從而使學(xué)生自身的分析能力，動手能力，理論水平，創(chuàng)新能力等都得到鍛煉和發(fā)展。

3.實(shí)施全方位考核。針對傳統(tǒng)的僅從卷面進(jìn)行考核的方式進(jìn)行改革，采用下列五種考核方式對學(xué)生進(jìn)行考查評估，使得考核成績能夠更加全面的反應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。（1）先進(jìn)軟件平臺訓(xùn)練考核：要求學(xué)生能夠運(yùn)用ANSYS軟件程序平臺對典型機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和解釋，得到合理有效的結(jié)論。（2）在線網(wǎng)絡(luò)課程綜合評價(jià)：利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，通過視頻內(nèi)嵌試題、章節(jié)測試、討論數(shù)、任務(wù)進(jìn)度、視頻觀看時(shí)長、課程相關(guān)行為軌跡等信息對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行綜合評價(jià)。這種大數(shù)據(jù)式的綜合評價(jià)，能夠更加客觀、科學(xué)的對學(xué)生學(xué)習(xí)情況進(jìn)行了解和掌握。（3）開放性卷面考核：合理布局試卷的難易度、深廣度、區(qū)分度，以復(fù)雜實(shí)際問題的主觀開放題型為主，重點(diǎn)突出對于學(xué)生有關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元設(shè)計(jì)思想方法的考核。（4）設(shè)計(jì)答辯考核：要求學(xué)生自由組隊(duì)、自主選題；查閱資料提出具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求和設(shè)計(jì)方案；建模仿真要求給出仿真結(jié)果并分析；完成設(shè)計(jì)計(jì)算報(bào)告撰寫、答辯PPT，分組答辯總結(jié)。（5）課程目標(biāo)達(dá)成度評估：通過以上四種考核方式對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行考核了解，然后從工程知識水平、問題分析能力、設(shè)計(jì)開發(fā)解決方案能力、研究能力、溝通能力及終身學(xué)習(xí)意識六個(gè)方面對學(xué)生進(jìn)行分析評估，考查是否達(dá)到預(yù)定的教學(xué)效果。

采用以上五種考核方式對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行了全面的評估考查，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立解決復(fù)雜工程問題的時(shí)間能力，提高了學(xué)生的理論水平，促進(jìn)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)，終生學(xué)習(xí)及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

三、課程目標(biāo)達(dá)成度評價(jià)分析

自2015年實(shí)施教改以來，以學(xué)生的學(xué)習(xí)成果為研究對象，建立了“評價(jià)—反饋—改進(jìn)”的閉環(huán)持續(xù)改進(jìn)機(jī)制。以下是以成果為導(dǎo)向機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析課程教學(xué)實(shí)踐：

通過2016年與2015年的學(xué)生學(xué)習(xí)成果達(dá)成情況比較分析，發(fā)現(xiàn)自從實(shí)施課程改革以來教學(xué)效果明顯提升，學(xué)生的各項(xiàng)能力指標(biāo)有了明顯提高。但是學(xué)生的創(chuàng)新能力提升較為緩慢。因此在2017年的教學(xué)中，加大了案例式教學(xué)在課程學(xué)習(xí)中的比重，在課堂教學(xué)中增加了更多的工程實(shí)際案例，并嘗試通過對同一案例從不同角度，不同方法進(jìn)行講解，以提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和能力。從2017年的學(xué)生學(xué)習(xí)成果達(dá)成情況分析，學(xué)生獨(dú)立解決復(fù)雜工程問題的能力有明顯的提升，且其余各種能力也呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，表明基于工程教育認(rèn)證的機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析在線課程教學(xué)改革與實(shí)踐取了預(yù)期的成果。表1為2017年課程目標(biāo)各項(xiàng)能力達(dá)成度評價(jià)情況。

從表1中可知，近三年機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元課程教學(xué)改革取得了一定成果，學(xué)生理論學(xué)習(xí)水平、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力等都得到了顯著提升。根據(jù)改革的目標(biāo)設(shè)定了6大能力指標(biāo)，通過對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行考核，然后依據(jù)所設(shè)定的目標(biāo)對學(xué)生各種學(xué)習(xí)實(shí)踐能力進(jìn)行評估分析，形成課程目標(biāo)達(dá)成度專業(yè)評價(jià)表。依據(jù)課程目標(biāo)達(dá)成度專業(yè)評價(jià)表對教學(xué)效果進(jìn)行考查，并通過“評價(jià)—反饋—改進(jìn)”的閉環(huán)持續(xù)改進(jìn)機(jī)制對教學(xué)目標(biāo)，教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)方法，考核方式等進(jìn)行持續(xù)的改進(jìn)，始終圍繞以社會需求為導(dǎo)向，以學(xué)生能力培養(yǎng)為最終發(fā)展目標(biāo)的培養(yǎng)方針進(jìn)行教學(xué)工作。

四、工程教育專業(yè)認(rèn)證新標(biāo)準(zhǔn)下的在線課程建設(shè)成果

該課程利用學(xué)校在線課程平臺，經(jīng)過在線課程建設(shè)，為教師提供了與學(xué)生隨時(shí)交流的窗口。教師可隨時(shí)掌握和分析學(xué)生的在線學(xué)習(xí)狀況和信息，能夠有針對性開展學(xué)習(xí)輔導(dǎo)，特別是對于哪些問題是學(xué)生普遍關(guān)心的，哪些知識點(diǎn)是學(xué)生理解不到位甚至有偏差的，教師可以據(jù)此設(shè)置為課堂教學(xué)中進(jìn)行點(diǎn)撥、或作為討論的重點(diǎn)。在線教學(xué)平臺系統(tǒng)地搜集學(xué)生課后練習(xí)的信息，包括正確率，典型的錯(cuò)誤，甚至解題過程中的偏差和錯(cuò)誤等。教師可以據(jù)此設(shè)計(jì)出全班講授或個(gè)別指導(dǎo)的具體方案和內(nèi)容。

經(jīng)在線課程建設(shè)后，教師從知識教授中解放出來，根據(jù)所教課程特點(diǎn)，強(qiáng)化解決實(shí)際問題方面的教學(xué)任務(wù)。教師在線上教學(xué)的同時(shí)，騰出時(shí)間把線下教學(xué)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到聚焦于復(fù)雜實(shí)際問題解決的課程實(shí)驗(yàn)或課程設(shè)計(jì)上。作為項(xiàng)目教學(xué)通常采用與企業(yè)合作的形式，讓學(xué)生參與完成企業(yè)真實(shí)的項(xiàng)目開發(fā)工作。

在建設(shè)該在線課程的過程中，發(fā)現(xiàn)專業(yè)性在線課程要贏得高校師生的認(rèn)可，必須要有效地解決這門課程傳統(tǒng)課堂教學(xué)的普遍性問題，或者有效彌補(bǔ)這門課程傳統(tǒng)課堂教學(xué)的普遍性不足。這就要求在線課程開發(fā)應(yīng)當(dāng)以問題解決為主要策略，深入研究傳統(tǒng)課堂教學(xué)普遍存在的問題，針對問題，創(chuàng)新課程的內(nèi)容、課程的呈現(xiàn)形式，從而形成在線課程的特色和優(yōu)勢。

五、結(jié)束語

本文基于工程教育專業(yè)認(rèn)證理念，建立了新的課程培養(yǎng)目標(biāo)，針對以往教學(xué)的不足，從選取優(yōu)質(zhì)教材內(nèi)容，采用在線課堂教學(xué)、互動式課堂教學(xué)及實(shí)踐能力課堂教學(xué)，利用先進(jìn)軟件平臺訓(xùn)練考核、在線網(wǎng)絡(luò)課程綜合評價(jià)、開放性卷面考核、設(shè)計(jì)答辯考核等全方位考核方式對學(xué)生學(xué)習(xí)情況進(jìn)行考核，結(jié)合課程目標(biāo)達(dá)成度評估方式對學(xué)生從工程知識水平、問題分析能力、設(shè)計(jì)開發(fā)解決方案能力、研究能力、溝通能力及終身學(xué)習(xí)意識六個(gè)方向?qū)W(xué)生能力進(jìn)行分析考核，通過“評價(jià)—反饋—改進(jìn)”的閉環(huán)持續(xù)改進(jìn)機(jī)制對教學(xué)方式方法進(jìn)行課程目標(biāo)達(dá)成度評價(jià)分析改革。通過在線開放課程建設(shè)，整合數(shù)字化教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)過程的即時(shí)管理，達(dá)到師生在線互動，調(diào)動學(xué)習(xí)者參與積極性，將網(wǎng)絡(luò)資源納入人才培養(yǎng)體系。始終堅(jiān)持以學(xué)生為中心、產(chǎn)出導(dǎo)向（OBE）和持續(xù)改進(jìn)的核心理念。為該課程在進(jìn)行工程教育專業(yè)認(rèn)證建設(shè)中課程體系的改革建設(shè)提供了一定的參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]畢家駒.關(guān)于中國工程專業(yè)認(rèn)證的所見所思[J].高教發(fā)展與評估，2009，25（3）：10-18.

[2]李志義.解析工程教育專業(yè)認(rèn)證的成果導(dǎo)向理念[J].中國高等教育，2014，（17）：7-10.

[3]孫娜.我國高等工程教育專業(yè)認(rèn)證發(fā)展現(xiàn)狀分析及其展望[J].創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)教育，2016，7（1）：29-34.

[4]樊一陽，易靜怡.《華盛頓協(xié)議》對我國高等工程教育的啟示[J].中國高教研究，2014，（8）：45-49.

[5]張朝峰，李靜，張建棟，等.加入《華盛頓協(xié)議》對工科專業(yè)本科教育的啟示[J].高教學(xué)刊，2017，（19）：8-11.

[6]劉寶，李貞剛，阮伯興.基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的大學(xué)課堂教學(xué)模式改革[J].黑龍江高教研究，2017，（4）：157-160.

[7]李樹森，曾劍鋒，張恩惠.“有限元法”課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2014，（2）：1-2.

[8]李樹森，任毅.基于工程教育認(rèn)證的機(jī)械結(jié)構(gòu)ANSYS課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2016，（51）：233-235.