基于OBE理念的“復合材料力學”課程建設探索

孫雙雙

（青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061）

近年來，隨著經(jīng)濟全球化的快速發(fā)展，國際競爭日益激烈，國家對綜合型、創(chuàng)新型高素質(zhì)人才的需求日趨增大［1］。如何培養(yǎng)出既具有扎實的專業(yè)知識，又具有較強的創(chuàng)新意識、國際化視野和問題解決能力的綜合型、創(chuàng)新型高質(zhì)量人才，以適應當今社會的發(fā)展和需求，是高校各專業(yè)人才培養(yǎng)共同面臨的一個問題。

青島科技大學是一所以工科為主、培養(yǎng)應用型人才的省屬重點大學。“復合材料力學”是面向青島科技大學工程力學、機械工程等相關專業(yè)碩士研究生開設的一門重要專業(yè)基礎課，共32學時。作為固體力學的一個重要分支，本課程不僅向?qū)W生傳授復合材料及結(jié)構的力學性能分析、評估及優(yōu)化相關專業(yè)知識，還在培養(yǎng)學生分析解決問題能力、科研能力、創(chuàng)新意識及國際化視野等綜合素質(zhì)方面發(fā)揮了十分重要的作用。

本課程在青島科技大學開設的時間不長，教學資源不夠豐富，尤其是英文教學資源匱乏。此外，教材上的內(nèi)容理論性強，且以各向異性復合材料的力學性能分析為主，較各向同性材料的力學性能分析復雜得多，學生在學習時普遍存在畏難情緒，傳統(tǒng)教學模式下的課堂氣氛也比較沉悶。為了提高教學效果，提升研究生的培養(yǎng)質(zhì)量，筆者基于OBE目標導向教育理念［2］，在教學資源、教學體系與內(nèi)容、教學方法與手段、考核方式等方面進行了一系列探索與實踐，取得了一定的建設成效。基于OBE目標導向理念的“復合材料力學”課程建設思路如圖1所示。

圖1 基于OBE目標導向理念的“復合材料力學”課程建設思路

一、教學資源建設

教學資源是保證教學有效開展、達成教學目標的重要條件。為此，首先對“復合材料力學”課程的教學資源進行建設。在本課程建設初期，以中文教學資源建設為主，選定沈觀林、胡更開編著的《復合材料力學》［3］作為教材。為了幫助學生理解一些枯燥、抽象的基本概念和公式，提高學生的學習興趣，配套制作了工程實例、生活實例及科研實例等較為豐富的多媒體課件，并購置了劉新東、劉偉主編的《復合材料力學基礎》［4］，陳建橋主編的《復合材料力學》［5］，等等中文參考書，既拓展了教材內(nèi)容，也為學生的課外學習提供了參考。此外，按照專業(yè)人才培養(yǎng)目標和培養(yǎng)要求，制定了較為科學、合理的教學大綱，撰寫了教案和講稿等教學資源，并在教學實踐中對教案、講稿及課件等教學資源進行完善、更新和優(yōu)化。

近兩年，在山東省“研究生優(yōu)質(zhì)課程”建設經(jīng)費的資助下，我校對“復合材料力學”課程的英文教學資源進行了建設，購置了AUTAR K.KAW主編的《復合材料力學》［6］和ROBERT M.JONES主編的《復合材料力學》［7］的英文原版教材和參考書，并修訂完成了雙語版的“復合材料力學”教學大綱、教案及課件，這為開展研究生“復合材料力學”雙語教學、拓寬學生的國際化視野等奠定了基礎。

二、教學體系優(yōu)化與教學內(nèi)容創(chuàng)新

基于青島科技大學研究生的知識基礎及專業(yè)人才的培養(yǎng)要求，筆者對“復合材料力學”課程的教學體系進行了調(diào)整和優(yōu)化，對教學內(nèi)容進行了重塑和更新。

在教學體系方面，以連續(xù)纖維增強復合材料為主要研究對象，將教材中的以復合材料力學性能分析方法為主線組織教學內(nèi)容的教學體系，調(diào)整為按照復合材料力學基礎、復合材料剛度分析、復合材料強度分析三個模塊組織教學內(nèi)容的新的教學體系，以減少教學內(nèi)容的交叉與重復。其中，復合材料力學基礎模塊包括復合材料概述及各向異性彈性力學基礎。復合材料剛度分析模塊包括正交各向異性復合材料的工程彈性常數(shù)、單層復合材料的本構關系、單層復合材料變形的宏、細觀分析及實驗測定、層合板的本構關系及變形的宏觀分析、單層板及層合板的濕熱變形計算等。而復合材料強度分析模塊包括單層復合材料強度的宏、細觀分析及實驗測定、層合板強度的宏觀分析及濕熱應力計算等。經(jīng)過幾個學期的教學實踐證明，調(diào)整后的教學新體系，因教學內(nèi)容編排的脈絡更加清晰，有利于學生理解和掌握教學內(nèi)容，而且因減少了一些不必要的重復內(nèi)容，更有利于在有限的學時內(nèi)較好地完成課程教學目標。

在教學內(nèi)容方面，注重將基礎理論與實際應用相結(jié)合，增加了許多工程實例、生活實例和科研案例，以提高學生的學習興趣，培養(yǎng)學生利用復合材料力學知識解決實際問題的能力。例如，在層合板強度的宏觀力學分析部分，增加了分析大型風力機復合材料葉片破壞的例子；在層合板剛度的宏觀力學分析部分，結(jié)合自己的科研方向，增加了對微機電系統(tǒng)驅(qū)動器的記憶合金/Si復合膜的變形分析［8］等。此外，在教學內(nèi)容中還融入了一些科研成果及學科發(fā)展前沿的相關內(nèi)容，以啟發(fā)和拓寬學生的思維能力，培養(yǎng)學生利用復合材料力學知識獨立分析解決工程問題和科研問題的能力。例如，在學習單層復合材料剛度的細觀力學分析時，筆者結(jié)合自己的科研項目，以“基于形狀記憶合金（以下簡稱SMA）的智能復合材料與結(jié)構”為例，介紹了利用細觀力學分析方法對SMA智能復合材料與結(jié)構進行力學建模及仿真分析等一系列研究成果。又如，在復合材料概述部分，增加了“超材料”的內(nèi)容；在復合材料的濕熱效應部分，增加了“極端力學”等學科的前沿內(nèi)容。

在教學內(nèi)容中潤物無聲地融入思政元素，以培養(yǎng)學生的民族自豪感、責任擔當意識及創(chuàng)新意識等。例如，在學習復合材料概述時，以C919飛機、神舟系列載人飛船等大國重器為例，介紹了先進復合材料在我國航空航天事業(yè)中的應用，以培養(yǎng)學生的民族自豪感和愛國熱情。又如，在學習層合板的剛度問題時，以大型風力機復合材料葉片氣動性能分析為例，讓學生進行探討：若要提高復合材料葉片的氣動性能，應該如何改變或優(yōu)化風電葉片的結(jié)構、選材、鋪層順序等問題，由此培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和科學思維。

三、教學方法與手段的改革

與“材料力學”“彈性力學”等力學課程相比，“復合材料力學”以各向異性復合材料的力學性能分析為主，研究內(nèi)容相對來說較復雜。為了調(diào)動學生的學習積極性，加強學生對教學內(nèi)容的理解，筆者依據(jù)教學內(nèi)容的特點，靈活采用啟發(fā)式、討論式、類比式、案例式等多種教學方法。例如，在學習層合板強度的宏觀力學分析時，一般采用小組討論法或案例教學法。以大型風力機復合材料葉片破壞為例，讓學生相互討論、分析風力機葉片破壞的原因，提出提高風力機復合材料葉片強度的措施，等等。在學習正交各向異性復合材料的本構方程、復合材料強度理論時，一般采用啟發(fā)式、類比式的教學方法。首先引導學生思考各向同性材料的本構方程的表達形式是什么、各向同性材料中常用的強度理論有哪些，然后讓學生自己分析、比較各向同性材料與正交各向異性復合材料在本構方程和強度理論等方面有哪些異同點。

此外，將多媒體與黑板板書有機結(jié)合，優(yōu)勢互補，提高課堂的教學效果。一般來說，對于基本概念、基本理論的介紹，采用多媒體手段，以圖片、動畫或視頻的形式展現(xiàn)，同時在課件中增加了對教學內(nèi)容的英文翻譯。對于公式推導或計算舉例的內(nèi)容，基本以板書為主，便于學生跟上教學節(jié)奏，及時掌握教學內(nèi)容。

自2019—2020年第二學期線上教學以來，筆者將雨課堂引入“復合材料力學”課程教學中。通過雨課堂的隨機點名、考勤、隨堂練習、布置課后作業(yè)等功能來輔助教學，及時了解學生的出勤情況及對教學內(nèi)容的掌握情況，這不僅助力教師及時改進教學、提高了教學效果，還為做好課程過程的考核記錄提供了便利。

四、考核方式的改革

為了強化學生分析解決問題的能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識及國際化視野等綜合素質(zhì)，“復合材料力學”課程從最初的采用100%期末考核的方式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎眠^程考核與期末考核相結(jié)合的方式。目前過程考核占總評成績的50%，期末考核占總評成績的50%。過程考核包括寫文獻閱讀報告或研究性小論文、中英文文獻互譯、完成編程計算或通過商用軟件計算的綜合性大作業(yè)、實驗方案設計等。期末考核一般采用開卷的形式，題型比較靈活，有判斷題、簡答題、證明題、綜合分析計算題等。各考核環(huán)節(jié)與教學目標的對應關系如表1所示。此外，根據(jù)每學期教學目標的達成情況，教師會對考核環(huán)節(jié)進行持續(xù)改進。

表1 “復合材料力學”課程考核環(huán)節(jié)與教學目標的對應關系

結(jié)語

經(jīng)過幾年的持續(xù)建設和教學實踐，“復合材料力學”的課程資源及教學內(nèi)容逐漸豐富，教學方法和手段變得靈活多樣，教學體系和考核方式也更加科學合理，教學目標的達成度及人才培養(yǎng)質(zhì)量逐年提高。通過調(diào)查問卷可知，學生對“復合材料力學”課程的教學效果比較滿意，教學督導員也對本課程教學給予了肯定，這說明“復合材料力學”課程建設已取得了一定的成效。