新工科背景下基于OBE理念的计算机在材料科学中的应用育人模式的探索与实践*

张国尚 冯日宝 李亚娟

中国民航大学理学院 天津 300300

0 引言

计算机在材料科学中的应用是将计算机技术应用到材料科学，讲述材料科学中从微观到宏观层次的理论分析、建模和求解，以及材料成形、检测等过程计算机控制的课程，它是材料类各专业的必修课。美国国家研究院材料科学与工程委员会在20世纪90年代前就指出材料科学与工程领域存在分析建模和仪器设备两个关键问题[1]。在新工科建设的背景下，中国民航大学从教学内容更新优化、融通线上线下两个空间并密切联系工程实践、考核方式过程结果相结合等方面，对计算机在材料科学中的应用课程进行改革，通过利用现代网络技术构建以学生为中心的面向工程实践的教育生态，取得了一定的教学效果[2]。然而，尽管利用开发的虚拟仿真教学平台实现了虚拟仿真与一些实验测试的结合，但绝大部分教学案例仍无相关条件通过真实实验来验证模拟结果是否正确，计算机控制部分也无相关实验，更不必说学生亲自设计并搭建装置验证模拟结果。实际工作中，常需要通过团队合作解决复杂工程问题，而以往教学中常忽视此方面能力的培养和考核。以教师为中心的传统教学模式也面临学生学习目标不明确、学习注意力不集中等问题。国内一些开设该课程的高校从教学内容、教学方法及考核方式等方面进行了改革并且取得了一定成效，但仍存在模拟结果缺少实验验证和计算机控制部分无相关实践的问题，导致学生利用或研发相关实验装置解决材料相关问题的能力无法得到充分锻炼[3-7]。

OBE（Outcome-Based Education）理念是以成果为导向的教育，重点突出“学生中心、成果导向、持续改进”工程教育理念。该理念以学生学习成果为导向，逆向确定教学环节，使教学更具有针对性，在一些内容繁杂的虚实结合课程或实训教学中提高了学生的工程实践能力[8-9]。根据中国民航大学主要面向未来民航发展需求人才培养的实际，结合课程特点，以培养掌握计算机技术在材料科学中应用的具有社会主义核心价值观的民航特色人才为主线，以培养学生的理论水平和工程能力为重点，引入OBE理念，对课程的教学内容、教学方法及考核方式的改革，探索新的育人模式，从而提高教学效果具有重要意义。

1 OBE理念下育人模式思路

确定教学目标是基于OBE理念教学的第一步，关系到后续教学内容选择、教学过程设计和教学评价，是确保学生在教学活动结束后取得预期效果的前提。教学目标的制定以专业培养目标和毕业要求为导向，专业培养目标和毕业要求则以市场需求为导向。学校的材料类专业面向未来民航技术发展，培养具有扎实的数理和材料科学基础知识，良好的个人素质、工作作风、质量意识和团队精神，能够解决材料领域复杂工程问题的创新型、复合型高级工程技术和管理人才。基于OBE理念的教学设计还应考虑几个原则：1）以学生学到什么为前提和依据；2）以解决“复杂工程问题”为背景，从“学知识”到“应用知识解决问题”能力转变；3）以提升学生能力，特别是思维能力、自主学习能力解决复杂工程问题为目标。因此，该课程的教学目标主要有五点：1）掌握工程问题的抽象思维方法及建模方法，能借助有限元、有限差分等软件求解材料成形及服役环境下的温度场、应力场、浓度场；2）掌握计算机在材料成形、加工及检测等领域涉及的基本知识，了解人工智能、大数据等在材料科学中的应用，能设计装置和实验对模拟结果进行验证及分析；3）掌握计算机文献检索方法，具有通过计算机网络不断获取新知识的能力；4）能够借助计算机在多学科背景下的团队中以团队成员及负责人角色解决材料领域复杂工程问题并进行有效交流，包括掌握工程项目CDIO 方法[10-12]；5）以“当代民航精神”为主线，通过“节、段、点”将家国情怀、探索精神、民航文化有机融入教学与实践全过程。

教学目标需落实到具体的教学内容中，在不增加学时的前提下，实现以上教学目标，可将教学内容进行分类整合，融入课程思政内容，通过完成虚实结合的验证性、创新性实验及团队合作完成的具有复杂工程背景的大作业等，培养创新能力和团队合作能力，同时针对不同教学内容，采用适宜的教学模式及评价体系，从而根据反馈结果实现教学过程持续改进，以满足教学目标要求。基于OBE理念的育人模式流程如图1所示。

教学内容的设计除以教学目标为导向外，还需考虑学生知识背景、实际应用场景、学校可以提供的实验条件等，从而梳理课程教学知识点，开发出多个具有一定工程背景的教学案例及相应的实践教学平台，确定的课程教学内容、教学形式及考核指标如表1所示。

2 OBE理念下育人模式实施

2.1 课程思政与思想政治课协同

教学资源的构建以支撑教学内容的达成为导向，在制定教学大纲、编写讲义等过程中要将立德树人放在首要位置，深入挖掘与课程内容相关的思政元素，引出相应的育人目标，作为思想政治课程的有效补充。课程以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，坚持立德树人、全方位育人，将对学生的理想信念教育、爱国主义教育紧密结合起来，弘扬以“两弹一星”“两航起义”“英雄机组”“国产大飞机”等为标志的特色文化，在教学内容中有机融入当代民航精神，使学生接受科学精神教育、工程伦理教育、实践能力教育、爱国敬业教育和民航文化熏陶，形成具有显著民航特征的思政育人教学体系。

为了使专业课思政教育与思想政治课界面相容、协同增效，思政元素的融入主要以典型案例为载体。案例的选取要丰富多样且反映时代前沿，分析过程要严谨有趣，结果要能解决问题。目前课程教学团队已设计出20 余个课程思政典型案例，可以解决课程思政与思想政治课“两张皮”问题。

案例教学中贯彻以学生为中心的宗旨，教师首先要为人师表和知识过硬，其次要有教学热情，并能针对不同内容采用适当教学方法，师生共同分析解决问题。在科学精神教育方面，针对案例进行批判性讲授，让学生独立评判、比较和分析，培养学生不迷信权威、追求真理、实事求是的科学精神；在工程伦理教育方面，选用学生熟悉的人和事进行深入阐释，特别注意引入民航相关案例，培养学生依规做事、践行工匠精神、具有民航责任担当；在实践能力教育方面，通过分组形式进行的虚实结合的结课大作业，结合第一课堂的答辩、第二课堂的竞赛及第四课堂的线上讲座，培养学生文献调研、创新设计、动手、报告撰写、演讲表达、团队协作等能力，力求使其能够学以致用，具有创新精神；在爱国敬业教育方面，通过“两航起义”“英雄机长”等先进事迹，培养学生对中国共产党的忠诚和对生命的敬畏。

2.2 线上与线下协同

随着信息技术的发展，线上线下混合式教学正成为未来教学的重要形式。特别是在缩减学时和计算机软件操作需要反复练习的背景下，本门课程采用线上线下协同教学非常必要。线上线下线协同指的是把软件操作过程放在线上，学生通过学习通可以反复观看视频并练习，不懂的问题可以通过学习通及微信向教师提问，教师则可以对学生进行个性化的指导。线上和线下内容要精心设计，做到有效衔接，这样可以打破时空限制，对学生进行全过程个性化教学，从而提高教学的针对性。

2.3 虚拟仿真与实验验证协同

考虑到课外创新实验及结课大作业中搭建实验装置的需求，教学团队研制了同时对试件施加力、电流及温度载荷，测量各点的应变及整体变形，采集电阻、热流密度等信息的力-热-电材料教学平台，如图2所示。该平台涵盖了课程中的数据采集、运动控制（步进电机、伺服电机）、温度控制、单片机、图像处理、虚拟仪器、机械设计及力学分析等知识，涉及力学、热学、热-力耦合、电-热-力耦合、材料冶金、塑性成形、损伤检测及健康状态监测等材料领域重要方向，可用于课程中的大部分实践内容的教学，也可对装置进行功能扩展，以验证复杂工程问题的模拟结果。理论教学中，依据所讲授内容采用不同的教学方法，如在介绍力-热-电材料教学平台时，采用项目教学法，使学生掌握基于CDIO 理念的构思-设计-实现-运作的整个流程以及任务分解、费用控制、进度控制等项目管理知识，鼓励学生基于该装置，针对感兴趣的问题开发虚实结合的教学案例。在讲授有限单元法时，以许多工程问题难以建立符合实际情况的方程或无法获得解析解这一问题引出有限元的思想，介绍我国科学家冯康于20世纪在国外封锁条件下，独立提出有限元法并将其应用于当时我国最大的刘家峡水坝，从而及时解决了应力分析难题的重要贡献，进而结合“两弹一星”、国产大飞机及芯片“卡脖子”问题谈民族自信，将思想政治教育融入课程教学中[13]。大数据与人工智能部分采用翻转课堂教学形式，锻炼学生的自学能力和表达能力，教师则引导学生进行探究式研究，探索如何将新技术应用到材料科学领域。

实践教学分为三种形式，每种形式采用不同的教学模式。1）利用力-热-电材料教学平台及实验室现有装置。除了表1 所列的课内必修验证性基础实验外，还有课外选做的综合性实验和创新性实验。在基础实验中，教师主要引导学生理解相关理论及建立装置的方法，正确使用装置和处理分析实验数据，鼓励学生选修针对该问题的更复杂的综合性实验及对实验进行改进的创新性实验。2）利用虚拟仿真实验平台。学生就业的一个重要方向是飞机复合材料结构检测与维修，为此教学团队开发了复合材料维修虚拟仿真实验，不仅可以在计算机上重现结构检测与维修的整个流程，还可以获取预设的真实实验数据，从而将模拟值与实现值进行对比，解决了现场实验成本过高而虚实结合无法进行的难题。3）利用现有装置改进后的装置。课程结束时，每4 ～5 人为一组，需要完成一个具有复杂工程背景的虚实结合项目，即结课大作业。学生自由组队、自拟题目，利用现有装置的改进开展创新性研究。整个实践过程要求学生忠于事实，严禁抄袭和数据造假，鼓励学生与他人合作解决问题，培养其脚踏实地的实干精神和团队合作精神。

2.4 大作业与竞赛及毕业设计协同

课程的虚拟仿真及实验验证方法有助于学生参加“大学生数学建模竞赛”“大学生物理实验创新赛”“挑战杯”“互联网+”等各类比赛，教学团队鼓励学生将感兴趣的竞赛内容作为大作业，并在后续毕业设计中继续完善，从而对问题进行深入研究。课程中关于热变形的大作业曾获得2021年全国大学生物理实验创新二等奖。

2.5 终结性考核与形成性考核协同

由于教学内容相对分散，集中闭卷考试又很难覆盖到各知识点，因此学校变终结性考核为终结性考核与形成性考核相结合，考核要求细化到每个知识点并具有可操作性，使学生有目的地学习，也便于教师对学生的学习效果进行准确评估。

学生总成绩由平时成绩和结课大作业两部分组成，其中平时成绩包括小测验（占15%）、课堂讨论及回答问题（占15%）、虚实结合作业和实践报告（占40%）。结课大作业要求每个团队提供项目的全部资料，包括方案设计、详细设计、虚拟仿真程序、实验装置、实验测试结果及数据分析、项目进度表、项目预算及执行情况、项目管理报告，每个人针对自己负责部分进行汇报并接受同学及教师的质疑，教师则按照考核细则对每个项目给出分数。在成绩评定过程中，对抄袭、学术不端等行为零容忍，实行一票否决，对实事求是、勇于探索的学生则实行倾斜加分。

教师通过对全体学生各项成绩的汇总，并与教学目标对比获得该课程的达成度，学生也可以知道自己在哪些方面存在不足，需要加强。这有利于为后面的大学生创新创业等课外项目或毕业设计活动补足短板。

3 OBE理念下育人模式效果

通过上述改革，学生的出勤率显著提高，学习方法从以被动记忆、生搬硬套为主转变为以主动思考、提出问题、分析问题、解决问题为主，作业的思考深度、完成质量明显提升，普遍较好地掌握了有限元等数值模拟技术及实验验证方法。

此外，笔者还定期对毕业生进行回访，检验其获得的能力是否在工作中发挥了作用，哪些方面还需要改进，同时参照课程达成度分析、学生评教分数、问卷调查情况对课程目标和教学内容进行修订和完善，不断提高教学水平。经过两学期的教学实践，学生对课程的评教成绩较以前提高近2%。

4 结束语

基于OBE 理论，融入课程思政，以课程目标为导向，通过开发具有工程背景的教学案例及实践教学平台，实现了课程的虚实结合教学，开设了基础性实验、综合性实验和创新性实验以及结课大作业项目，锻炼了学生的创新能力和团队合作能力，弥补了课程缺乏实践环节的不足。同时采用线上线下协同教学、课程内容与学科竞赛和毕业设计一体化教学，引入多元考核体系，根据课程目标达成度分析及毕业生反馈情况等，不断完善课程教学，形成教学体系的闭环，从而构建了“一条主线、两个重点、五个协同”的课程育人模式，取得了一定效果。