OBE教育模式下的应用型课程教学改革研究

何业增 陈正 徐杰 吉喆

摘  要：计算材料学是一门跨学科课程，其所具有的理论性和应用性特征无法有机统一，使得“学以致用”的教育目标难以实现。文章试图将基于学习结果和产出为导向的OBE教育理念引入计算材料学课程，并结合学生自身科研课题来优化和筛选教学内容，改革教学方式方法，提高学生学习动力，帮助学生更快更好地进入研究课题。

关键词：计算材料学；OBE教育模式；教学改革；研究生教育

中图分类号：G420    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2023）11-0145-04

基金项目：中国矿业大学研究生教育教学改革研究与实践项目“基于‘课堂+课题二元载体的研究生课程教学改革实践——以计算材料学为例”（项目编号：2021Y02）。

作者简介：何业增（1987—），男，博士，中国矿业大学材料与物理学院副教授，研究方向为亚稳材料设计制备及性能；陈正（1980—），男，博士，中国矿业大学材料与物理学院教授，研究方向为新金属结构材料及成形；徐杰（1978—），女，博士，中国矿业大学材料与物理学院副教授，研究方向为金属焊接有限元数值模拟；吉喆（1981—），博士，男，中国矿业大学材料与物理学院副教授，研究方向为塑性成形技术及微观机理。

国家《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》指出，要“分类建设一流大学和一流学科，支持发展高水平研究型大学。建设高质量本科教育，推进部分普通本科高校向应用型转变”。近年来，中国矿业大学在“强工、厚理、精文、拓医，育新”的学科布局和发展思路基础上，积极贯彻落实国家和教育部实施的研究生培养机制改革文件精神，不断加大研究生培养机制改革力度，把研究生教育作为建设研究型高水平大学的重要突破口，不断完善学科体系，提高教育质量，促进内涵发展，逐步形成了研究生教育教学水平和创新能力稳步提升的良好局面。但也面临着新的挑战，如研究生创新能力、实践能力及解决问题的能力等仍总体偏弱；教学和科研实践环节联系不够紧密，是课程实施中的软肋；课程作为人才培养核心要素的强化建设未得到足够重视等。

OBE（Outcome Based Education）教育模式是一种“以结果定胜负”“以成败论英雄”的教育模式［1］。该模式以学生实际需求为导向，注重教育效果，教育目标变得更加明确，教育内容更加务实，教学方法更加系统，考核方式更加灵活［2］。当今高等学校的教育改革和人才培养面临着新的目标和挑战，既要适应国家教育环境，满足国家教育战略的要求，又要抓住发展机遇，加强创新型、应用型人才的培养。因此，能够有效推动应用型教育改革、提高应用型人才培养质量的OBE理念在全国理工科院校引起了广泛的关注。

计算材料学是一门快速发展的交叉学科，通过结合材料科学和计算机科学，实现材料科学研究中理论和实验之间的连接。学习计算材料学课程能够培养学生良好的思维能力，使他们能够进行模拟实验，从理论上设计新材料，预测其特性，最终实现有效制备［3］。将OBE教育模式引入计算材料学课程有助于激发学生的学习兴趣，该模式强调以学生的学习结果为驱动力，而这又导致了教育活动和评估标准的设计。教师在OBE教育理念的指导下能够进一步优化课程内容和环节，更新教学方法，重视对学生学习成果的评价，提高教学质量。

一、课程教学现状分析

计算材料学课程是中国矿业大学材料科学与工程专业硕士研究生的一门专业课程，学习该课程有助于材料类专业学生更加深刻地理解“组织—结构—性能”本构关系，掌握并应用计算材料学于科研，能大大缩短研发周期、降低研发成本、提高科研效率。传统的灌输式教学中，教师所讲授内容虽涉及前沿研究进展，但仍然是通过第三方资料进行的“二手讲授”，学生被动接受知识，没有足够的思考时间和理解空间，易使学生失去对学习的兴趣与热情［4］。

（一）高等院校对计算材料学课程重视程度不够

计算材料学是中国矿业大学近年来新设立的专业性课程，目前缺乏系统合理的课程体系和人才培养模式。对于以矿业为专业特色的工科背景院校，学校对理学类专业课程如计算材料学的学分学时分配、专业课重要性定位等缺乏足够重视，导致材料类专业学生轻理重工，对部分听起来较难的选修性专业理论课程望而却步，使得历年计算材料学课程选课人数偏少，并呈下降趋势。

（二）教学内容模糊不清

作为材料类研究生专业的课程之一，计算机材料学课程在教学过程中存在一些问题。长期以来，学校按照传统的学科导向的逻辑思维模式和技术路线来设置和开发课程，造成了应用型教育的两个严重脱节：首先，培训目标和社会需求之间存在脱节；其次，课程设置与培养目标之间存在脱节。尽管内容很丰富，知识结构也很系统合理，但学生却依旧很困惑，因为他们不知道这些知识和理论究竟可以用在哪里，也不知道如何在自己的科研課题中运用这些知识。因此，他们常常失去学习的兴趣和动力。要解决这些问题，就必须改革教育目标和内容，制定明确的教育目标，将教育内容与学生的主题紧密联系起来，使学生能够理论联系实际，不仅要死板地应用所学知识，而且要灵活地应用于现实世界。

（三）“灌输式”教学

本课程主要以传统的教师课堂教学为主导，采用讲授法的教学模式，课堂可控性强，便于传授知识，但另一方面，忽视了学生才是教学的主体。教师在讲台上教授理论知识并以一些通俗的案例指导学生学习，但是无法确定学习内容是否对学生的科研课题有用。枯燥的理论知识学习，学习自己课题用不到的软件，在很大程度上限制了对学生自主学习能力和创新精神的培养，减少了学生学习的热情。

二、计算材料学课程教学改革研究

本着“理论与实践深度融合、强化研究生科研创新能力培养”的教学改革宗旨，本研究制定了课程教学改革总体方案，如图1所示。

（一）优化教学内容

第一原理计算、分子动力学、蒙特卡洛法、相场法和有限元方法等是计算材料学研究的主要方法。由于授课时间和学生知识面有限，这些研究方法不能一一详细学习。OBE教学理念允许教师从研究生自身研究课题出发设定学习目标，并对原有的教学内容进行优化和改进。根据各研究方法的特点和实际教学情况，将内容分为电子尺度、原子尺度和宏观尺度三类，并将每一类分为若干模块，从中选择有代表性的模块，对相关研究方法进行详细教学。

电子尺度可以第一性原理方法为代表，在大多数情况下是基于物质的内在物理常数，物质基态的基本属性可以在没有经验参数的情况下计算出来。该方法的便利性和准确性主要表现在只需要通过三个简单的步骤就可以得到实际结果的近似值：输入原子构型、编写能够完成研究目标的输入文件、选取合适的赝势和K-points。通过学习电子尺度的理论知识，掌握软件的基本操作后，学生可根据自己的科研课题进行深入练习。

原子尺度方法主要包括分子动力学、蒙特卡洛模拟等。其中，基于牛顿力学的分子动力学方法最具代表性。分子动力学是一系列的分子或原子，在势场的作用下以牛顿力学为基础进行运动，从而计算出体系原子随时间以及外部环境的变化轨迹，然后用来进一步计算体系的势能、动能、温度、强度、熔点等宏观属性。分子动力学可采用NPT、NVT、NVE等系综来模拟周围环境，在计算宏观特性时比蒙特卡罗法更简单、更准确，在计算微观特性时比第一性原理计算体系更大，可广泛用于材料科学、基础科学、生物医药等领域。通过分子动力学方法，学生可以在微观层面上了解材料的内部反应机理，并将其运用到自己的研究生課题方向上。

在宏观尺度上，教师可以引入相场法和有限元分析。相场法以Ginzburg-Landau理论为物理基础，主要针对材料组织相变过程，通过设置基于特定物理机制的微分方程，然后以编程或商业软件进行求解，可以确定整个系统在不同时间和空间时的瞬时状态。当使用有限元方法求解时，整个问题域通常被离散为若干个子域，每个离散域被看作立单元，这些离散单元由节点连接。每种单元都设置了相应的属性（例如刚度方程）来描述变形状态或过程。各个单元的属性可以合成整个结构的属性，通过矩阵求解可以得到整个工程问题的接［5］。

（二）改革对策

1. 提高院校对计算材料学课程的重视。认知强度直接决定改革成效。在课程改革工作中，首先，要加快提升计算材料学课程的教学质量，不仅要做到平稳有序地传授课堂知识，更要注重学生学习兴趣的培养、学习能力的锻炼以及综合素质的提高。其次，学校应牵头组织专家学者、教育经验丰富的教师开展科学研讨，对计算材料学教学大纲、教学计划等内容进行全面改革，积极构建合理的教学方针。最后，适当提高计算材料学课程在学生选修课程的学分比重及课时分配，并加强对课程内容的重要性宣传，从而调动学生学习的热情。

2. 理论和实验相结合。计算材料学是一门非常抽象的理论学科，但传统的教育模式强调知识，忽视了对学生动手能力的培养，教师简单地讲解理论和教授通俗案例，最终导致学生知其然而不知其所以然，从而难以激发学生的学习动力。因此，教学通过模拟将理论与材料问题的实验研究相结合，以提升学生学习动力。在理论和实验二合一教学环节中，学生一定是教育过程的主体，教师则是指导者，为了研究材料结构及性能的目的，选择和实施适当的计算模拟方法，实现真正意义上的教和学同时进行。这不仅能使学生积极参与到课程教学中，而且有助于培养学生的发散性思维和解决问题的能力。

3. 课题驱动法。研究生根据学科方向选择合适的软件进行学习，教师则承担起引导科研思路和教授模拟方法的作用。研究生结合自己的课题方向，参考文献资料，确定计算思路和方法，然后利用软件进行结构建模，设定目标参数和求解步骤，最后整理分析结构数据，得出研究结论。通过积极参与科研项目的实际操作过程，从参考文献、申请项目、设计方案，到操作软件、分析结果并与实际情况进行比较，甚至撰写项目论文，研究生在每个阶段都有助于提升自己的科研能力。这样既能让学生把学到的理论知识运用与实际相结合，又培养了学生的创新思维能力，提高了他们的科学素养。学生参与和研究课题密切相关的实验项目，为他们日后毕业融入科研团队奠定了坚实的基础，提升了学生的积极性。

4. 开展研究性教学。计算材料学课程结合实验和理论，是材料科学领域的一个新兴研究方向，特别适合于研究性教育。研究性教学强调学习的独立性、实践性和探索性，培养学生的学习、研究和创造能力。通过将研究性教育的概念应用于计算材料学课程，理论与实践紧密相连，引导学生将所学的计算材料学方法应用于分析和解决具体的材料研究问题。学生根据研究课题进行分组，可以从陶瓷材料、新能源材料、金属材料、储能材料等各个方向选择切入点，进行模拟研究。学生查阅所选课题方向的相关文献，了解所选方向的最新研究进展，在小组成员之间进行交叉参考和讨论，并综合讨论结果，制定实验主题。教师分析所选课题的可行性，并根据学生PPT汇报时出现的问题提出修改意见。在课堂结束时，每个小组根据讨论中确定的方案完成模拟，并在课堂上继续用PPT展示模拟和分析的结果，最后在教师的指导下，对剩余的问题进行阐述和处理，并将对模拟问题的分析和讨论得出的结论作为报告提交。

5. 构建课程网络学习平台。学生可以在自己的笔记本电脑上安装计算软件，并登录到教师的计算服务器上，通过互联网对外访问提交计算作业。在课堂上学习后，学生可以利用课外空闲时间继续深入学习，并在下一堂课上通过云服务器展示他们的研究成果，确保课堂和课外时间得到充分有效的利用，激发学生的学习热情。教师和学生可以使用现代通讯工具，如电子邮件、聊天软件或在线会议，在网上进行答疑和交流专业知识。

6. 创建多元化考核评价体系。传统的评价方式是以学生的期末考试成绩为主，但是并不适用于计算材料学课程。引入OBE教育理念后，通过细化实验考核内容，采用多样性的考核评价方式衡量学生实际学习效果，在教学过程中及时检验和记录。考核评价要充分考虑成果产出，包括模拟条件的设置、模拟过程的安排、模拟结果的分析，从而能够充分反映学生在学习过程中的多元化表现［6］。放弃单一的考试方式，转而采用注重学生学习过程整体性的能力评估，将学生的学习目标、学习态度、学习能力、课堂态度和学习成果等整体特征纳入评估。以成果为引导的OBE评价体系，让学生在整个评估过程中发挥主导作用，提升了教学过程中的学习动力及学习效果。学生在学习过程中自我评估、反思，不仅有助于学生对知识和技能的掌握，更有助于培养其良好的学习习惯和科研态度。整个学习过程中，不同的学习成果有不同的考核标准，制订多元考核标准，促使学生完成不同学习目标下的学习成果。

三、结语

OBE 教育以学生为主体，以结果为导向，是对传统教育理念的一种创新，在新时期的应用型教育中应借助这一教育模式。在OBE教学模式的指导下，本研究开展了计算材料学课程的教学改革，结合学生科研课题，优化和定制教学内容，改变传统教学方法，变换教学手段，合理设置课程评价方式。这一系列的措施对于促进课程教学的发展，调动学生学习计算材料学课程这一抽象的理论课程的积极性和兴趣具有重要意义。在计算材料学课程建设中引入OBE理念的探索和改革，明确和强化了课程教学过程中教师引导和学生主体的作用，帮助学生更快更好地进入自己的研究课题，激发其学习潜力，锻炼其科研和实践能力，这将有助于建立高质量的教育系统和引领人才高质量培养，为培养理论基础扎实、技术能力过硬的“具有良好创新能力的应用型、复合型高层次工程技术”人才提供有力支撑。

参考文献：

［1］ 张男星，张炼，王新凤，等. 理解OBE：起源、核心与实践边界——兼议专业教育的范式转变［J］. 高等工程教育研究，2020，182（03）：109-115.

［2］ 杨华. 基于OBE教育理念的大学英语读写课程教学改革——评《学习成果导向高等（职业）教育专业与课程开发指南：基于OBE专业（群）认证与高水平建设》［J］. 中国教育学刊，2022（05）：145.

［3］ 郭丹，金剑锋，王明涛，等. 新工科背景下计算材料学实验教学改革与实践［J］. 实验室研究与探索，2022，41（03）：181-186.

［4］ 湛永钟，聂娜，黄金芳，等. 计算材料学课程的教学改革与实践［J］. 大学教育，2016，74（08）：155-156.

［5］ 刘翠霞，吕志刚，马志军. 基于OBE教育理念的《计算材料学》创新教育模式探索［J］. 广州化工，2021，49（12）：190-192.

［6］ 窦晓波，黄学良，胡敏强. 以“学习产出”理念制订电气工程专业人才培养方案［J］. 电气电子教学学报，2010，32（S1）：1-4+12.

（责任编辑：罗欣）