面向专业人才培养目标的材料力学一流课程建设1)

祝 捷 周宏伟 左建平 王宏伟 刘德军 薛东杰 李明耀

(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京100083)

2016年6 月，我国成为国际本科工程学位互认协议“华盛顿协议”的正式会员。“华盛顿协议”有两个突出特点：一是着重基于学生学习结果的标准，二是强调工业界与教育界的有效对接。“华盛顿协议”大多数成员国(或地区)采取成果导向教育(outcome based education，OBE)，即将学生表现作为教学成果的评量依据，以促进专业持续改进作为最终目标[1]。2019年10月，教育部颁布“关于一流本科课程建设的实施意见”，指出课程是人才培养的核心要素，以目标为导向加强课程建设。OBE理念和一流课程建设的目标是一致的[2]。

中国矿业大学(北京)以理工为主、以矿业与安全为特色，在煤炭能源的勘探、开发、利用，资源、环境和生产相关的矿建、安全、测绘、机械、信息技术、生态恢复、管理工程等领域形成了优势品牌和鲜明特色。材料力学重点传授变形概念和变形体的力学知识，具有非常悠久的学科历史[3]，是学校采矿工程、安全工程、土木工程、工程力学等17个专业本科生的学科基础课，课程依托“工程力学”国家重点学科和教育部、北京市特色专业，借助“煤炭资源与安全开采”国家重点实验室、北京市高等学校实验教学示范中心、国家自然科学基金创新群体等科研优势，充分利用教学团队承担的国家重要能源领域科研项目，如国家重点研发计划、国家973项目、国家自然科学基金项目等取得的重要研究成果作为教学资源。经过长期的教学实践和改革，2020年中国矿业大学(北京)材料力学课程获批首批国家级一流本科课程(线下一流课程)。

本文深入分析了材料力学课程建设面临的教育教学理念、专业培养目标和学生学习动力等方面的挑战，详细阐述了教学团队探索并实践OBE理念下双闭环教学模式，以及应用多维度教学质量评价手段提高学生学习成效、保障专业目标达成的情况。

1 课程建设面临的挑战

1.1 转变教育教学理念

“华盛顿协议”包括的12条毕业生素质不仅要求工程知识、工程能力，而且强调沟通、团队合作等方面的通用能力、品德伦理、工程伦理和社会责任感。用人单位对毕业生的品德、沟通、团队合作等方面的能力也非常关注。我国传统教学理念以教为中心，非常重视“如何教”，对学生真正学到了什么关注较少，工程教育注重学生的工程知识和技术能力，对沟通、团队合作、工程伦理等方面重视不够。教师教得多、资源投入多，但学生的实际收获往往并不大，因此要改变以传授知识为主的传统教育理念。

“关于一流本科课程建设的实施意见”提出，推动课程思政的理念，确立学生中心、产出导向、持续改进的理念，以新理念引领一流本科课程建设。课程建设要坚持导向性和专业性，符合学校定位，满足区域经济发展，体现专业定位和优势。OBE理念以学生产出作为驱动教育系统运作的动力，与传统的内容驱动和重视投入的教育理念形成了鲜明对比[1]。实践证明，以学生为中心，关注学生能力提升的OBE理念是值得关注和借鉴的教学理念[4]。

1.2 达成专业培养目标

中国矿业大学(北京)采矿工程、安全工程、土木工程、工程力学等17个专业将材料力学作为学科基础课。不同专业的人才培养方案对材料力学课程的定位存在差异，学校分层设置了不同学时的材料力学课程，以及涵盖静力学和材料力学知识的工程力学课程。表1显示了不同专业设置的材料力学课程基本信息。

表1 材料力学课程的设置情况

要达成不同专业的人才培养目标，课程建设必须答好与人才培养目标对应的一系列问题，例如授课对象的专业人才培养目标是什么？课程在专业课程体系中的定位如何？怎么实现课程教学与专业目标的关联？如何支撑毕业要求指标点的达成？制定课程大纲和设计教学方案时，必须将专业人才培养方案要求的相关指标点落实到课程的教学目标、教学内容、进度安排和考核方式中。

1.3 调动学生学习动力

课堂教学是实践课程建设的主渠道，课程质量和学习成效是一流课程最关键的要素[5]。学生的学习动力是教学活动达到预期效果的前提条件[6]。从应然状态而言，老师教、学生学是天经地义的，但实际状态可能是老师教、学生未必学，学习没有发生或者说没有真实地发生[7]。师生共享课堂，教学才有“灵魂”。学生想学、愿意学，才能得到理想的学习效果。

教学活动要坚持以学生为中心，调动学生的学习动力。学校教学任务的设置和教学安排必须符合学生的成长规律、认知规律、脑发展规律、身体成长发展规律。教师要采取合适的教学方法、考核方式和评价标准等，促进学习成果产出。尤其对于理解课程知识有难度的学生，教师要在时间、方法、表现等方面制定灵活的教学方案，帮助他们达成专业要求的培养目标。

2 课程建设实践与成效

2.1 课程建设目标

课程建设目标应按照国家专业课程质量标准和专业认证标准的要求，充分考虑人才培养方案对课程的定位和需求[8]。表2显示，采矿工程、机械工程、工程力学专业的材料力学课程学时相同，但是上述专业人才培养方案中材料力学课程支撑的毕业要求指标点有一些差异。其中机械工程专业强调掌握力学基础知识，具有分析相关问题的能力，工程力学和采矿工程专业明确提出了2个层次的要求：①掌握力学的基础知识和基本原理；②能够建立模型，分析复杂工程问题。

表2 专业对材料力学的课程定位

根据OBE教育理念[9]，课程教学必须与毕业要求指标点形成对应的支撑关系[10]。中国矿业大学(北京)材料力学教学团队在深入分析相关专业人才培养方案的基础上，明确了不同专业的人才培养目标，确定了“以学生为中心、支撑毕业要求指标点”的课程建设目标。

2.2 践行OBE理念的教学模式

课堂教学是课程建设的“最后一公里”。材料力学教学团队根据OBE理念“反向设计、正向支撑”的特点，在明确课程与毕业要求指标点支撑关系的基础上，探索并实践了三阶段、八步骤的“双闭环”教学模式。三阶段指课前、课中和课后，八步骤是指师生教学活动可分成8个步骤。

“双闭环”教学模式以学生为中心，图1内环显示学生“学”的8个步骤，从课前预习开始，学生学习过程分成课前(课前预习、阅读探究)、课中(展示分享、知识学习、讨论测验)和课后(完成作业、自主学习、评价总结)。图1外环为教师“教”的8个步骤。教师的课前活动包括学情分析、教学设计和资料发布；课中包括课题导入、知识精讲和互动启发；课后主要是批改点评和课后辅导。学情分析是教师课前活动的核心，是按照专业人才培养目标，针对性设计教学方案的关键步骤。评价总结是学生自我评价反思、提升学习效果的关键环节，也是学生反馈教学质量、促进教师改进教学的重要步骤。

图1 “双闭环”教学模式流程图

随着“互联网+”时代的到来，课堂教学过程成为一个教与学融合、交互作用与影响的动态过程[11]。师生教学互动从课堂延伸到课外，学生在学习的全过程都具备和老师互动的条件。图1内外环之间箭头所示路径为师生教学互动的4种途径：

①(教师)资料发布→(学生)课前预习、阅读探究→(教师)课题导入→(学生)展示分享

②(教师)知识精讲→(学生)知识学习→(教师)互动启发→(学生)讨论测验

③(学生)完成作业→(教师)批改点评→(学生)自主学习→(教师)课后辅导

④(学生)评价总结→(教师)学情分析→(教师)教学设计

教学互动①②由教师在课前和课中发起，目的是给学生输入知识、启发学生独立思考。以教学互动①为例，我们借助信息技术，针对学生专业背景在网络平台上发布课前预习题，引导学生在课外多看一些资料。城市地下空间工程专业本科生学习“曲杆内力图”章节的预习题是地铁隧道受什么形式的载荷作用？整体式隧道衬砌什么位置最危险？采矿工程专业学生学习“弯曲应力”章节的预习题是煤矿井下工作面采场上覆岩层(图2(a))可能形成什么结构？通过查阅文献，学生发现了我国矿山压力与岩层控制领域专家钱鸣高院士曾提出承载层“砌体梁”模型[12](图2(b))。“砌体梁”模型是采矿工程中弯曲理论应用和发展的典型案例，本科生从“砌体梁”模型中获得的不仅是学科知识，更多的是专业归属感和矿业“文化自信”。除了“砌体梁”，教学团队充分发挥学校矿业与安全的特色优势，将采矿工程等领域的关键科学问题转变为探究型教学案例，如煤矿井下钢管混凝土墩柱(简化为轴心受压构件)截面设计的依据是什么？煤层开采后，坚硬顶板发生悬露和下沉，哪些因素会影响顶板初次断裂时的悬露极限跨度？为什么矿震导致原本处于稳定状态的支护结构发生失稳？学生通过讨论和分析这些案例，体会到材料力学在解决实际复杂工程问题中的重要作用。

图2 开采后岩层活动状态及承载层的“砌体梁”结构模型[12]

教学团队将力学学科的人文元素引入课堂教学，将知识模块通过历史人物或故事串联起来，促进生动活泼的课堂氛围和师生互动，增加了材料力学的课堂魅力。专业教育与课程思政高度融合的教学方法深受广大学生的欢迎。实践证明，以专业人才培养目标为导向的课堂教学拉近了师生之间的心理距离，爱听材料力学课的学生多了，学生的学习动力、课堂参与度和师生互动次数等都有了明显的提升。

爱因斯坦说过“人的差异在于业余时间”，材料力学的课后互动是个性化的。教师不仅给理解课程知识有困难的学生答疑，还要满足不同专业背景、不同学习能力的学生需求。针对采矿工程、工程力学专业目标要求的“针对具体工程建立力学模型”，我们在教学互动③布置一些与专业背景相关的自主学习任务或者发布一些与专业相关的力学建模资料，引导学生结合课程知识，深入思考专业中的力学问题。从学习成效来看，个性化的课后互动不仅有利于教学目标的达成，而且促进了多样化的成果产出，例如有的学生在老师指导下参加“互联网+”创新创业大赛获奖，有的学生和老师合作开展研究、发表学术论文或申请专利等。

教学互动④是指教师结束一次课，进入下次课之前，可以从网络平台上接收学生评价反馈的信息；通过分析学生的质量评价反馈信息，针对性调整教学方案，争取下一次课达到更加理想的状态。OBE理念下的双闭环教学模式强化了教学互动，以“螺旋钻进”的方式瞄准教学目标、动态分析学情和持续改进教学，切实保障了学生学习成果的产出。

为了提升学生的沟通能力和批判性思维，教学团队采用启发诱导式教学法，使学生成为提问的主体，培养学生发现问题的能力。以“弯曲正应力”的课堂教学为例，教师首先列举身边的弯曲现象或实际工程中的弯曲构件，引导学生透过现象探究弯曲变形特征，在此过程中学生发现了梁横截面上各层纤维变形是不均匀的，并进一步提出为什么梁的横截面上各层纤维变形不均匀呢？根据纯弯曲实验现象，教师带领学生理性建立假设，先后引入几何关系、物理条件和静力学方程，以板书的方式逐步推导弯曲正应力的计算公式，发现横截面上不均匀的应力是导致其不均匀变形的原因。值得一提的是，教师采用启发诱导式教学法的过程中，不仅引导学生掌握质疑、分析、推断、创新等批判性思维技能，而且培养学生勤学好问、理性判断、刻苦钻研等精神品质。

2.3 OBE理念下的教学质量评价

OBE要求学习产出、教学活动、质量评价三方面统一起来，形成整个教学体系[4]。教学团队在“双闭环”课前、课中和课后教学活动中设置了2类、5个质量评价点(图1红字标注教学步骤设有质量评价点)，持续关注学生学习成效和课堂教学质量，尤其是课程对学生目标能力和素质的培养情况。

(1)第1类质量评价点关注学生的“学”。在课中“展示分享”环节，教师评价学生课前预习效果，判断学生的学习状态是否达到教学设计要求；“讨论测验”环节，教师重点关注学生的课堂表现，评价学生的学习动力；课后“批改点评”环节，教师通过批改和点评学生作业，判断学生掌握的知识和技能是否达到本次课的教学目标。除了关注学生的期中、期末考试成绩以外，教师根据上述质量评价全程关注学生的学习状态。对于学习效果未达标的同学，教师可以加强课后辅导，及时帮助学生利用课后时间完善提高。

(2)第2类质量评价点关注教师的“教”。在课中“知识精讲”环节，教学督导和同行专家听课对教师的教学态度、教学内容、教学方法和教学效果进行综合评价；授课对象的专业负责人从本专业人才培养目标出发，评价课程对毕业要求指标点的支撑程度，判断教学质量是否达到了本专业关于知识、能力和素质的人才培养要求。在课后“评价总结”环节，授课对象(学生)对课程在价值引领、知识传授、学科前沿、课后辅导和学习成效等方面进行评价。

通过上述教学质量评价方案，教学团队能够精准定位课程教学存在的问题，在以后的教学中针对学习效果不达标的部分进行查漏补缺，适当调整教学方法和进度安排，保障教学目标的达成。

我们调研分析了1263份来自工程力学、采矿工程、土木工程、安全工程等专业本科生的教学质量评价问卷(2019—2020学年)。统计数据显示学生对材料力学课程的综合满意度大于96%。在价值引领、知识传授、学科前沿和课后辅导方面，学生给出的A类分(非常满意)占比分别为96.1%，86.2%，82.8%和82.3%，其中采矿工程、工程力学、土木工程和城市地下空间工程专业学生对教学满意度最高。测绘工程、遥感科学与技术专业的学生对于了解学科前沿知识和课后辅导方面给出的A类分(非常满意)占比均为64%，B类分(满意)占比分别为29.5%和32.4%，总体满意度超过93%。测绘工程、遥感科学与技术专业的学生对教学效果总体上是满意的，但是在了解学科前沿知识和课后个性化辅导方面还有需求。问卷显示95.2%的学生认为已掌握材料力学课程的全部内容或大部分内容，可见绝大部分学生对材料力学课程的学习成效是认可的。

3 结论

中国矿业大学(北京)材料力学教学团队在OBE理念指导下，积极开展课程建设；通过专业人才培养目标“反向设计”教学方案，明确课程的学习产出；采用双闭环互动教学模式，结合多元化质量评价，保障课程对毕业要求指标点的有效支撑。教师以学习产出为导向，合理配备与专业目标对应的教学资源、灵活设计教学方案、提升教学质量。学生掌握力学知识的同时，提高了分析专业相关力学问题的能力。实践证明，培养目标为导向的材料力学课程教学有效提升了学生的学习动力、沟通能力和批判性思维，促进了个性化学习成果的产出。