OBE教学模式下的高校机械专业课程教学实践——基于“材料分析测试方法”的探索

苏 鑫

(沈阳大学 机械工程学院, 辽宁 沈阳 110044)

作为我国工程教育发展的重要理念,“新工科”教育这一概念近年来被众多高校接纳。毕业生的综合素质如交叉专业知识、创新创造能力等,已逐渐成为我国企业新的人才需求[1]。这对高校本科教育是一种激励和促进,要求毕业生在理论教育的前提下,兼备分析、解决工程实践问题的能力。在“新工科”概念的影响下,注重学习成果产出的工程教育,即OBE(outcome-based education)模式,由Spady等人提出,这对高校本科专业知识、专业能力、专业素质的培养起到积极的促进作用[2]。虽然国内有许多高校积极主动地引入OBE工程教育理念,然而目前仍处于实践摸索阶段,成果较少。本科毕业生对其专业领域和专业相关工作等许多环节仍然存在迷惑和误解。毕业后,学生在短时间内适应其工作环境的能力较弱,工作过程中缺乏创新思路和实践经验等。可见,国内高校教育的新模式有待与实践的磨合及进一步的改善。

工程教育专业认证的关键之一是加强目标导向,深化课堂教学改革[3-4],这要求OBE教育理念参与和融合到教育教学的各个阶段环节之中。凡是能够积极激励学生参与学习、投身实践创新等的教育模式,教育者应该引入OBE工程教育理念到实际的教学环节之中(见图1)。因而,“以学生为教学中心”的翻转课堂模式,更能够彰显OBE工程教育的优势[5-6]。以人才培养为中心的普通本科高等学校,在积极倡导OBE教学模式的同时,能够持续改善课程教学效果、不断地提高本科人才综合素质和培养质量,已成为高等教育改革中的重要课题之一[7]。

图1 基于OBE工程教学理念的教学闭环机制

本文以沈阳某高校机械工程学院的“材料分析测试方法”课程为例,将OBE教学理念和实践相结合,通过阐述实际教学及考核效果,提出教学环节的改善角度和不足之处,为进一步深化OBE本科教学模式提出有效的措施等。作为普通本科高等学校材料成型及控制工程专业重要的专业基础课,希望对该课程OBE教学模式的研究,能为其他工程类专业课程提供教学理论和实践数据的参考。

一、课程传统教学特征分析

“材料分析测试方法”课程对学生跨学科知识的融合能力要求较高,开设在本科大三阶段[8]。结合课程内容、实践环节和课程评价角度,本课程传统教学的特点体现在三个方面。

1.课程内容的难度高

本科专业课程要求学生不仅具备较完善的专业素质,还要具备较清晰的材料学领域的专业知识。理论授课不仅要求学生掌握材料检测设备结构,而且需要具备基础的操作常识。“材料分析测试方法”课程涉及多个学科知识的交叉融合,如固体物理学、电工学和材料科学等专业知识。课程章节具有难度递进、跨学科知识点交叉密集、专业领域覆盖面广等特点。学生的不适应往往体现在理论难度较高、记忆困难等方面,另外,课程难度高导致学生的听课专注力下降。引入历史人物如伦琴、布拉格父子、得拜及爱瓦尔德等科研学者对学科的巨大贡献和科研轶事等,虽能缓解学生学习疲劳,但从最终考核成绩方面来看,效果并不明显。因此,课程内容的优化应集中应体现在授课内容的拓展上。

2.实践环节的单一

“材料分析测试方法”课程大多是每一个章节对应着一种材料检测手段和设备。教学大纲要求学生熟悉并掌握材料检测设备的结构、检测方法及分析步骤等。尚未接触科研实践和数据分析的本科学生,对于检测设备结构的形象记忆存在偏差、错误等,进而对于检测方法及分析步骤的记忆痕迹薄弱,甚至匮乏。本科学生对每一种检测设备和检测方法的第一印象尤为重要。结合《汽车零部件综合实训》中的材料检测环节的辅助学习及该课程的后续实践环节是大四的毕业设计。实践发现,学生对于金属微观组织的观察、材料性质的定性和定量评估等,仍存在感觉单调乏味、理解深度有待挖掘等问题。可见,提高学生科学研究兴趣,明确学习目的和研究意义是提高学生课程内容理解力的关键,因而丰富实践内容、设计竞争机制和补充激励形式等值得在课程实践中尝试。

3.评价方式的局限

传统的评价方式集中体现在对于原理性内容、概念和设备结构等方面的记忆掌握,而对于大纲要求范围内的工程问题的分析、检测方法和设备检测等方面的内容涉及较浅,难以实现对考点的全面覆盖。考核方式以理论考试和课堂变现为主,考核比例设置为7∶3。卷面考试更多反映了学生的短期记忆能力,忽略了理工科学生擅长独立思考和理解力强的特点;而学生的课堂表现力、专注力等更多地依赖于教师对学生听课状态的判断,以主观性评价为主。在新的教育观念下,学习的动力和主动权更应该交给学生群体。庞大的学生群体具备思想开放性、学习务实性和兴趣多样性等特征,因而在课程评价和考核上应努力迎合学生群体的不同要求。

二、OBE工程教育教学模式的引用

OBE模式认为,教育从业者应该明确设定毕业生在毕业时能够达到的能力和水平,并且根据设定的目标设置合适的教育结构以确保学生能够达到这个目标[9]。这种教育模式同样也被理解为当代教育最具代表性的改革[10]。表1为OBE工程教育理念与传统教育理念在教学过程中各环节间的区别。

表1 OBE教学模式与传统教学模式之间的区别

目前,国内关于OBE教学模式的改善主要集中于教学大纲的改进、教学环节的重新布置、教学方法的设计和评价考核方式的完善等[11]。这些教学环节的变化,在很大程度上注重学生的自学能力和自我关注,提高了学生在课堂教学中主观能动性的发挥。然而,在OBE教学模式的改善过程中出现的潜在问题不容忽视。例如,在以学生为中心的教学过程中,教师的引导显得非常重要,教师的潜在工作量也会成倍增加;再如,OBE教学目标的设定涉及该专业领域的诸多方面,课程评价标准需要结合该课程的指标点,同时达成该课程的目标量化水平。因而,多角度综合评价课程目标的合理制定是检验OBE教学模式效果的重要参考标准。这些在教育环节设计上需要仔细考虑并加以解决。

三、基于OBE的教学模式设计与初步实践

1.教学目标和教学环节设计

本科材料成型与控制工程专业是机械工程和材料科学与工程等多学科的交叉融合, “材料分析测试方法”课程重点讲授X射线的基本性质及X射线衍射仪结构、电子衍射基本原理及透射、扫描等多种电子显微镜。基于课程大纲的培养目标, 设置课程目标如下:

(1)要求熟练掌握各种材料的检测基本理论、概念和原理,如光学检测、电子衍射检测等,以及各种检测手段在解决各种材料工程领域问题中所涉及的基本原理;

(2)能够从材料检测的基本原理出发,针对实际的工程应用问题进行专业的分析,具备专业文献调研能力,培养科学的思维方法;

(3)能够为材料组织分析范围内的工程使用及失效现象作出科学合理的分析判断,进行精确的定量、半定量估计及各种分析;

(4)熟练掌握各种实验设备仪器的基本结构,了解各种检测手段的基础操作;

(5)了解国内外先进检测技术,培养学生阅读相关专业文献资料的能力,建立团队合作意识,培养爱国主义情怀,并引导学生服务我国经济发展。

如图2所示,基于OBE的教学环节设计核心是强调学生学习的自主性,并将工程化的项目、大学生创新创业课题和各种专业性强的竞赛课题等融入其中。在进行理论讲授同时,教师作为教学管理者和课堂秩序的维护者,设定选题和结题要求。

图2 基于OBE的教学环节设计流程图

学生分组进行并实现预先设计的学习目标,由各个项目小组组员主动推进,教师根据阶段成果发现问题,并在课堂组织讨论、分析讲解和熟悉各种检测设备等。作为该门课程的后续反馈,不断改进和推动整个教学环节。

通过课程环节的调整,使学生全面掌握材料成型及控制工程专业的专业知识,强化对专业领域内的原理、概念和方法的理解能力,提升对实际工程的分析能力、解决能力及个人的专业素质和安全生产意识等。

2.教学实践及评价标准

学生是学习的主体,教师需要具备较全面的专业知识和教学水平,传统教学形式难以满足学生自由涉猎知识的渴求,同样也不能满足学生对多学科交叉融合专业知识的学习。新工科背景下的合格教师,应不断地充实本专业衍生的各项基本专业技能,科学引导学生主动学习[12]。

在该学习模式下,大多数学生会感受到不适应。在经历了中高考的磨砺,学生对本科基础课程的学习模式应该习惯。然而,对于工程机械专业领域学习方式的适应却因人而异。同时,学生的主动学习和理解能力存在差异,只有在教师耐心和合适的引导下,学生才能尽快地迸发出专业热情,并产生明确的学习目标和较强的学习动力。为了解决这一问题,教师在课堂上首先应该培养学生的自信,学生有了自信便能够增强自身的学习动力,积极主动调动课堂气氛;在轻松活泼的课堂学习氛围中巩固专业知识,为将来步入社会做出先行实践性的探索。因而,教学变化应主要集中在三种方式上。

(1)课题驱动。课程理论教学的衍生部分,如科技发展历程、科研启示方面的非原理性部分,授课方式宜采取半翻转形式。教师提出疑问,记录问题点和归纳总结形式。培养学生正确的科学观,引入当前热门的大学生创新创业课题、竞赛课题等内容,发挥学生自身的创造性思维,解决实际问题。设置课题驱动方式的教学环节,学生会有明显的新鲜感,从而形成积极的互动氛围。结合课题的设置,课余时间组织带领学生参观重点实验室相关设备,通过实验员的检测操作,进行详细的解释。收集实验数据,通过学生积极主动地分析和归纳结论,阐述实验原理等。教师在课堂上主要起到启发和引导作用。

(2)规范组织。课题驱动形式下,组员承担不同的研究任务。课上进行阶段性汇报,并要求规范的文档输出。学生在这个阶段的学习不仅能够减轻工程项目过程的压迫感,同时能够促进学生积极主动地申报竞赛和申请相关课题,培养解题思路。考核要求完成规范的成果总结和输出。不断激励学生在参与大学生创新创业项目和专业性的竞赛中,更有责任感,更积极地为完成项目。

(3)模拟实验。结合工程案例的模拟实验,不但能够给课堂增加活跃的气氛,而且有助于培养学生的科研兴趣。模拟实验以采用多媒体链接和视频录像为主,理论讲解配合模拟实验的流程。在完成模拟试验的观摩和学习后,自然而然地结合实验数据进行分析和展示成果。学生的课堂表现,由其所在研究小组的贡献度决定。这种形式更加公平,也增强了小组的凝聚力。课程目标1、2、3、4、5的量化达成度是在新工科背景下的OBE教学模式的现行评价标准。课程目标的这五个方面,不但包含本领域的专业知识和原理等理论性内容,更多地偏向于考查学生的实际工程意识和积累专业方面的经验。

3.思政育人目标和切入点

随着高校对思政教育的不断重视和普及化,专业课程教育与思政内容的相互融合,已成为专业领域教师重要的教育任务之一。聚焦我国前沿科学,如量子技术、深海探索、宇宙深空探索、同步辐射技术及能源系统基础材料等核心领域,强调材料分析技术对近代科学发展的巨大推动,普及我国隧道挖掘、轨道交通及新材料研发等诸多关键技术,凸显出我国在世界工程领域的领先地位,以提高学生对该课程的学习兴趣。拓展不同专业、不同领域的专业知识,加强学生的荣誉感和爱国情感。

从本科阶段起,就要培养学生善于钻研、独立思考的科学品质,树立学生认真负责的科学态度和学习态度,建立和不断提高本科生的自然科学学习兴趣等。对此,为进一步发挥课程思政元素在专业课程的积极作用,进一步明确和建立科学的高校专业课程思政育人目标,教师在思政教育的引导上应统筹兼顾三方面内容。

(1)专业知识与个人发展相辅相成。本科阶段的专业教育不仅限于学生就业,更重要的是为社会培养专业技能人才和为国家培养爱国守法公民。因而需要教师在课程设计上,坚持以专业技能为主,融入影响科技发展的重要的历史事件。在枯燥乏味的知识课程讲解中,引入轻松的热点话题以吸引学生的课题关注度。在具体的历史事件中,学生接受先辈们的智慧结晶,在潜移默化中建立正确的价值观和人生观,进而逐渐形成精益求精、爱岗敬业的精神品质。

(2)专业领域与科技发展相融合。材料领域的每一次“卡脖子”关键技术的突破,都将为国民生活提供更好的、更舒适的保障。生活中诸多领域,如轨道交通、航空航天、5G通讯等,都离不开专业知识的积累和突破。因而,将课程中所涉及的专业领域知识的各方面与当今科技发展的主潮流相互融合、互相渗透,不但可以提升课程的含金量,而且能够将专业知识与实际应用融会贯通,消除学生对专业就业的迷茫无措,提高学生创新创业的能力储备。

(3)科学精神与社会责任相统一。专业课程的思政教育应该兼备科学元素、社会元素和政治元素等。专业课指导教师应该正确分析和解答学生关注的重要社会问题,解除学生的心理困惑,满足学生的心理需求。学生为学习主体的OBE教育理念更应该强调教师的引导作用,教师应该打破传统知识脉络和思维局限性,主动引入国际前沿科学的成果;要求学生关注国内外重大事件,培养学生社会责任感和使命感,塑造学生厚德重学、至诚至勤的良好品德。

4.OBE教学模式的挑战

新的教育模式同时强调了学习过程的主动和学习成果的输出, 因而对教师的授课技巧提出了更高的要求[13-14]。为满足学生的学习要求, 教师需要花费更多的时间进行视频、多媒体的制作、预习方案的制定、相关领域知识面的拓展; 为激发学生的学习兴趣, 教师需要提前制定每一节课的育人目标、课程环节、课后讨论和预习方案等。另外, 授课期间教师对学生状态表情需要更为细致地观察、判断, 对学生们的课堂讨论情况进行准确地引导和控制等。因而,精心地准备每一堂专业课程, 大大地增加了教师的任务量。

学生自身的学习能力和专注力是能够上好课程的关键。学生需要自主安排学习的内容、节奏、方式及投入的时间和精力等,专注于重点或难点的学习;另外,学生需要更为直接、方便地与指导教师进行沟通。

可见,OBE教学模式不仅是理论形式上的调整,更多的是学生内心、信心和沟通意愿的提高。教师和学生共同探讨和解决学习过程中每一个环节的问题,才能够对课程内容有更深层次的理解。

四、教学效果评价

教学环节要注重学生学习主动性和自律性的培养,通过合理安排教学内容和组织课堂教学形式,学生会对每一个教学环节进行积极正向的反馈。学生在教学每一环节的进步,都是教师不断完善教学内容和提高授课水平的动力。在整个教学过程不断推进和完善的同时,学生对于专业领域的知识理解能力得以提升。

新课程模式实践考核需从过程考核和理论考试两个方面进行。过程考核包括课题规范报告和团队评价。指导教师主动推进大学生省级创新创业项目和省级材料成型工艺竞赛等相关课题,通过学生自主查阅文献、自主设计、分析研究、团队沟通和协作等,其成果经过筛选、输出展示、报告等形式考查学生对成果的工程化总结能力,并加权处理至相关课题目标达成度。

理论考试涉及课程目标诸多方面,专业知识的重点和难点不同,对课程目标达成度的贡献不同。通过实践发现,课堂上学生听课的专注力显著提高,学习兴趣明显改善,迟到率、缺席率有所降低。结合2018级本科生的“材料分析测试方法”课程总成绩进行分析,见图3。2018级1班和2班的人数分别为35人和33人;最高分分别为90分和91分,无不及格学生;班级平均分分别为77分和78分,标准差分别为6.2分和5.3分;各行政班的成绩呈正态特征,其中70～79分数段占据比例约60%,占比稍大;考核覆盖比例达到大纲所要求的80%以上。可见,2018级两个班对该课程的掌握程度非常接近。值得注意的是,与大纲预期平均成绩(80分)仍有差距,同时,考核内容和形式仍具有一定的改善空间。总结2018级本科行政班级对课程目标的达成情况,见表2。

图3 本科成型专业学生课程期末总成绩统计直方图

表2 2018级本科行政班级的课程目标达成度评估

从表2中可以看出,课程目标2和课程目标5的总体达成度偏低,表明学生对实际工程问题的理解能力和分析能力具有较大的提升空间。同时,课题分组设计和评价方面学生的适应性仍有待提高。对于课程目标1和课程目标3的总体达成度较好,显示了学生对于专业知识、原理部分和数据处理等部分的学习更为重视,对思政元素的引入体现出较好的适应性。

2018级学生个体对每项课程目标的达成情况见图4。

由图4可知，68名学生对于5个课程目标的达成度分布情况存在明显区别。课程目标1、课程目标2、课程目标4和课程目标5学生考核分布情况符合正态分布,具有合理的概率密度分布特征。说明在专业概念、原理、数据分析和专业设备结构等考核客观,可信度较高。同时,学生对科学研究历程和我国引领世界的前沿科技等内容普遍呈现浓厚的兴趣,考核情况符合课堂理解知识的水平情况。另外,对于课程目标3的考核分布偏离正态特征,学生的个体达成度更为集中,表明学生在实际工程问题的研究和评价方面偏向主观,需要指导教师做出更多的努力,对学生进行科学方法的引导和教授掌握真实工程问题的处理方法,以使学生更全面、客观地理解本专业。

图4 课程目标达成度统计正态分布图

五、结 语

新工科背景下,以OBE为导向的课程教学改革为学生营造了更好的钻研知识和培养应用能力的学习氛围。通过教学目标的设定、教学各环节的调整和考核方式的多元化改善,形成以学生为主体、工程问题为引导的教学方式。培养学生对于工程问题主动思考和分析、合作实践的良好素质;鼓励学生积极参与实际问题的解决并发挥主观创造性。结合2018级成型专业本科的教学实践,新教育模式对学生的学习起到了推动和优化的作用。但需要注意的是,课程目标设置得是否合理会影响考核方式的准确性,进而影响到课程目标达成度。因此,需要指导教师付出更多的努力,做出具有针对性的教学引导,并对评价方式进行合理调整,推动课程教学改革进一步深化。可见,以OBE为导向的课程教学模式仍需在实践中打磨和优化。