成果导向教育理念下材料力学课程创新研究与实践

张腾元，肖思友，张博潇

（六盘水师范学院土木与规划学院，贵州 六盘水 553004）

近年来，随着计算机技术及在线教学的快速发展，我国高校材料力学课程的教育教学与信息技术深度融合，大力推进线上线下混合式教学模式，以超星、慕课（MOOC）等网络平台为支撑的混合式教学逐渐成为高等教育教学的新常态［1］。不过，尽管现阶段国内部分高校在材料力学课程的相关教学改革方面取得了一定的成果，但是依旧存在一些问题：传统的材料力学课程理论性强、实验与理论难以同步配套，理论与实践脱节，课程内容重推导轻应用，教学模式也较为单一，学生的主体地位不明显［2］。如学生在学习过程中以被动学习为主、缺乏主动性，缺乏主动思考、讨论、分析等主动式思维，不能灵活地运用所学理论知识分析工程问题，学习兴趣和学习积极性不高［3］。

教育部发布《关于一流本科课程建设的实施意见》中，对大学本科课程建设提出了明确的要求，指出要确立学生中心、产出导向、持续改进的理念，提升课程的高阶性，突出课程的创新性，增加课程的挑战度［4，5］。材料力学作为一门理论与实践相结合的综合性基础学科，对工科应用型人才的培养至关重要。故本文立足专业特色，积极落实“两性一度”建设标准，以问题为载体，以成果为导向，在成果导向教育（Outcome-based Education，OBE）理念下重构材料力学课程体系，在不断建设过程中积极总结经验，为材料力学等专业基础课程的创新建设提供参考。

1 核心概念解读及课程概况

1.1 核心概念

OBE理念即以学习成果为基础的成果导向教育理念［6，7］，注重教育的实用性，采取的教学手段为反向设计原则。这一原则以学生为主体，以人才培养目标、毕业要求以及课程目标等教学成果为导向，对课程进行反向设计，从而开展一系列的教学活动。这一教学手段与我国目前的传统教学手段不同，传统教学手段大部分还停留在考查学生的记忆力，而不是考察学生解决问题的能力上。OBE理念要求在进行课程设计和教学时要清晰明了地从专业需求出发，立足于专业培养目标，探究学生通过课程专业知识的学习、应该具备怎样的学习成果来进行反向设计。并以最终的学习成果来进行课程体系的构建，从填鸭式教学转变为个性化教学，从教师为中心向学生为中心转变。

1.2 课程现状

材料力学是机械、土木、材料等工科类专业的核心基础课，是基础课和专业课之间的桥梁和纽带，起到承上启下的作用，是学生获取知识、训练技能、启发思维、培养创新能力的重要环节［8，9］。本课程在涉及力学知识与工程问题相关概念的同时，以强度-材料抵抗破坏的能力、刚度-构件抵抗变形的能力、稳定性-构件保持稳定的能力为落脚点，以解决构件强度、刚度、稳定性安全问题的工程思维为主线。同时，该课程还涉及构件拉伸与压缩、剪切与挤压、扭转与弯曲等重点力学分析内容。宏观来看，材料力学是学习其他专业核心课程的基础，能够有效培养学生力学思维体系，增强解决实际工程问题的能力，构筑工程师责任感和高尚的道德情操。

2 OBE 理念下材料力学课程建设面临的挑战

2.1 理论与实践难以深度融合

材料力学本身是一门理论性较强的课程，在传统的教学过程中，教学团队的着力点更多的是如何夯实学生的基础知识目标，提升学生的能力目标，在一定程度上忽视了学生价值目标的培养［10，11］。由于理论课与实验课的结合表层化、机械化，导致学生难以将所学的理论与实际工程问题相结合。同时，由于课程中课程思政融入较生硬，并没有达到润物细无声的效果，导致学生对于工程人应具备的工程素养领悟不足，缺乏工程责任感，较难以“勤沟通、立标准、保质量、安全至上”的匠心精神完成相关实践活动，难以通过实践深度理解理论。

2.2 学科能力培养弱化

材料力学是工科学生接触到的第一门以变形体为研究对象的力学课程，具有概念多、公式多、新方法多以及与工程实际联系紧密等一系列特点。课程内容繁杂，重难点知识较多，是工科专业的“硬菜”。一方面，在授课过程中，过于注重强调学科体系与理论深度，重理论推导而轻问题发现，学生解决实际问题能力与创新思维未得到系统培养［12，13］。另一方面，由于该课程与实际工程问题联系较为紧密，课程教学内容实际上应该每年更新。但是现阶段，在传统授课过程中，拘泥于现有教材中的素材，仅以教材为唯一载体，忽略了对教材中陈旧素材的更新和补充，对课程知识的更新与重构，使得课程知识不能很好地反映前沿性与时代性，具有一定的滞后性，培养的学生能力不能满足日益增长的行业需求。

2.3 “学生”为中心的教学理念贯彻不足

在传统授课中，教学形式固化，拘泥于线下课堂，一成不变地“老师讲，学生学”。使得学生课堂参与度低，学生主动学习意愿低。如此循环往复，导致学生不愿学，不想动脑，出现懈怠的心理。材料力学课程本身由于公式多、理论多等特点，使其具有一定的挑战性。在授课过程中，学生处于被动学习的状态，单向地从老师处获取知识，缺乏主动学习思考的意识。再加上该门课程为考试课，期末考试为主要考核的评价手段仍占主导地位，学为中心的教学模式没有真正构建起来。

3 OBE 理念下材料力学课程教学设计与实施

通过分析该门课程在工科专业中的核心位置和重要作用，本文提出基于“OBE”理念下的材料力学课程知识体系重构方法。主要目标是以成果为导向，通过重组材料力学知识模块，思政元素融入教学，充分培养学生自主学习的能力。在教学中充分运用“双交互”教学模式，系统完善教学手段与教学方法，激发学生的学习动力和专业志趣。引导学生用力学二维计算简图表达三维实际工程（力学思维），以及使用力学模型解决工程实际问题（工程实践）的能力。丰富过程性考核模式，增加“非笔试”环节在考评中的比重，摒弃“一考定终身”的传统考核模式。真正让学生有效融入课堂教学，让学生成为教学的中心，课堂的主人。不再单纯记忆知识，而是融会贯通，增强力学思维，提升工程实践的能力。

3.1 OBE导向下课程体系重构建设

材料力学课程体系重构的主要目的是培养学生在学习力学基础知识的同时，能够用力学思维将实际工程问题简化为力学问题，从而通过建立力学模型解决相应的工程实际问题，形成科学严谨的工程意识和思维［14］。因此，针对课程现存问题，重构课程知识体系。遵循以OBE 为导向，课程思政为抓手，“两性一度”为原则，人才培养目标为导向，重构材料力学知识模块与教学内容。在建设过程中，培养出能够契合地方产业需求的特色多元化人才是课程重构建设的重要前提条件。

在建设过程中，教师以课程主要知识点及学生学习能力为基础，由易到难、由宏观到微观地将材料力学课程内容重构为四大模块。结果如图1 所示。

图1 OBE导向下材料力学课程体系重构

从图1 可以看出，整个课程体系以培养服务地方发展的应用型人才为基本目标，模块之间遵循由基础到综合，由理论到实践，挑战度从低到高的基本设计思路。以此培养学生利用材料力学知识发现问题、解决单一力学问题，到解决复杂工程问题的能力。材料力学课程体系的重构于地方应用型本科院校工科专业来说，充分契合其人才培养目标，体现课程建设的高阶性。

模块一为课程基本概念。主要让学生理解掌握材料力学的研究对象、研究任务和基本假设，为学生能有效将实际工程问题转化为力学模型打下基础。同时，重点讲解何为“应力”何为“应变”，让学生能够初步了解宏观（内力、变形）与微观（应力、应变）之间的关系，为培养学生安全设计的能力和综合解决问题的能力做好知识储备。

模块二为课程高级知识。运用前期所学习的理论力学课程中相关力学分析的知识，主要培养学生对杆件进行简单力学分析的能力。重点讲解杆件在拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切以及挤压等各种工程实际受力状态下的内力、变形及位移。从宏观的角度重点培养学生的力学思维，使学生具备定性描述复杂工程问题的基本能力。

模块三为课程技能提升。在教学内容上是宏观向微观的转变。主要是让学生利用宏观知识解决微观问题，从而培养其安全设计的能力。重点培养学生利用强度、刚度和稳定性理论解决工程问题的思维方法。本模块难度较大，在教学过程中必须以强度、刚度和稳定性为落脚点，以工程实际问题作为实践活动予以支撑，才能较好地将理论与实践相结合，使学生具备利用相关知识建立力学模型的能力。

模块四为课程综合训练。主要培养学生将工程思维与安全思维有效结合并用其分析、解决实际工程问题的综合能力。重点培养学生的实验技能，以及在实验中将强度、刚度、稳定性分析理论具象化并将其用于解决复杂工程问题的能力。本模块内容是在突出工程构件强度、刚度、稳定性安全目标的基础上，在学生具备定性描述复杂工程问题的能力的基础上，通过安全设计的训练，引导学生积极探索。使学生在面对与课程相关的复杂工程问题时，具备发现问题、识别问题、合理解决问题的能力。真正凸显教学内容的高阶性和创新性，培养出服务地方发展的多元化创新性应用型人才。

综合以上四个模块，旨在培养学生以安全设计为原则，以基本概念为基础，运用力学思维全方位分析工程问题的综合能力。

3.2 践行“双交互”教学模式

在实际教学过程中，材料力学课程教学创新模式在于：将传统的“教师教，学生学”转变为以学生为中心的教学模式。将课堂交由学生主导，培养学生的力学思维和工程思维能力［15，16］。根据OBE理念“反向设计、正向支撑”的特点，在教学中明确培养目标。针对专业特色和课程特色，有效运用多种教学方法。如线上线下混合式教学，师生共建在线课堂，分组讨论、实践和汇报等激发学生的学习兴趣，提升学生的学习效果。基于此，材料力学课程提出如图2 所示的“双交互”教学模式。

图2 “双交互”教学模式

根据图2可知，“双交互”教学模式即以课前、课中和课后为3 个主要阶段；将师生教学活动分成学生“学”的8 个步骤：课前（课前预习、小组合作）、课中（案例探究、知识学习、讨论测验）、课后（批改点评、自主学习、评价总结）；教师“教”的8个步骤：课前（学情分析、教学设计、资料发布）、课中（课题导入、知识精讲、课堂总结）、课后（作业讲解、课后辅导）。该教学模式在充分提升学生参与度和学习兴趣的同时，也让教师在教学过程中通过学生的“批改点评”“评价总结”等方面及时进行“学情分析”“课堂总结”，便于在教学过程中调整授课内容和授课方法，实现课程内容的“专属定制”。通过实时把握学生学习进度，与学生进行交流互动，让教学过程从老师的“独角戏”，变成师生的“大合唱”。

3.3 课程思政融入教学内容

在材料力学课程教学过程中，深度挖掘课程中的思政元素和特色案例，强化工程伦理教育，塑造建设报国的家国情怀。在教学过程中，对每一章的思政元素进行深度挖掘，如介绍某国大桥修建-倒塌-再修建-再倒塌的多灾多难过程，引出材料力学中强度、刚度、稳定性的概念，进一步说明材料力学的任务就是通过力学计算保证建筑结构的安全适用。使学生通过具体案例更好地理解工程师的首要义务是把人类的安全、健康放在至高无上的地位，再次强化对材料力学任务背后的价值理解和认同。

中国的基建在世界享有极高的声誉，通过大大小小的生活和工程实例，使学生在感受的同时内心也为中华民族的智慧而骄傲自豪，自然而然地就去探索、去创新。通过课程思政将强度、刚度、稳定性与工程实际案例相结合，助力培养学生“爱国奋斗、自立自强、大力协同、严谨规范、久久为功”的工程师精神，打造课堂“新样态”。

在课堂之外，利用碎片时间，如利用课间10分钟，挖掘如表1 所示的材料力学课程思政元素切入点和育人目标，将思政故事以多媒体为载体形式，让学生在休息的同时也在不知不觉中接受思政教育，起到润物细无声的效果。

3.4 师生共建实践课堂

材料力学课程与其他理论课程不同的地方在于该课程在理论知识教学过程中穿插实验教学，这是由其课程特色决定的。材料力学中大部分的结论来源于实验结果，所以实验部分是否灵活掌握是学生能否综合应用课程知识解决工程问题的一个主要因素。受限于学校实验条件，该课程主要以师生共建实践课程为媒介，以小组为单位开展自主学习研讨。师生共建在线课堂如图3所示。

图3 师生共建实践课堂

如图3 所示，利用共建实践课堂，如向科教365VR 平台申请获得试用账号，使虚拟仿真与线下试验相结合。将学生按照实验模块分为5个小组，每个小组负责1 个实验。在上课之前先利用教师发布的参考资料以及网络资源确定实验目的、实验仪器以及实验步骤，再结合科教365VR平台上的线上实验模块，完成整个实验。完成后，小组同学在教师的指导下分工合作，整理实验资料，录制实验视频并在课堂上为同学们进行讲解，指导其他同学顺利完成虚拟实验。讲解结束后以学习通为载体采用组间互评的方式进行交流和评价，充分发挥学生的主体性，激发学生学习兴趣，调动学生的学习积极性，促进学生自主性学习、过程性学习和体验式学习。师生共建在线课堂除了培养学生知识的运用能力外，还注重协作和交流能力，阐述和表达能力等综合能力的培养。

3.5 “线上线下+课程思政”多元考核评价体系

对于传统的材料力学课程教学而言，现有综合测评方法往往采用“平时+期末+实验”模式，只有平时和实验这两项为“非笔试成绩”。以往的平时成绩基本由“课后作业+点名”来确定，而课后作业通常是抄袭的“重灾区”，并不能很好地反映出学生对于课程专业知识的掌握程度。点名仅能体现学生坐在课堂里，是否有效地参与课堂活动则需要打一个“问号”。传统测评方式中的平时成绩已很难客观反映学生真实的学习情况，而且在期末考试占比较大的前提下，部分学生已经形成靠考前突击复习就能蒙混过关的的心理。只靠死记硬背，并没有融会贯通，很难拥有综合解决实际工程问题的能力。在这样的测评方式下，无法激发学生的学习兴趣，更难以培养学生参与实践的热情［17，18］。

基于此，材料力学课程以成果为导向，削弱期末考试成绩占比，打破“一考定终身”的传统模式。在课程教学中引入丰富多彩的“非笔试”实践形式（但不仅限于此），在课程建设过程中进行分层考核，按照教学模块设置考核内容，从考核做题能力转变为注重考核学生解决问题的能力。通过不同方式、不同层级和不同难度来初步完善考核机制，建立如图4所示的多元评价体系。

图4 OBE理念多元评价体系

根据图4 所示的OBE 理念多元评价体系，由学生根据个人能力和兴趣爱好选择其中若干种（但不限于此）方式完成实践项目。对于能够体现创新能力和工程思维能力的项目，通过“微课堂”形式由学生亲自上台讲解，并在平时成绩中给予较大分值比例。各实践环节的具体比重采用柔性机制，所谓柔性机制，并不是说任意给分，而是既可以对某一类别的非笔试项目提前规定分值比重，也可以最后根据学生的整体表现对各环节的比重作调整。转变后的评价体系用不定期的随堂测试环节来代替传统的课后作业，在讲解完成一个模块后立即进行随堂测试，教师在测试过程中随时解答学生问题。测试的目的不是分高下，而是为了使学生更牢固地掌握专业课程知识。以课堂测试来检验教学效果，从目前的实施情况来看，一定程度上实现了教学双赢。基于OBE 理念的多元评价体系强调学生在新的考评机制中的主体作用，注重以产出为导向的柔性考评机制的持续改进，不断提高教学效果对培养目标的达成度，让柔性考评机制形成良性闭环系统。

为了评价课程思政是否有效，以学生为中心建立反馈机制。结合相关文献，设计与课程教学紧密相关的调研问题，形成调查问卷，并对学生进行如图5所示的问卷调研。

图5 问卷调研

通过对学生进行如图5 所示的问卷调查，发现绝大部分学生非常支持在专业课教学中融入课程思政教育，学生实际体会到了在课程教学中穿插实际工程案例对自己学习、理解、融会贯通课程专业知识有极大的帮助。认为专业课教师在教学中进行课程思政有益于专业课与思想政治教育相结合，专业课教师具有阅历丰富、感召力强等优点。经过一学期的课程思政学习，认为课程思政有助于自己学会理性地、批判地看待问题，从而坚定政治信仰，厚植爱国情怀，增强文化自信。

4 实施效果

通过OBE 教学模式，学生在学习过程中，不仅知其然，即具备解决相关实际工程问题所需的基础知识，而且在进一步学习后还知其所以然，即解决相关实际工程问题所需的力学思维和工程师思维，让学生在学习中不仅长知识而且还增能力。

经过近两个教学周期的教学实践，学生对材料力学课程的态度从一开始的“太难了”“学不进去”到“还挺有趣的”“希望再多增加点案例”的逐步改观。学生在经过一个学期的教学互动后，对课程的评价和反馈集中在“上课情绪饱满、富有激情”“理论联系实际”“注重实践教学”等。通过知识体系重构、调整知识模块、注重精讲多练等多手段教学之后发现，虽然评价模式从“一考定终身”转为“多角度多元化评价”，但在试卷深度和难度都相当的情况下，学生的期末考试卷面成绩反而有所提高，卷面及格率也有较大幅度的提高。而通过非笔试环节的柔性考评策略，极大地激发了学生的力学思维和创造性思维，学生在合作协同、结构竞赛、演讲汇报等方面的能力得到了较大的提升。特别是在大学生结构设计竞赛中，能够灵活运用材料力学知识，抓住材料特性，立足于杆件的强度、刚度和稳定性进行结构的安全设计和实体模型的搭建，并获得了不俗的成绩。

5 结束语

材料力学作为工科专业的基础核心课程，是学生学习后续专业课程的基础，学习成果的好坏将会直接影响后续专业课程乃至毕业设计的完成度，也会影响学生自身的专业素养。本文在OBE教学理念及“两性一度”的建设标准下，融入课程思政，持续推进材料力学课程的建设，对工科专业基础核心课程进行创新研究与实践。首先，基于课程的基础性，专业性、安全性及工程特性，在以培养契合地方产业特色的多元化人才为目标的基础下，进行课程体系重构，将课程模块化，并巧妙融入思政元素，体现课程的高阶性。推行“双交互”教学模式，打造以学生为中心的教学模式，实现师生之间相互交流、相互促进。在实践部分采用师生共建的模式，引入柔性多元化考评体系，体现课程的创新性。在教学过程中，不断引入实际工程问题，培养学生的工程素养和安全意识，丰富评价体系，落实培养目标，提高课程的挑战度。

材料力学课程建设是一项长期而持久的工程，在今后的建设过程中，教学团队将进一步完善课程教学内容，提炼课程精华，加紧理论与实践之间的紧密联系。在有效解决课程教学基本问题的同时，加大思政元素融入力度，以此推动工科专业课程教学质量的整体提升。