基于工程教育认证的“机械结构有限元分析”翻转课堂教学改革

    李树森 周梓健 曹有为

    

    摘? ? 要：文章基于工程教育专业认证的理念，从产出导向（OBE）的教育理念出发确定了教学改革目标，从以学生为中心的理念出发进行了“机械结构有限元分析”翻转课堂教学改革，以持续改进的理念为中心进行课程目标达成度分析反馈。围绕毕业要求指标点开展翻转课堂教学改革，在教学实践中取得了较好效果，形成一套不断自我完善、可持续发展的教学运行新机制，为提高本科教学质量奠定了基础。

    关键词：工程教育认证;翻转课堂;机械结构有限元分析

    中图分类号：G642.3? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? 文章编号：1002-4107（2020）01-0023-02

    2016年6月， 我国正式加入“华盛顿协议”，这意味着我国高校工科本科专业得到国际高等工程教育专业认证体系的认可[1]。截至2017年底，教育部高等教育教学评估中心和中国工程教育专业认证协会共认证了全国198所高校的846个工科专业。工程教育专业认证是促进我国工程师按照国际标准培养以及提高工程技术人才培养质量的重要举措， 对我国工程技术领域人才培养走向世界具有重要意义[2]。工程教育专业认证标准以“产出导向（OBE）”“以学生为中心”和“持续改进”为核心理念， 要求一切教育活动围绕培养学生的毕业要求和学生毕业后五年的培养目标为导向开展[3]。

    翻转课堂是翻转传统课堂教学结构， 让学习者课前完成知识自学， 课上深化理解、内化知识的一种新型教学模式[4]。翻转课堂教学模式因其关注学生的中心地位、重视课堂教学效率的提升、关注知识内化等先进的教育理念而受到了研究者和实践者的广泛认同[5]。同时，各种形式的开放教育资源 如可汗学院、TED、耶鲁大学公开课、MOOC、国家级精品课等推动了翻转课堂的井喷式发展[6]。

    本文以工程教育专业认证的三大核心理念为中心，基于产出导向的思想确定了改革针对的主要问题，基于以学生为中心的思想进行了翻转课堂教学模式改革，基于持续改进的思想进行了课程目标达成度分析，紧紧围绕工程教育专业认证核心思想开展教学模式改革，以满足社会对应用型人才的需求[7]。

    一、“机械结构有限元分析”课程教学现状

    各地方院校从20世纪90年代开始陆续增设“机械结构有限元分析”课程，主要以冗长的理论教学为主，随后的教学改革中逐步加入了案例式教学等辅助教手段，但是收效甚微。基于工程教育专业认证产出导向的思想，根据多年的教学实践发现主要存在以下四个方面的问题。

    1.专业知识掌握不够全面，理解较浅。

    2.主观能动性较差，缺乏终生学习的能力。

    3.研究解决工程问题的能力有所欠缺。

    4.分析改进工程问题解决方案的能力较弱。

    针对以上四点突出问题，基于工程教育专业认证以学生为中心的理念，采用新兴的翻转课堂教学模式，通过教学资源精选，课前预习，课堂内化和课后复习四大环节对学生的工程知识、终生学习、研究及问题分析能力进行着重培养。

    二、基于工程教育认证的“机械结构有限元

    分析”翻转课堂教学改革

    教学资源精简 对“机械结构有限元分析”课程的理论内容进行精简，针对势能极小原理、平面问题的直接离散化方法等重点、难点问题进行深入的讲解并录制成微课视频传到网络平台;针对静力结构等易于理解的问题进行简单讲解，主要结合学生自学完成，以培养学生独立学习的能力[8]。内容的选择上针对主要问题进行讲解，简单问题由学生自主学习完成，突出对学习方法和能力的培养。教学内容精简环节是针对工程教育专业认证毕业要求中的“工程知识”指标点。

    课前预习 学生通过在网络平台上学习教师提前录制的微课视频并完成习题测试，网络平台将学生的学习情况反馈给教师。教师结合以往的教学经验和网络平台的反馈数据，进而确定课堂教学的主要内容。课前预习环节针对的是工程教育专业认证毕业要求中 “终生学习”的指标点。

    课堂内化。课堂教学一般为两个学时，第一个学时教师先由实际的工程案例引出所需要的理论公式，通过对理论公式的讲解，最后回归到需要解决的实际工程案例中。例如在讲解杆梁结构的受力分析时，通过对订书钉压入纸张时的受力分析，引出杆梁结构的有限元分析方法;第二个学时针对老师提出的工程问题进行小组讨论，然后以书面报告的形式上交。课堂内化环节针对的是工程教育专业认证毕业要求中“研究”的标点。

    课后复习。课后教师根据课堂所讲理论内容在网络平台上发布多个实际工程案例分析题目，由学生运用Ansys仿真软件独立完成，以培养学生运用仿真软件解决实际问题的能力。例如通过对杆梁结构的有限元分析方法的讲解，由学生运用软件独立对类似结構的铁路桥梁进行受力分析[9]。教师根据平台的反馈情况结合学生的课堂表现对录制的微课视频内容进行适当的调整，不断完善后期的教学过程。课后复习环节针对的是工程教育专业认证毕业要求中“问题分析”的指标点。

    运用翻转课堂的新型教学模式，基于工程教育专业认证标准以学生为中心的基本思想，在教学中始终坚持从实际案例中来，到实际案例中去的思路，对“机械结构有限元分析”课程的教学方法进行了改革[10]。

    三、“机械结构有限元分析”课程目标达成度分析

    基于工程教育专业认证持续改进的核心理念，从工程知识、问题分析、研究及终生学习四个方面对学生的学习成果进行线性研究，如图1所示，建立了“评价—反馈—改进”的闭环持续改进机制。通过2016年曲线可知，自2015年实施课程改革以来，学生的各项能力有较大的提升，但是终生学习的能力提升较为缓慢。因此在2017年的翻转课堂教学中，加大了课前预习环节的权重，从2017年曲线可知，学生的终生学习能力有了明显的提升。但是相比于研究和终生学习能力，工程知识与问题分析能力提升较少。因此在2018年的翻转课堂教学中，加大了教学内容精简与课后复习环节的权重，从2018年曲线可知，学生的工程知识与问题分析能力有了较大的提升，表明基于工程教育专业认证的“机械结构有限元分析”翻转课堂教学模式改革取得了预期的成果。

    四、结论

    本文基于工程教育专业认证思想，紧紧围绕工程教育专业认证标准以学生为中心、产出导向（OBE）和持续改进的核心理念。以产出导向的理念为基石，确定了改革针对的四种问题;从以学生为中心的理念出发采用了新型的翻转课堂教学模式，围绕毕业要求指标点的工程知识、终生学习、研究及问题分析四项指标开展翻转课堂教学改革环节;基于持续改进的理念对学生的学习情况进行了课程目标达成度评价分析，建立了“评价—反馈—改进”的闭环持续改进机制。通过翻转课堂的教学模式改革，充分发挥了学生学习的自主性。为该课程在进行工程教育专业认证建设中课程体系的改革建设提供了一定的参考依据。

    参考文献：

    [1]陈涛，邵云飞.理念与现实：我国高等工程教育加入《华盛顿? ? 协议》后的发展趋向探析[J].高校教育管理，2018，（1）.

    [2]孙晶，张伟，任宗金，等.工程教育专业认证毕业要求达成度? ? 的成果导向评价[J].清华大学教育研究，2017，（4）.

    [3]刘宝，李贞刚，阮伯兴.基于工程教育专业认证的大学? ? 课堂教学模式改革[J].黑龙江高教研究，2017，（4）.

    [4]孙春玲，许芝卫.工程造价专业认证中工程伦理标准设置? ? 与评价研究[J].高等工程教育研究，2018，（4）.

    [5]朱正伟，李茂国.面向新工业革命的中国工程教育发展? ? 战略研究[J].中国高教研究，2018，（3）.

    [6]林健，郑丽娜.从大国迈向强国：改革开放40年中国工程? ? 教育[J].清华大学教育研究，2018，（2）.

    [7]李树森，任毅.基于工程教育认证的机械结构ANSYS? ? 课程教学改革与实践[J].教育教学论坛，2016，（51）.

    [8]李树森，曾剑锋，张恩惠.“有限元法”课程教学改革与? ? 实践[J].黑龙江教育：高教研究与评估，2014，（2）.

    [9]丁子珊，钱炜.基于工程教育认证的高校教师教学与科研? ? 关系探究[J].中国高等教育评估，2017，（4）.

    [10]陈群.创新校内专業评估 加快建设高水平地方领军型? ? ? 大学[J].中国高等教育，2018，（9）.

    收稿日期：2019-03-04

    作者简介：李树森（1963—），男，黑龙江哈尔滨人，东北林业大学机电工程学院教授，博士生导师，主要从事气体轴承、现代机械设计理论与方法、高等工程专业教育理论研究。

    基金项目：黑龙江省高等教育教学改革研究项目“基于工程教育认证的机械有限元分析教学改革与实践”（SJGY20170118）;黑龙江省自然科学基金项目“超精数控机床高性能动静压气体轴承微槽孔节流及动特性研究”（E201801）