“以学生为中心”的教学范式改革实践——以“工程力学与CAE”为例

吕偿

（广东白云学院机电工程学院，广东 广州 510450）

0 引言

我国“十四五”规划阶段对高校人才培养质量提出了更高的要求，教育部发布的《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》强调，要以学生发展为中心，坚持成果导向，优化专业结构，完善课程体系，推动课堂教学革命，改进教学方法[1]。可见高质量人才培养的根本在课程教学，探索适应各个层次的高度教育课程教学模式改革国内学者作了诸多研究，以研究型高校更注重基础理论研究，应用型高校则在理论教学的基础上增设实践环节，高职院校则将课程教学的重心专注于实践教学。

课程教学作为体现教学范式的直接载体，是高校开展教学的主要途径，如何开展好课堂教学，切实提高课程教学的有效性已成为深化教学改革、提升人才培养质量的重要发力点。

1 教学范式改革中的痛点

1.1 知识点固化

课程大纲延用是高校课程教学的一种普遍现象，特别是专业基础课作为该专业的核心课程，课程教学大纲早期经过反复论证具有较强的延用性，教师在进行课程改革时对原有教学大纲的依赖性较高，极少结合本专业涉及的行业水平重新调整课程的大纲，导致知识点基本围绕课本、围绕原有大纲要求的知识点进行课程讲授，从而导致“以课本为中心”的教学模式。

1.2 教学模式固化

传统教学模式以“传授范式”为主，在高校教学中占据主流地位，教师作为教学活动开展的“原动机”，学生作为课题里的“从动件”，是典型的“以教师为中心”的教学范式，此范式使得教师对课堂占据绝对领导地位，学生被动接收来自教师的讲授[2-3]。在学生基础较好、自觉性良好的研究型高校具有一定的可行性，但在基础相对薄弱、自律性一般的应用型高校和职业院校学生开展“以教师为中心”的教学范式教学效果普遍达不到课程教学的预期。据一项调查统计，在“以教师为中心”教师范式课题上，学生玩手机的比例高达55%，睡觉比例为26%，听课比例仅为7%[4]。

诚然有些高校针对“以教师为中心”开展了教学范式改革，在设计了教学活动以提高学生的参与度，亦出现“两张皮”，即学生对课程教学中的活动内容敷衍，较容易地完成教师布置的课程任务，学生有参与课程教学活动但并非高质量参与。

1.3 教学模式改革未能与学生的发展关联

无论何种教学设计、教学改革其对象是为了让学生接受有用的知识，一切都是为了学生的发展，在高校教学改革中普遍存在以教师对课程的理解进行相应的教学改革，而不是基于本专业在行业未来发展中的需求及学生在未来职业发展中的影响进行课程改革，“以学生的发展为中心”是课程改革的本质，课程对学生未来的发展贡献值是衡量课程改革的重要依据。

2 以“工程力学与CAE”课程范式改革的主要做法与成效

“工程力学与CAE”是机械设计制造及其自动化专业的一门专业基础课，先修课程为“机械制图”“高等数学”和“大学物理”且与后续的“机械原理”及“机械设计”联系紧密，在该专业有着承上启下的重要作用。课程改革之后在内容上融合了传统的“理论力学”“材料力学”的知识点，并在此基础上增加了CAE技术，其目的是为了提高课程在工程实践中的应用性，摒弃专注理论讲授的传统教学范式。

“工程力学与CAE”作为广东白云学院“以学生为中心”的课改课程之一，目前已经过4年改革经验通过验收为优秀，课程设计从知识点重构、教法创新、全过程评价等系列改革措施开展教学，从“以教师、教材、课堂为中心”向“以学生的发展为中心”转变，具有一定的推广价值。

2.1 知识点重构

2.1.1 注重后续课程应用

“工程力学与CAE”是机械专业的专业基础课程，是通识课高等数学、大学物理等与专业必修课机械原理、机械设计等的重要衔接课程，知识点的重构着重于后续专业必修课中涉及的相关应用。

2.1.2 引入CAE技术，注重工程实践能力培养相较于课程改革前“只讲理论，不讲应用”的讲授方式，本课程改革引入CAE技术在于解决“学不能致用”的问题。本课程改革主要面向与应用型本科院校学生，此类学生在力学建模、理论计算等方面能力偏弱，在面对相对复杂的工程应用问题时往往无从下手，甚至有畏难情绪，而CAE技术引入本课程设计较好地引导学生在掌握基本理论的基础上，灵活运用CAE技术解决一些工程实践问题。

2.1.3 引入课程思政，培养学生科学严谨的职业素养

在引入工程实践项目时，引导学生治学要科学严谨、求真务实，例如在讲授桁架结构时，本课程引入了港珠澳大桥为例。港珠澳大桥部分设计为斜拉桥，涉及十分严谨的力学分析，建立合理的力学模型进行理论计算对后续施工具有非常重要的指导意义，保证港珠澳大桥具有良好的可靠性、稳定性。

2.2 知识点模块化

知识点的模块化设计彻底摒弃“以教材为中心”，以教材中的章节为主线的知识点构成。在课程设计中是以工程实践项目为载体，基于机械专业学生在本科阶段应掌握的“拉、剪、弯、扭、组合变形”等几大类的工程问题，对应设计了工程实践项目，围绕设计的工程实践项目所需要掌握的基本理论知识来选定知识点构成。

3 教学方法的创新

3.1 以项目为驱动逆向教学设计

以目标为导向，采取逆向设计法，以“教学目标”为切入点，向“教学活动”逆向推进。首先确定“教学目标”随后根据“教学目标”选取合适的“教学内容”，随之设计“教学活动”，最后设计“教学策略”。

在每个知识模块开展教学前，向学生提出明确在该模块的学习中要解决的工程实践项目，以项目为驱动，通过工程实践项目来激发学生求知欲，让学生明确学习目标，带着学习目标去学习。

解决该模块的工程实践项目是要具备相应的理论基础知识为前提，有针对性地遴选出必要的知识点，遴选出来的知识点并非全盘拖出，而是将项目分解为若干个任务，以任务的形式对逐步对总体项目的进行。

3.2 课堂讲授的策略

3.2.1 彻底摒弃单向灌输的教学模式

通过线上资源，让学生提前预知课堂的教学目标，为课堂活动的开展作相关的准备，教师以引导式牵引课堂，为本次课堂目标达成充当“导演”的角色。将知识点-任务-项目进行串联，对知识点-任务-项目中存在的难点、疑点逐个点拨，尽量避免单向灌输，以研讨、发问等形式开展，调动学生的积极性，提高学生在课堂上的参与程度。

3.2.2 学生活动设计策略

学生活动设计策略紧扣教学目标和教学内容，完成相关知识模块的项目设计，学生在完成项目设计的过程中由教师引导，而更为重要的是学生可参照模板独立完成，实现从“模仿”到“独立自主”，最后能够举一反三进行相关的创新性的项目设计。

3.2.3 采取线上-线下混合式教学

在线上超星学习平台建设了网络教学资源库，通过任务、项目驱动将课堂时间有效延长，以更加丰富的教学形式激发学生的主动学习意识。

在线下，构建了工程力学实验室，可开展低碳钢的轴向拉伸实验、圆形截面棒料的纯扭转实验、等截面/强度梁的弯曲应力应变测试实验，可供学生开展验证性或探索性实验，增强学生对轴向拉伸与压缩、圆轴扭转、弯曲应力应变等感性认识。

4 教学评价创新

本课程的教学评价采取全过程的教学评价如表1所示，摒弃了课改前单一的笔试成绩作为考核标准，注重学生的全过程学习记录，以项目为驱动的教学阶段性考核。通过项目驱动，在学习本门课程中以能否解决工程实践问题来定义学生是否掌握基本知识、基本技术、基本能力的重要指标。彻底摒弃了唯试卷、唯理论知识的考核方式。

表1 “工程力学与CAE（B）”考核评价方式

5 教学成效

5.1 学生的参与度显著提高

传统的教学是以教师为中心，即“教师讲、学生听”，学生在课堂上容易开小差、打瞌睡、玩手机等，上课积极性不高，最终导致教学效果不佳。“以学生为中心”的教学范式改革则侧重于调动学生学习兴趣，激发学生的内在学习动力，本课改采取的策略是“教师授课引导，学生主动学习，教师答疑解惑”。具体操作流程如图1所示。

图1 教学策略

采取“以学生为中心”教学范式改革，学生对学习的参与度不再局限于课堂，线上成为重要的延展课堂，在超星学习通上学生访问课程主页数达16.8万次/年，互动教学达一百多次/学期。

5.2 解决工程实践问题能力显著提高

改革后，改变了以往“学不能致用”的状态，解决问题的手段多样化，不局限于单一的理论计算，使学生在掌握基本理论的基础上能够灵活运用CAE技术解决工程实践问题，例如在求解桁架结构内力的章节，一般教材仅限于平面桁架结构内力求解且桁架结构杆件个数较少，此类属于理想化力学模型，而在工程实践问题却相差甚远，往往需要解决的是空间桁架结构且数量较大（杆件数大于100），此时单凭人工计算显然不切实际。引入CAE技术后学生能够快速建立有限元模型借助计算机辅助分析是可以解决此类问题。

此外，涉及复杂结构的“拉、剪、弯、扭”力学问题，单凭人工计算亦是十分复杂，而建立合理的有限元模型，则能快速、精准求解。由此，CAE技术的引入提高了学生解决工程实践问题的能力。

5.3 学生毕业设计质量提高

本科阶段机械设计制造及其自动化专业学生的毕业设计中凡涉及复杂静力学分析，在计算方面往往出现逻辑不清或因结构复杂计算结果不足以对设计形成较好的参考性。出现上述缘故一是工程力学基础知识掌握不牢固，二是结构复杂单凭人工计算显得捉襟见肘。通过本门课程的学习，利用CAE技术能较好地解决上述问题，笔者所指导的学生毕业设计中能较好体现CAE技术区解决工程实践问题，学生在毕业设计中有将CAE技术应用于零部件轻量化设计中，如图2所示，学生对山地自行车零部件根据结构设计要求设计出原始外观，后根据受载情况分析其等效应力云图，如图3所示，在等效应力云图中对应力较大部分进行二次优化设计，最终由拓扑优化结果设计的零部件如图4所示。由此可见，通过课程的学习对毕业设计质量的提升产生了直接的影响。

图2 原始设计的山地自行车零部件

图3 零件受载后的等效应力云

图4 拓扑优化后的零件设计造型

5.4 CAE技术应用于创新创业教育

创新创业教育作为第一课堂向第二课堂的延伸，将第一课堂所学知识充分在第二课堂上得以展示是间接验证第一课堂教学效果。通过本门课程的学习，学生敢于尝试新技术新方法，勇于直面挑战难度较大的方程式赛车车身骨架设计，用CAE技术根据强度和刚度条件对车身进行拓扑优化设计。相较于传统课堂学生更多专注于课程习题的演练而接触工程实践问题，课程改革之后学生以项目-任务驱动，从工程实践中来，最后回到工程实践中去，切实体现了课程在工程应用中的地位。图5为笔者所带学生参加创新创业项目，完全自主设计的方程式赛车车身骨架即基于本门课程作了具体结构强度分析，基于拓扑优化结果进行了二次设计。

图5 方程式赛车骨架结构分析

6 总结与展望

课程教学范式改革既是教师对课程教学模式的重新定义更是教师对课程的二次认知，将旧的“三中心”向新“三中心”的彻底转变，将课堂本质属性重新回归到学生为中心，让学生学会学习、学会思考、善于解决问题，一切为了学生的发展。“工程力学与CAE”课程教学范式改革实践从教学理念、教学内容、教学方法、教学空间、教学过程与评价等诸多方面进行了改革，使学生在课程学习参与度有明显提高，解决工程实践问题手段更丰富，毕业设计更具高质量，同时将课程所学知识在第二课堂即创新创业活动中得以体现。本门课程的教学范式使得教学的维度更广，学生接收的知识面更宽，综合素质训练强度更大，同时对教师从事本门课程的教学亦提出了更高的要求，虽然本科课程取得了阶段性成果，但任何一种课程教学范式改革都需要不断摸索前行，因材施教又任重道远。