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基于工程教育认证的机械结构有限元分析在线课程教学改革和实践
摘 要：工程教育认证对机械类工科专业大学教育质量提出新的标准和要求,对培养大学生的能力要求更加明确.本文针对课堂教学模式不能满足培养需求的现状,以学生为中心、学习成果达成为目标、持续改进的理念,以传统课堂教学模式为基础,以在线开放课堂、互动课堂和实践能力课堂的教学模式作为改革思路,从专业培养目标出发对机械结构有限元分析课程进行教学结构改革和优化,形成一套不断自我完善可持续发展的教学改进机制.在近三年机械结构有限元分析课程实际教学过程中进行实践应用并取得较好效果,为促进机械类大学课堂教学模式改革和提高大学生综合素质能力奠定基础.
关键词：工程教育认证；在线课程；互动课堂；课程目标达成度；实践能力课堂
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）39-0158-03
2006年,中国的工程教育认证工作正式开始,成为我国提高工程教育专业教学质量的一项重要措施[1].工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保障制度,也是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础[2].2013年我国成为国际本科工程学位互认协议《华盛顿协议》的预备成员[3].在国际工程师互认体系中,《华盛顿协议》是最具权威和国际化意义的[4].2016年我国成为《华盛顿协议》的正式会员,标志着我国的工程教育专业认证标准得到国际认可[5].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[6].
本文基于工程教育专业认证标准,通过进行在线课程的建设,充分利用在线课程与传统课堂教学相结合的教学方法,以课程作为培养工程教育人才能力的载体,将学生的学习能力,工程能力及其他能力的培养环节科学的渗透到课程教学活动中,以满足社会对应用型人才的需求.
一、课程培养目标
现今“有限元法”已成为解决工程实际问题必不可少的工具[7].我校根据企业反馈的信息分析发现,学生在运用基础知识分析解决实际工程问题的能力较弱,缺乏工程意识,且创新意识也较薄弱.我校从2015年依据工程教育专业认证标准对机械结构有限元分析课程的教学模式进行改革,围绕学生从课程目标培养、教学内容优化、教学模式改革和教学成果评估四个方面进行了教学改革与实践,如下图1所示.
本文基于工程教育专业认证标准,针对现今教学中存在的问题,对机械结构有限元分析课程理论与实践教学环节进行形成性教学改革与实践,使学生具备下列几方面的能力[8].
1.掌握杆梁结构、平面问题离散化方法、势能极小原理、三维问题和薄板弯曲等的有限元解法.强调有限元方法的工程概念与理解,注重培养学生的工程知识水平.
2.掌握静力结构、传热问题、弹塑性问题和振动问题的有限元分析方法.了解参数单元的构造方法、温度场及热应力的有限元计算、弹塑性及振动结构的有限元动力分析,注重培养学生的工程知识水平与问题分析能力.
3.通过ANSYS软件程序平台的实验模拟和仿真训练,将所学理论知识与工程运用有机结合,能够对机械结构典型算例的特性、实验设备进行研究和实验验证,对实验结果进行仿真分析和解释,得到合理有效的结论,注重培养学生的研究能力.
4.针对具体案例进行查阅资料、撰写设计报告和分组答辩等环节,培养文献检索能力、团队合作能力和沟通表达能力,具有自主学习和终身学习的意识.
二、课程改革措施
1.教学内容优化重组.教科书作为教学的基础,是课堂教学质量的重要影响因素,机械结构有限元作为一门工程应用类学科,要让学生在掌握连续变形体的力学描述等基本有限元方法理论的同时,能够利用ANSYS软件程序平台对经典结构进行有限元分析,提高学生应用基础知识解决实际问题的能力.因此,应本着教材的先进性、学术性和适用性出发,合理选取了科学出版社和机械工业出版社的优质规划教材.
2.教学的科学性.采用在线课堂教学,互动式课堂教学,实践能力课堂教学营造研究型课程教学环境,以着重培养学生认知能力和实践能力.（1）在线课堂教学：提供课堂教学及在线课程等多种学习资源,使学生能够在课堂教学之外利用在线课程等资源进行针对性预习及复习,将短期集中学习变为周期分散学习,以增强学生对深奥理论知识的感性认识.（2）互动式课堂教学：学生在课堂之外通过在线课程进行针对性预习,使课堂变为老师与学生互动的场所,包括答疑解惑,知识的运用等,充分调动了学生的主观能动性.（3）实践能力课堂教学：针对工程中的实际问题,由老师进行引导,学生自行收集资料,设计解决方案,进行仿真预测与评估.将理论与实践有机的结合在一起,训练学生学以致用,独立解决问题的能力,以社会需求为标准进行培养.
实践表明,这种教学方式的转变,从课前学生通过在线课程进行针对性预习,到课上对于重点和难点问题的小组讨论和具体阐述；从教师课题项目问题的提出,到学生对项目问题的分析、研究和解决,始终以学生独立自主研究为主,以老师教授引导为辅,并在教学的各个环节中逐步的训练学生运用基础知识解决实际工程问题的能力,从而使学生自身的分析能力,动手能力,理论水平,创新能力等都得到锻炼和发展.
3.实施全方位考核.针对传统的仅从卷面进行考核的方式进行改革,采用下列五种考核方式对学生进行考查评估,使得考核成绩能够更加全面的反应学生的学习情况.（1）先进软件平台训练考核：要求学生能够运用ANSYS软件程序平台对典型机械结构进行分析研究和实验验证,并对实验结果进行分析和解释,得到合理有效的结论.（2）在线网络课程综合评价：利用网络教学平台,通过视频内嵌试题、章节测试、讨论数、任务进度、视频观看时长、课程相关行为轨迹等信息对学生的学习情况进行综合评价.这种大数据式的综合评价,能够更加客观、科学的对学生学习情况进行了解和掌握.（3）开放性卷面考核：合理布局试卷的难易度、深广度、区分度,以复杂实际问题的主观开放题型为主,重点突出对于学生有关机械结构有限元设计思想方法的考核.（4）设计答辩考核：要求学生自由组队、自主选题；查阅资料提出具体的结构设计指标要求和设计方案；建模仿真要求给出仿真结果并分析；完成设计计算报告撰写、答辩PPT,分组答辩总结.
（5）课程目标达成度评估：通过以上四种考核方式对学生的学习情况进行考核了解,然后从工程知识水平、问题分析能力、设计开发解决方案能力、研究能力、沟通能力及终身学习意识六个方面对学生进行分析评估,考查是否达到预定的教学效果.
采用以上五种考核方式对学生的学习情况进行了全面的评估考查,培养了学生独立解决复杂工程问题的时间能力,提高了学生的理论水平,促进了学生自主学习,终生学习及创新能力的培养.
三、课程目标达成度评价分析
自2015年实施教改以来,以学生的学习成果为研究对象,建立了“评价—反馈—改进”的闭环持续改进机制.以下是以成果为导向机械结构有限元分析课程教学实践：
通过2016年与2015年的学生学习成果达成情况比较分析,发现自从实施课程改革以来教学效果明显提升,学生的各项能力指标有了明显提高.但是学生的创新能力提升较为缓慢.因此在2017年的教学中,加大了案例式教学在课程学习中的比重,在课堂教学中增加了更多的工程实际案例,并尝试通过对同一案例从不同角度,不同方法进行讲解,以提高学生的创新意识和能力.从2017年的学生学习成果达成情况分析,学生独立解决复杂工程问题的能力有明显的提升,且其余各种能力也呈现不断上升的趋势,表明基于工程教育认证的机械结构有限元分析在线课程教学改革与实践取了预期的成果.表1为2017年课程目标各项能力达成度评价情况.
从表1中可知,近三年机械结构有限元课程教学改革取得了一定成果,学生理论学习水平、实践能力和创新能力等都得到了显著提升.根据改革的目标设定了6大能力指标,通过对学生的学习情况进行考核,然后依据所设定的目标对学生各种学习实践能力进行评估分析,形成课程目标达成度专业评价表.依据课程目标达成度专业评价表对教学效果进行考查,并通过“评价—反馈—改进”的闭环持续改进机制对教学目标,教学内容,教学方法,考核方式等进行持续的改进,始终围绕以社会需求为导向,以学生能力培养为最终发展目标的培养方针进行教学工作.
四、工程教育专业认证新标准下的在线课程建设成果
该课程利用学校在线课程平台,经过在线课程建设,为教师提供了与学生随时交流的窗口.教师可随时掌握和分析学生的在线学习状况和信息,能够有针对性开展学习辅导,特别是对于哪些问题是学生普遍关心的,哪些知识点是学生理解不到位甚至有偏差的,教师可以据此设置为课堂教学中进行点拨、或作为讨论的重点.在线教学平台系统地搜集学生课后练习的信息,包括正确率,典型的错误,甚至解题过程中的偏差和错误等.教师可以据此设计出全班讲授或个别指导的具体方案和内容.
经在线课程建设后,教师从知识教授中解放出来,根据所教课程特点,强化解决实际问题方面的教学任务.教师在线上教学的同时,腾出时间把线下教学的重点转移到聚焦于复杂实际问题解决的课程实验或课程设计上.作为项目教学通常采用与企业合作的形式,让学生参与完成企业真实的项目开发工作.在建设该在线课程的过程中,发现专业性在线课程要赢得高校师生的认可,必须要有效地解决这门课程传统课堂教学的普遍性问题,或者有效弥补这门课程传统课堂教学的普遍性不足.这就要求在线课程开发应当以问题解决为主要策略,深入研究传统课堂教学普遍存在的问题,针对问题,创新课程的内容、课程的呈现形式,从而形成在线课程的特色和优势.
五、结束语
本文基于工程教育专业认证理念,建立了新的课程培养目标,针对以往教学的不足,从选取优质教材内容,采用在线课堂教学、互动式课堂教学及实践能力课堂教学,利用先进软件平台训练考核、在线网络课程综合评价、开放性卷面考核、设计答辩考核等全方位考核方式对学生学习情况进行考核,结合课程目标达成度评估方式对学生从工程知识水平、问题分析能力、设计开发解决方案能力、研究能力、沟通能力及终身学习意识六个方向对学生能力进行分析考核,通过“评价—反馈—改进”的闭环持续改进机制对教学方式方法进行课程目标达成度评价分析改革.通过在线开放课程建设,整合数字化教学内容,实现学习过程的即时管理,达到师生在线互动,调动学习者参与积极性,将网络资源纳入人才培养体系.始终坚持以学生为中心、产出导向（OBE）和持续改进的核心理念.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.
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