工程教育專業(yè)認證背景下彈性動力學課程教學改革探討

張致付，楊 春

（中國地質大學（北京）地球物理與信息技術學院，北京 100083）

彈性動力學課程是勘查技術與工程專業(yè)的主干基礎課程，是后續(xù)地球物理探測波場知識結構中的重要內容，根據(jù)學校的地礦特色和專業(yè)定位，該課程教學目標為在彈性力學實驗定律基礎上，建立彈性體受力和變形動力學關系認識；掌握地球物理勘查實踐所需要的彈性波傳播方程建模，具備彈性動力學方程求解基本物理量的能力，根據(jù)基本解能夠分析彈性波傳播規(guī)律，培養(yǎng)學生解決復雜工程問題能力。基于勘查技術與工程專業(yè)的培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求，結合本課程特色和教學情況，本課程教學改革探索新的教學模式，建立基于目標達成的課程考核機制，達到提高教學效果和課程教學持續(xù)改進的目的。

1 彈性動力學教學所面臨的問題

彈性動力學課程是勘查技術與工程專業(yè)公認為難教、難學的專業(yè)基礎課，對數(shù)理基礎知識要求高，理論性和邏輯性強，而我們的教育對象為高年級的大學生，他們出生于2000年之后，成長于多媒體時代，動手能力強，擅長運用形象思維，不愿意進行煩瑣的公式推導及分析，這使得在學習該課程時存在困難。經過對該課程的多年教學分析和調研，當前彈性動力學教學中存在一些問題：

（1）目前課程的教學內容和課程教學環(huán)節(jié)缺乏“以學生中心”的教學理念，也沒有按照“成果導向”的理念設計課程教學，教學目標與畢業(yè)要求之間沒有形成良好的支撐關系，不能很好地培養(yǎng)學生分析和解決復雜技術及工程問題的能力，與能源和地礦行業(yè)發(fā)展的實際需求嚴重脫節(jié)。

（2）學生的數(shù)理基礎知識也相對較弱，而彈性動力學的理論較為抽象，建立在大量的公式推導和數(shù)學物理方程求解基礎上，同學們對抽象概念與物理定律的認識有難度。力學知識不夠，為了響應“寬口徑，厚基礎”的策略，沒有為勘查技術與工程專業(yè)安排相關力學課程，涉及的力學知識來自普通物理課，對力學基本概念和分析方法基礎欠缺。

（3）學習的積極性不高，由于彈性動力學課程特點，教材一般偏重理論的完整性和邏輯嚴密性，往往學生認為課程公式和理論繁雜，導致有畏難情緒，對這門專業(yè)課的學習積極度不足。

（4）彈性動力學課程屬于專業(yè)核心基礎課，注重基礎知識，該課程目前的考核方式以期末考試成績?yōu)橹鳎嫉娇偡值?0%，題型以客觀題為主，通常為選擇題、填空題、計算題和分析題，則“標準”答案的試卷可以評價學生對課程基礎知識的掌握程度，無法考查學生對課程的知識思考和分析能力。平時成績只占總分的20%，以課堂實際出勤、課堂表現(xiàn)和課后作業(yè)給出綜合評分，這樣很難調動同學課堂討論的參與度和學習主觀能動性。

因此，針對上述彈性動力學教學中面臨的實際情況，基于新工科視角的工程教育要求，如何根據(jù)勘查技術與工程學生的實際情況對教學方法進行調整，按照以學生為中心、基于成果導向和持續(xù)改進的理念，培養(yǎng)學生解決工程技術問題的能力，鼓勵學生自主學習，達到教學目標是必要的。

2 畢業(yè)要求指標點的支撐分析

2.1 專業(yè)培養(yǎng)目標與畢業(yè)要求指標點

勘查技術與工程專業(yè)培養(yǎng)學生具有良好道德品質，提升學生科學與人文素養(yǎng)，激發(fā)學生潛能和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神，開拓學生國際化視野，鍛煉學生的管理協(xié)作與交流表達能力，使學生具備扎實的數(shù)理基礎、地球科學知識和計算機信息科學，能系統(tǒng)掌握勘查技術與工程的理論和方法技術，培養(yǎng)成為能在資源勘查與開發(fā)、工程勘查、深部探測、災害與環(huán)境監(jiān)測防治、城市地下空間探測、信息服務等領域解決復雜問題的高素質應用創(chuàng)新型人才。

二階矩方法為標準矩張量帶來了額外的信息：用震源橢球表示的震源區(qū)幾何形狀估計、震源過程的持續(xù)時間、時空矩心和破裂擴展的平均速度矢量。使用這一方法，我們研究了具有明顯非雙力偶分量的5個事件并對所有事件獲得了二階矩估計值。通過對不同水平的合成噪聲模擬，在1999年伊茲米特地震的設置中，30%的噪聲水平（與記錄中的峰值振幅相關）已阻礙了二階矩檢索。在我們的練習中，使用偽隨機數(shù)計算機發(fā)生器模擬噪聲并做了相應的濾波。真實噪聲肯定是不同的，但我們認為，它的特定特征比污染的振幅影響小。

《工程教育認證通用標準》設置了12條畢業(yè)要求，畢業(yè)要求指標點是要求工程專業(yè)的學生畢業(yè)應當具備的知識、能力和素質，包括工程知識、問題分析、設計／開發(fā)解決方案、調查研究等。根據(jù)中國地質大學（北京）勘查技術與工程專業(yè)的定位，將畢業(yè)要求分解成12個指標點，畢業(yè)要求各指標點依據(jù)教學大綱分解落實到所有設置的課程，表1展示了彈性動力學課程畢業(yè)要求及觀測指標點。

表1 畢業(yè)要求指標點

2.2 課程目標重構

彈性動力學講述經典力學理論，隨數(shù)學理論及計算技術發(fā)展，被廣泛應用于各種復雜波動問題求解。在工程教育認證和新工科建設背景下，課程的教學由以教為核心逐漸轉變?yōu)橐詫W為中心，因此，教學的內容、手段、組織方法、考核方式都應做出相應的調整。結合我校勘查技術與工程專業(yè)生源質量與培養(yǎng)目標，針對彈性動力學教學大綱內容，以畢業(yè)要求的指標點為指導原則，重新制定了課程目標：

（1）課程目標1：學習和掌握地球物理勘查實踐所需要的彈性波傳播知識，理解彈性動力學的概念、任務及解決問題的方法，能夠熟練進行力學分析、物理模型簡化及數(shù)學方程的求解。

（2）課程目標2：具備彈性動力學方程求解基本物理量的能力，根據(jù)基本解能夠分析彈性波傳播規(guī)律，運用所學的彈性波動力學知識和研究方法對復雜的地震波傳播規(guī)律進行分析和適當?shù)脑u價。

（3）課程目標3：能夠對地球物理勘查中的簡化模型進行彈性波動力學的解析或數(shù)值方法求解，能撰寫彈性波傳播規(guī)律認識實驗課程報告，討論和分析彈性波在地球物理勘查中數(shù)據(jù)采集、處理和解釋的問題。

2.3 支撐性分析

彈性動力學課程屬于勘查技術與工程專業(yè)核心基礎課程，在培養(yǎng)解決復雜工程問題能力方面表現(xiàn)為：能夠應用數(shù)學、物理和地球物理勘查的知識和基本原理，并采用科學方法對系統(tǒng)深入地分析，研究和解決地球物理勘查領域的復雜工程問題。如表1所示,根據(jù)對畢業(yè)要求的指標點和重新制定的課程目標關系分析，彈性動力學課程目標1對應畢業(yè)要求1具有支撐性，課程目標2對應畢業(yè)要求1和2具有支撐性，課程目標3對應畢業(yè)要求2和3具有支撐性。由此可見，彈性動力學課程所支撐的畢業(yè)要求與其所屬課程模塊的功能相吻合。

3 基于OBE理念的課程教學改革

3.1 課程教學改革舉措

3.1.1 信息技術與課程教學結合

這兩年受疫情影響，“互聯(lián)網+教育”得到快速發(fā)展并被廣泛應用于課程教學，各網絡教學平臺如中國MOOC大學、超星直播和雨課堂等與高校均有合作，可以借助網絡教學資源和平臺，開展彈性動力學線上課程內容建設，如課件、程序、視頻及動畫等，也利用互聯(lián)網上提供的公共教育資源，課下學生可以有選擇地在線瀏覽相關課程內容，自主進行課前預習和課后復習。教師在課堂實際教學中，可以適時地使用這些網絡平臺的相關教育資源,充分調動學生的學習興趣,推動以學為中心的課程教學。

3.1.2 問題導向性教學設計

在學生課外自主學習基礎上，課堂基于問題導向性的方式進行教學設計，首先根據(jù)總體的教學內容，分割課內課外知識點，針對學生基礎和學習狀況，布置課程網絡學習內容，在課下學生進行自學；基于問題導向式教學把知識點化作具體問題，通過翻轉課堂的方式進行教學，騰出部分時間引導學生進行理論分析和技術應用思考，將背景知識、工程問題等與講授的內容進行結，培養(yǎng)學生提出和解決工程技術問題的能力。

3.1.3 課程實驗內容安排

彈性動力學課程中很多理論和規(guī)律認識需要數(shù)值實驗驗證，上機實驗是非常重要的實踐環(huán)節(jié)，通過精心的教學內容設計，重點講解彈性動力學的應力分析、應變分析和虎克定律等理論，分析彈性波在全空間及半空間的傳播規(guī)律，結合巖石物理和地震波傳播統(tǒng)籌安排實驗教學內容，將難懂的理論知識教學與上機實驗教學相結合，使學生更直接、更深刻地理解彈性波傳播。對于在課堂上遇到工程或技術知識，還可以與教師的科研實驗相聯(lián)系，提升學生的動手能力和解決工程實踐問題的能力。

3.2 基于目標達成度的課程考核

工程教育專業(yè)認證為了工程專業(yè)的教學持續(xù)改進，需要進行合理的課程教學考核，來評價課程教學效果。彈性動力學課程理論性強，以前考核方式采取以期末筆試為主。而這樣的課程考核方法會導致同學們臨時突擊，死記硬背公式和知識點，缺乏綜合能力的考核。根據(jù)勘查技術與工程新工科建設和專業(yè)認證要求，強調課程過程考核的重要性，對考核方式作了調整，大幅度提高平時成績達到50%，更加注重過程考核，考核方式改革為全面考核。

基于彈性動力學課程目標制定了定量化考核方法，以課程目標達成度定量考核和評價，促使課程教學逐步完善和持續(xù)改進。課程目標的達成情況采用多種考核方式綜合評價，采用五種考核方式：考勤、作業(yè)、實驗、期中測驗和期末考試，檢查同學們對教學大綱規(guī)定的知識點掌握程度和應用分析能力。課程目標達成度定量評價學生知識的掌握程度，也能夠評價教師授課質量，對課程教學成果的綜合體現(xiàn)。彈性動力學課程目標總體達成度的具體計算采用加權平均方法，對考勤、作業(yè)、實驗、期中測驗及期末考試的各項考核成績給出實際得分（百分制），或對不同等級（不及格、及格、良好和優(yōu)秀）目標達成度的進行取值；同時對以上五種考核方式在課程成績中的權值；計算得到一個綜合成績，實現(xiàn)總體課程目標達成定量的考核。按照上述計算方法統(tǒng)計課程目標達成度，以此評價課程目標對畢業(yè)要求的支撐情況。

除了總體目標達成度評價，也可以對課程分目標達成度定量進行評價，這時分別計算課程目標1、課程目標2和課程目標3的達成度，其權值系數(shù)為考核方式中對應各課程目標的權重，教師可在子項目中輸入實際得分，根據(jù)各分目標達成度完成情況進行總結分析，對課程內容和課堂教學進行持續(xù)改進，以提高學生的學習興趣和學習效果，達到工程教育專業(yè)認證畢業(yè)要求。

3.3 課程持續(xù)改進

工程教育認證的理念是堅持持續(xù)改進，根據(jù)課程目標達成度考核結果，可以評價各課程目標的教學效果和達成情況，對彈性動力學課程針對性持續(xù)改進，各課程目標采取不同的改進措施，針對課程目標1，要求學生提前做好基礎知識的準備預期，使學生帶著問題來聽課和討論，同時課后通過作業(yè)進行復習和鞏固，增加對基礎理論知識的理解和掌握程度。針對課程目標2和3，對本課程的教學內容和教學方法進行適當調整，在教學方法上，增加討論和翻轉課堂的教學，針對彈性波方程求解和規(guī)律認識等內容進行講解、分析、對比和討論，重點培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力。

4 結語

以工程教育專業(yè)認證和新工科建設為契機，改革彈性動力學課程教學目標、教學手段和考核模式，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)、提出并解決工程和技術問題的能力。針對目前彈性動力學課程實踐教學中存在的問題，基于工程教育認證的畢業(yè)要求和我校勘查技術與工程的專業(yè)定位，重新制定了課程目標，該目標對支撐的畢業(yè)要求與其所屬課程模塊的功能相吻合。給出了彈性動力學課程教學改革措施，并采用基于目標達成度的課程考核評價辦法，為彈性動力學課程達到專業(yè)認證要求進行持續(xù)改進提供保證，該方案可為同類院校的勘查技術與工程及地球物理學專業(yè)的彈性動力學課程提供參考。