OBE教育模式下的應用型課程教學改革研究

何業增 陳正 徐杰 吉喆

摘? 要：計算材料學是一門跨學科課程，其所具有的理論性和應用性特征無法有機統一，使得“學以致用”的教育目標難以實現。文章試圖將基于學習結果和產出為導向的OBE教育理念引入計算材料學課程，并結合學生自身科研課題來優化和篩選教學內容，改革教學方式方法，提高學生學習動力，幫助學生更快更好地進入研究課題。

關鍵詞：計算材料學；OBE教育模式；教學改革；研究生教育

中圖分類號：G420? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2023）11-0145-04

基金項目：中國礦業大學研究生教育教學改革研究與實踐項目“基于‘課堂+課題二元載體的研究生課程教學改革實踐——以計算材料學為例”（項目編號：2021Y02）。

作者簡介：何業增（1987—），男，博士，中國礦業大學材料與物理學院副教授，研究方向為亞穩材料設計制備及性能；陳正（1980—），男，博士，中國礦業大學材料與物理學院教授，研究方向為新金屬結構材料及成形；徐杰（1978—），女，博士，中國礦業大學材料與物理學院副教授，研究方向為金屬焊接有限元數值模擬；吉喆（1981—），博士，男，中國礦業大學材料與物理學院副教授，研究方向為塑性成形技術及微觀機理。

國家《國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》指出，要“分類建設一流大學和一流學科，支持發展高水平研究型大學。建設高質量本科教育，推進部分普通本科高校向應用型轉變”。近年來，中國礦業大學在“強工、厚理、精文、拓醫，育新”的學科布局和發展思路基礎上，積極貫徹落實國家和教育部實施的研究生培養機制改革文件精神，不斷加大研究生培養機制改革力度，把研究生教育作為建設研究型高水平大學的重要突破口，不斷完善學科體系，提高教育質量，促進內涵發展，逐步形成了研究生教育教學水平和創新能力穩步提升的良好局面。但也面臨著新的挑戰，如研究生創新能力、實踐能力及解決問題的能力等仍總體偏弱；教學和科研實踐環節聯系不夠緊密，是課程實施中的軟肋；課程作為人才培養核心要素的強化建設未得到足夠重視等。

OBE（Outcome Based Education）教育模式是一種“以結果定勝負”“以成敗論英雄”的教育模式［1］。該模式以學生實際需求為導向，注重教育效果，教育目標變得更加明確，教育內容更加務實，教學方法更加系統，考核方式更加靈活［2］。當今高等學校的教育改革和人才培養面臨著新的目標和挑戰，既要適應國家教育環境，滿足國家教育戰略的要求，又要抓住發展機遇，加強創新型、應用型人才的培養。因此，能夠有效推動應用型教育改革、提高應用型人才培養質量的OBE理念在全國理工科院校引起了廣泛的關注。

計算材料學是一門快速發展的交叉學科，通過結合材料科學和計算機科學，實現材料科學研究中理論和實驗之間的連接。學習計算材料學課程能夠培養學生良好的思維能力，使他們能夠進行模擬實驗，從理論上設計新材料，預測其特性，最終實現有效制備［3］。將OBE教育模式引入計算材料學課程有助于激發學生的學習興趣，該模式強調以學生的學習結果為驅動力，而這又導致了教育活動和評估標準的設計。教師在OBE教育理念的指導下能夠進一步優化課程內容和環節，更新教學方法，重視對學生學習成果的評價，提高教學質量。

一、課程教學現狀分析

計算材料學課程是中國礦業大學材料科學與工程專業碩士研究生的一門專業課程，學習該課程有助于材料類專業學生更加深刻地理解“組織—結構—性能”本構關系，掌握并應用計算材料學于科研，能大大縮短研發周期、降低研發成本、提高科研效率。傳統的灌輸式教學中，教師所講授內容雖涉及前沿研究進展，但仍然是通過第三方資料進行的“二手講授”，學生被動接受知識，沒有足夠的思考時間和理解空間，易使學生失去對學習的興趣與熱情［4］。

（一）高等院校對計算材料學課程重視程度不夠

計算材料學是中國礦業大學近年來新設立的專業性課程，目前缺乏系統合理的課程體系和人才培養模式。對于以礦業為專業特色的工科背景院校，學校對理學類專業課程如計算材料學的學分學時分配、專業課重要性定位等缺乏足夠重視，導致材料類專業學生輕理重工，對部分聽起來較難的選修性專業理論課程望而卻步，使得歷年計算材料學課程選課人數偏少，并呈下降趨勢。

（二）教學內容模糊不清

作為材料類研究生專業的課程之一，計算機材料學課程在教學過程中存在一些問題。長期以來，學校按照傳統的學科導向的邏輯思維模式和技術路線來設置和開發課程，造成了應用型教育的兩個嚴重脫節：首先，培訓目標和社會需求之間存在脫節；其次，課程設置與培養目標之間存在脫節。盡管內容很豐富，知識結構也很系統合理，但學生卻依舊很困惑，因為他們不知道這些知識和理論究竟可以用在哪里，也不知道如何在自己的科研課題中運用這些知識。因此，他們常常失去學習的興趣和動力。要解決這些問題，就必須改革教育目標和內容，制定明確的教育目標，將教育內容與學生的主題緊密聯系起來，使學生能夠理論聯系實際，不僅要死板地應用所學知識，而且要靈活地應用于現實世界。

（三）“灌輸式”教學

本課程主要以傳統的教師課堂教學為主導，采用講授法的教學模式，課堂可控性強，便于傳授知識，但另一方面，忽視了學生才是教學的主體。教師在講臺上教授理論知識并以一些通俗的案例指導學生學習，但是無法確定學習內容是否對學生的科研課題有用。枯燥的理論知識學習，學習自己課題用不到的軟件，在很大程度上限制了對學生自主學習能力和創新精神的培養，減少了學生學習的熱情。

二、計算材料學課程教學改革研究

本著“理論與實踐深度融合、強化研究生科研創新能力培養”的教學改革宗旨，本研究制定了課程教學改革總體方案，如圖1所示。

（一）優化教學內容

第一原理計算、分子動力學、蒙特卡洛法、相場法和有限元方法等是計算材料學研究的主要方法。由于授課時間和學生知識面有限，這些研究方法不能一一詳細學習。OBE教學理念允許教師從研究生自身研究課題出發設定學習目標，并對原有的教學內容進行優化和改進。根據各研究方法的特點和實際教學情況，將內容分為電子尺度、原子尺度和宏觀尺度三類，并將每一類分為若干模塊，從中選擇有代表性的模塊，對相關研究方法進行詳細教學。

電子尺度可以第一性原理方法為代表，在大多數情況下是基于物質的內在物理常數，物質基態的基本屬性可以在沒有經驗參數的情況下計算出來。該方法的便利性和準確性主要表現在只需要通過三個簡單的步驟就可以得到實際結果的近似值：輸入原子構型、編寫能夠完成研究目標的輸入文件、選取合適的贗勢和K-points。通過學習電子尺度的理論知識，掌握軟件的基本操作后，學生可根據自己的科研課題進行深入練習。

原子尺度方法主要包括分子動力學、蒙特卡洛模擬等。其中，基于牛頓力學的分子動力學方法最具代表性。分子動力學是一系列的分子或原子，在勢場的作用下以牛頓力學為基礎進行運動，從而計算出體系原子隨時間以及外部環境的變化軌跡，然后用來進一步計算體系的勢能、動能、溫度、強度、熔點等宏觀屬性。分子動力學可采用NPT、NVT、NVE等系綜來模擬周圍環境，在計算宏觀特性時比蒙特卡羅法更簡單、更準確，在計算微觀特性時比第一性原理計算體系更大，可廣泛用于材料科學、基礎科學、生物醫藥等領域。通過分子動力學方法，學生可以在微觀層面上了解材料的內部反應機理，并將其運用到自己的研究生課題方向上。

在宏觀尺度上，教師可以引入相場法和有限元分析。相場法以Ginzburg-Landau理論為物理基礎，主要針對材料組織相變過程，通過設置基于特定物理機制的微分方程，然后以編程或商業軟件進行求解，可以確定整個系統在不同時間和空間時的瞬時狀態。當使用有限元方法求解時，整個問題域通常被離散為若干個子域，每個離散域被看作立單元，這些離散單元由節點連接。每種單元都設置了相應的屬性（例如剛度方程）來描述變形狀態或過程。各個單元的屬性可以合成整個結構的屬性，通過矩陣求解可以得到整個工程問題的接［5］。

（二）改革對策

1. 提高院校對計算材料學課程的重視。認知強度直接決定改革成效。在課程改革工作中，首先，要加快提升計算材料學課程的教學質量，不僅要做到平穩有序地傳授課堂知識，更要注重學生學習興趣的培養、學習能力的鍛煉以及綜合素質的提高。其次，學校應牽頭組織專家學者、教育經驗豐富的教師開展科學研討，對計算材料學教學大綱、教學計劃等內容進行全面改革，積極構建合理的教學方針。最后，適當提高計算材料學課程在學生選修課程的學分比重及課時分配，并加強對課程內容的重要性宣傳，從而調動學生學習的熱情。

2. 理論和實驗相結合。計算材料學是一門非常抽象的理論學科，但傳統的教育模式強調知識，忽視了對學生動手能力的培養，教師簡單地講解理論和教授通俗案例，最終導致學生知其然而不知其所以然，從而難以激發學生的學習動力。因此，教學通過模擬將理論與材料問題的實驗研究相結合，以提升學生學習動力。在理論和實驗二合一教學環節中，學生一定是教育過程的主體，教師則是指導者，為了研究材料結構及性能的目的，選擇和實施適當的計算模擬方法，實現真正意義上的教和學同時進行。這不僅能使學生積極參與到課程教學中，而且有助于培養學生的發散性思維和解決問題的能力。

3. 課題驅動法。研究生根據學科方向選擇合適的軟件進行學習，教師則承擔起引導科研思路和教授模擬方法的作用。研究生結合自己的課題方向，參考文獻資料，確定計算思路和方法，然后利用軟件進行結構建模，設定目標參數和求解步驟，最后整理分析結構數據，得出研究結論。通過積極參與科研項目的實際操作過程，從參考文獻、申請項目、設計方案，到操作軟件、分析結果并與實際情況進行比較，甚至撰寫項目論文，研究生在每個階段都有助于提升自己的科研能力。這樣既能讓學生把學到的理論知識運用與實際相結合，又培養了學生的創新思維能力，提高了他們的科學素養。學生參與和研究課題密切相關的實驗項目，為他們日后畢業融入科研團隊奠定了堅實的基礎，提升了學生的積極性。

4. 開展研究性教學。計算材料學課程結合實驗和理論，是材料科學領域的一個新興研究方向，特別適合于研究性教育。研究性教學強調學習的獨立性、實踐性和探索性，培養學生的學習、研究和創造能力。通過將研究性教育的概念應用于計算材料學課程，理論與實踐緊密相連，引導學生將所學的計算材料學方法應用于分析和解決具體的材料研究問題。學生根據研究課題進行分組，可以從陶瓷材料、新能源材料、金屬材料、儲能材料等各個方向選擇切入點，進行模擬研究。學生查閱所選課題方向的相關文獻，了解所選方向的最新研究進展，在小組成員之間進行交叉參考和討論，并綜合討論結果，制定實驗主題。教師分析所選課題的可行性，并根據學生PPT匯報時出現的問題提出修改意見。在課堂結束時，每個小組根據討論中確定的方案完成模擬，并在課堂上繼續用PPT展示模擬和分析的結果，最后在教師的指導下，對剩余的問題進行闡述和處理，并將對模擬問題的分析和討論得出的結論作為報告提交。

5. 構建課程網絡學習平臺。學生可以在自己的筆記本電腦上安裝計算軟件，并登錄到教師的計算服務器上，通過互聯網對外訪問提交計算作業。在課堂上學習后，學生可以利用課外空閑時間繼續深入學習，并在下一堂課上通過云服務器展示他們的研究成果，確保課堂和課外時間得到充分有效的利用，激發學生的學習熱情。教師和學生可以使用現代通訊工具，如電子郵件、聊天軟件或在線會議，在網上進行答疑和交流專業知識。

6. 創建多元化考核評價體系。傳統的評價方式是以學生的期末考試成績為主，但是并不適用于計算材料學課程。引入OBE教育理念后，通過細化實驗考核內容，采用多樣性的考核評價方式衡量學生實際學習效果，在教學過程中及時檢驗和記錄。考核評價要充分考慮成果產出，包括模擬條件的設置、模擬過程的安排、模擬結果的分析，從而能夠充分反映學生在學習過程中的多元化表現［6］。放棄單一的考試方式，轉而采用注重學生學習過程整體性的能力評估，將學生的學習目標、學習態度、學習能力、課堂態度和學習成果等整體特征納入評估。以成果為引導的OBE評價體系，讓學生在整個評估過程中發揮主導作用，提升了教學過程中的學習動力及學習效果。學生在學習過程中自我評估、反思，不僅有助于學生對知識和技能的掌握，更有助于培養其良好的學習習慣和科研態度。整個學習過程中，不同的學習成果有不同的考核標準，制訂多元考核標準，促使學生完成不同學習目標下的學習成果。

三、結語

OBE 教育以學生為主體，以結果為導向，是對傳統教育理念的一種創新，在新時期的應用型教育中應借助這一教育模式。在OBE教學模式的指導下，本研究開展了計算材料學課程的教學改革，結合學生科研課題，優化和定制教學內容，改變傳統教學方法，變換教學手段，合理設置課程評價方式。這一系列的措施對于促進課程教學的發展，調動學生學習計算材料學課程這一抽象的理論課程的積極性和興趣具有重要意義。在計算材料學課程建設中引入OBE理念的探索和改革，明確和強化了課程教學過程中教師引導和學生主體的作用，幫助學生更快更好地進入自己的研究課題，激發其學習潛力，鍛煉其科研和實踐能力，這將有助于建立高質量的教育系統和引領人才高質量培養，為培養理論基礎扎實、技術能力過硬的“具有良好創新能力的應用型、復合型高層次工程技術”人才提供有力支撐。

參考文獻：

［1］ 張男星，張煉，王新鳳，等. 理解OBE：起源、核心與實踐邊界——兼議專業教育的范式轉變［J］. 高等工程教育研究，2020，182（03）：109-115.

［2］ 楊華. 基于OBE教育理念的大學英語讀寫課程教學改革——評《學習成果導向高等（職業）教育專業與課程開發指南：基于OBE專業（群）認證與高水平建設》［J］. 中國教育學刊，2022（05）：145.

［3］ 郭丹，金劍鋒，王明濤，等. 新工科背景下計算材料學實驗教學改革與實踐［J］. 實驗室研究與探索，2022，41（03）：181-186.

［4］ 湛永鐘，聶娜，黃金芳，等. 計算材料學課程的教學改革與實踐［J］. 大學教育，2016，74（08）：155-156.

［5］ 劉翠霞，呂志剛，馬志軍. 基于OBE教育理念的《計算材料學》創新教育模式探索［J］. 廣州化工，2021，49（12）：190-192.

［6］ 竇曉波，黃學良，胡敏強. 以“學習產出”理念制訂電氣工程專業人才培養方案［J］. 電氣電子教學學報，2010，32（S1）：1-4+12.

（責任編輯：羅欣）