OBE理念下《计算机在材料科学中的应用》课程思政教学改革探索.pdf

157 教改前沿JIAO GAI QIAN YANOBE 理念下计算机在材料科学中的应用课程思政教学改革探索张国尚冯日宝李亚娟中国民航大学 理学院（天津市300300）摘要：课程思政是高校落实立德树人和价值引领教育根本任务的重要手段，专业课程应与思想政治课程同向同行，形成协同效应。尽管我国高校课程思政建设取得了长足进展，然而现实中仍存在一定生硬结合、“两张皮”现象。基于OBE 理念对计算机在材料科学中的应用课程进行了思政元素的挖掘，通过设计典型案例及教学方式将“四大教育”思政元素有机融入到课程中，把价值引领自然贯穿于教学中，取得了一定育人成效。关键词：OBE课程思政四大教育有机融入1引言2016 年，习近平总书记在全国高校思想政治工作会议的重要讲话中强调教育的根本任务是“立德树人”，要把育人工作贯穿教育教学全过程，各类课程与思想政治理论课要同向同行，形成协同效应1。教育部根据习总书记的重要论述制定了高等学校课程思政建设指导纲要2，进一步明确了课程思政建设要科学设计课程思政教学体系、结合专业特点分类推进课程思政建设。全面推进课程思政建设，寓价值观引导于知识传授和能力培养之中成为当前高等教育进行教学改革的头等大事。计算机在材料科学中的应用是将计算机技术应用到材料科学中，讲述材料科学中从微观到宏观层次的理论分析、建模和求解，以及材料成形、检测等过程中计算机控制的跨学科课程。课程知识点多、与学生未来职业发展结合不紧密，以教师为中心的传统教学模式面临学生学习目标不明确、学习兴趣低等问题。OBE（outcome-based education）理念是以成果为导向的教育，重点突出“学生中心、成果导向、持续改进”工程教育理念。该理念以学生学习成果为导向，逆向确定教学环节，使教学更具有针对性，在一些内容繁杂的虚实结合课程或实训教学中提高了学生的工程实践能力3-4，一些研究者基于 OBE 理念的课程思政改革也取得了一定成效5-6，但仍存在一定程度思想政治教育与专业内容生硬结合现象。立足我校主要面向未来民航发展需求人才培养的实际，基于 OBE 理念结合课程特点重构教学内容，深入挖掘思政元素，将思政元素如何润物无声地融入到教学过程中及如何评价思政效果进行了探索，以解决专业教学与思想政治课“两张皮”问题。2课程思政元素挖掘做好课程思政，如何挖掘课程思政元素、确定课程思政元素内涵成为首要问题。2.1课程思政知识储备教师思想政治状况具有很强的示范性，作为课程思政主体的教师必须具有较高政治素养、思想道德素养和文化素养。专业课教师要不断学习国家的大政方针，掌握社会主义核心价值观的内涵。此外，要了解名人轶事、社会热点问题、学校文化，充分理解辩证唯物主义思想和哲学思想。通过持续学习不断拓展课程思政元素挖掘的视野，丰富课程思政元素挖掘的供给。2.2课程思政元素范围高等学校课程思政建设指导纲要则进一步指出：“理学、工学类专业课程。要在课程教学中把马克思主义立场观点方法的教育与科学精神的培养结合起来，提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力。理学类专业课程，要注重科学思维方法的训练和科学伦理的教育，培养学生探索未知、追求真理、勇攀科学高峰的责任感和使命感。工学类专业课程，要注重强化学生工程伦理教育，培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当”2。从课程思政与思想政治理论课同向同行要求看思政元素范围还包括人生观与价值观教育、理想信念教育、爱国主义为核心的民族精神教育、改革创新为核心的时代精神教育、道德修养教育、法治素养教育。此外，思政元素的挖掘还需结合学校特色，充分挖掘与民航相关的人和事。2.3课程思政元素挖掘方法为实现价值引领作用，教师在教学设计过程中要围绕教学内容精心挖掘思政元素，下面通过一些实例阐述思政元素挖掘方法。2.3.1依据课程的概念、公式及方法在计算机控制章节中介绍 PID 公式的含义时，融入相互配合协作的思想。在自动控制仪表中，常用的几种基本控制规律 P(比例)、I(积分)、D(微分)都有各自的优缺点，P 作用强，但会留下余差，I 可以消除余差，但动态反应慢，D 能够提前预控，但偏差变化小时其作用较弱。如果简单采用其中某种控制方式，系统的动静态特性将达不到所期望的特性值。因此，有必要采用它们三者的组合方式，相互配合，发挥各自优势，完成最优调节。从 PID 控制看个人与集体的辩证关系：每个人都有自己的长处和不足，只有发挥集体的力量，才能做大事7。2.3.2依据科学家的故事在讲述热传导方程时，法国科学家傅里叶早在 1807 年就发表158教改前沿JIAO GAI QIAN YAN关于热传导的论著热的传播，1811 年他又提交了修改后的论文并获科学院大奖。然而此时傅里叶并没有止步，于 1822 年傅里叶出版了专著热的解析理论，将欧拉、伯努利等在一些特殊情形中应用的三角级数方法发展成一般理论，用三角级数解热传导方程，又为了处理无穷区域的热传导问题导出了“傅里叶积分”，三角级数收敛性的问题更促成了集合论的诞生。说明尽管最初傅里叶研究的是物理的热传导问题，但他又为数学研究做出重大贡献，让学生懂得知识间的相互联系并进一步理解学无止境的内涵。通过介绍我国数学家冯康在求解刘家峡大坝应力分析时运用求异思维独立提出有限元方法的背景、创新思维方法、知识储备及人格魅力，引导学生注重数理基础、培养民族自信、养成良好品德。2.3.3依据典型案例在计算机文献检索方法内容中，通过翟天临知网事件，引导学生正确引用文献，尊重他人成果，养成诚实守信、遵纪守法的品格；通过检索“两航起义”始末，了解中国共产党领导的爱国壮举及对中国民航发展的重要意义；通过观看电影“中国机长”，了解社会主义核心价值观及民航职业责任与担当。在数学建模方法内容中，通过渗碳工艺中的数学建模案例，引导学生按照矛盾论的观点和方法学习，抓主要矛盾，学会透过现象看本质。在介绍人工智能内容时，介绍了 1999 年温州瑞安空难。事故原因是错误地安装了不符合规定的自锁螺母，而在维修中又未能予以发现，飞机飞行中螺母旋出，连接螺栓脱落，造成飞机俯仰通道的操纵失效而失事，说明民航工作严谨的重要性，引导学生思考如何运用所学的人工智能技术最大限度减少此类事故发生。在虚实结合设计中，通过 1996 年西昌长征三号运载火箭重大事故和当今我国航天的重大成就说明注重细节、精益求精的重要性和失败是成功之母的辩证唯物主义思想。2.4课程思政目标和案例素材通过深入挖掘，可将课程思政元素概括为“四大教育”：科学精神教育，即追求真理、批判质疑、探究创新；工程伦理教育，即行为规范、敬畏职责、客观公正；实践能力教育，即理论建模、实验验证、团队协作；爱国敬业教育，即家国情怀、敬业奉献、忠诚担当。从而引出课程的思政目标为以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，坚持立德树人、全方位育人，将马克思主义哲学观和学生理想信念教育、爱国主义教育紧密结合起来，弘扬以“两弹一星”“两航起义”“国产大飞机”等为标志的特色文化，使学生接受“四大教育”和民航文化熏陶，培养具有显著民航特征的创新型人才。根据课程目标对教学内容进行了重构，开发了融入课程思政的教学案例并设计了结课大作业项目。教学案例及大作业设计中遵循以下原则，以解决思想政治课与专业课思政教育“两张皮”问题，达到界面相容、协同增效的教学效果：（1）复杂多样且能反映课程内容和前沿问题；（2）工程问题的抽象、仿真与实验验证并重；（3）对学生人生观、价值观及思维能力培养具有引领作用。3课程思政教学设计思政元素的融入依据教学内容的不同采取不同的形式，主要有以下几种途径：（1）线上与线下相结合。如科学家勇于探索的精神、革命先烈矢志报国的家国情怀这些事迹可以让学生在线下阅读，课下随机分组讨论、课上教师总结的方式进行，培养学生的社会主义核心价值观和与人沟通能力。（2）虚拟仿真与实验验证相结合。该课程重点培养学生的对工程问题的建模能力和实验验证能力，教学中注重引导学生要抓住事物的主要矛盾对工程问题进行合理简化，运用自制平台对仿真结果进行验证，主要对学生进行工程能力教育。（3）结课大作业中课程思政元素的综合融入。结课大作业作为课程成绩的重要组成部分，采用分组进行的形式，每 3-5 人为一组随机分组共同完成一个复杂工程问题，每个人对自己所负责部分单独答辩，重点培养学生的团结协作意识和探索未知、追求真理的科学精神。实施过程中教师和学生共同学习提高，并鼓励学生对兴趣的问题自拟题目。在案例及大作业实施过程中，遵循以下原则：（1）教师要为人师表和专业过硬；（2）采用批判性讲授，引导学生深入思考和探求真理；（3）激发学生创新和终身学习意识；（4）通过深入分析促进学学生践行工程伦理和爱国敬业使命担当。下面以悬臂梁受力分析为例，融合课程思政，采用启发式、探究式教学方法进行教学设计。3.1问题导入国产大飞机即将投入商业运营，这是国家综合实力的象征，会带动相关产业的发展、提高民航业的经济效益和促进就业，我校的部分校友和教师也参与了其中的研制工作。那么，飞机结构及尺寸如何确定？从而引出飞机的受力分析。在分析飞机受力时，抓主要矛盾，透过现象看本质，将复杂的工程问题合理简化建立模型。飞机水平匀速直线飞行时，作用在机身上的各种载荷包括发动机推力、阻力、重力和升力。机身的受载形式类似于承受集中载荷及分布载荷的变刚度梁，而后机身可以看成悬臂梁，所有载荷在“支点”（即升力中心）处得到了平衡，水平尾翼产生的总体平衡载荷使后机身在水平方向产生弯曲变形，这样就引出悬臂梁受力弯曲变形问题，引导学生学习复杂工程结构简化为简单模型的方法，同时通过身边的人和事了解国家最新成就。3.2分析案例引出原理悬臂梁的应力及变形分析在工程力学课程中已经学习过，具有明确的解析解。然而对于飞机这种涉及多种材料类型、复杂几何形状的实际结构，解析解误差较大，难以满足现代飞机设计要求。为了解决此类问题，科学家提出了有限元方法，然后介绍该方法的发展历程。在有限元方法的介绍中重点讲授了我国科学家冯康的贡献，冯康于 1965 年在国外全面封锁条件下独立提出有限元法并于 1984 年提出基于辛几何计算哈密尔顿体系的方法。这两次突破都是在中国土地上由中国科学家实现的，而成果又具有世界意义。既具有非凡的创新性基础研究，又能解决重大实际问题，可谓顶天立地的成果。接下来引导学生思考冯康为什么能在那么艰苦的环境中取得这么重大的成就，其成功的奥秘是什么？这个问题留作课下作业，通过学习通随机分组讨论完成。学生们通过查阅相关资料得出结论，教师再做总结，包括深厚的文化素159 教改前沿JIAO GAI QIAN YAN养、宽广的专业基础、理论与实践相辅相成、厚积薄发、实践出题、求异思维。此外，还要学习冯康的科学精神和科学思想，包括独立思考、勇于创新、不盲从权威、不搞一言堂、嫉恶如仇、大公无私、矢志不渝、志存高远。冯康的事迹也让学生学好数理知识及计算机的重要性，减少对课程的抵触情绪。运用有限元方法如何计算是接下来要解决的问题，可通过构造相关方程求解或有限元软件分析。计算结果是否正确如何判断，这时要引导学生采用批判质疑的态度看问题，不要盲从权威、相信实践才是检验真理的唯一标准。通过在自主研发的力-热-电材料教学平台上进行实验获得应力及变形，从而与解析解及有限元解进行对比，分析结果不一致的原因，得出结论。通过连续启发，层层推进方法，不仅激发学生的学习兴趣，而且培养了学生科学思维能力。3.3理论联系实际我们学习了有限元方法，如何应用该方法解决实际问题呢？我们看这样一个问题，飞机舷窗是设计成方形还是椭圆形，哪种形状更合理？根据前面的分析，飞机舷窗可以看做在悬臂梁上开孔，通过有限元分析可知方形窗户会导致很大的应力集中，这也是彗星号客机在一年之内发生 3 次解体坠毁事故的原因。随后引出课下作业题，启发学生领会在彗星号客机事故原因调查中所用的方法及严谨科学的敬业精神，要求学生深入探讨当材料特性及载荷类型变化时如何建立仿真模型、如何验证。这既培养学生的解决实际问题的能力，也让学生感受到民航工作的严谨性、对生命的敬畏。3.4案例总结材料科学领域众多工程问题都可以进行简化，简化过程中要抓主要矛盾、透过现象看本质。简化的结构可以通过有限元法进行计算，对计算结果我们应该持批判质疑的态度，要学会通过建立模拟实验来验证，实验是检验结果正确与否的重要手段，尽量做到虚实结合。冯康的创新启示、科学精神和思想值得深入学习领会，课下要完成好慧星 1 号客机空难中失效分析方法及启示，如图1所示。最后对学生提出期望，与开头的大飞机背景做出呼应，希望各位同学在今后学习中学好各门课程、全面发展，将来为国产大飞机翱翔于蓝天保驾护航！4课程思政教学评价与评价学学生知识、能力不同，课程思政教学目标宏观抽象，多属于意识形态、价价值塑造范畴，缺乏有效具体量化指标进行评价。下面采用基于学生认知、能力、情感领域的学学习体验评价，将评教与评学相结合、定性与定量相结合，聚焦过程性评价，关注整体性发展。通过课程思政建设，学生的学习兴趣、学习方法、责任感和使命感、学习效果以及评教成绩等方面有了明显提高，具体表现如下：（1）学习兴趣的变化。该课程为非考研课程，但改革后所选案例均具有很强的工程背景并蕴含丰富的思政元素，学生通过这门课程不仅学到了前沿知识还丰富了人生哲理，出勤率和上课认真听讲人数显著增加。（2）学习方法的变化。课程采用平时成绩（出勤、作业、实验）+期末大作业的进程性评价代替传统的终结性考试评价，题目具有一定的开放性，学生的学习方法从被动记忆生搬硬套为主转变为主动思考提出问题、分析问题、解决问题为主。（3）责任感和使命感变化。通过介绍优秀的历史人物、重要历史事件以及身边发生的真人真事，使学生了解在中国共产党领导下我国取得的重大成就，同时也意识到与国外最先进水平存在的差距，学生对国家发展前景更加自信、科技报国的使命意识显著提高。（4）学习效果的变化。通过课程思政，学生作业的思考深度、完成质量明显提升，普遍较好的掌握了有限元等数值模拟技术及实验验证方法，其中两位同学将作业内容参加全国大学生物理实验创新赛并获得奖励。（5）学生对教师教学的评教变化。学生对教师的评教成绩比之前提高近 2%，学生留言说课堂内容比较丰富、有趣，里面蕴含着很多人生哲理，有理论、有实践，学习过程比较痛苦，但收获很大。5结束语课程思政是高校落实立德树人根本任务的重要举措，是塑造学生优良品格的重要途径。基于 OBE 理论从思政元素的挖掘、融入、评价方面对计算机在材料科学中的应用课程思政进行探索，通过精心设计的案例和大作业项目结合相应的教学方式实现了专业课和思想政治课协同育人。课程思政是一项任重道远的工作，教师在教学过程中要认真梳理教学内容，不断挖掘思政元素，并将思政元素润物无声融入到教学中，在学生思想道德教育方面起到引领作用。基金项目：中国民航大学课程思政示范建设课程（CAUC-2021-B1-048）。参考文献：1 习近平.把思想政治工作贯穿教育教学全过程 开创我国高等教育事业发展新局面 N.人民日报，2016-12-09.2 教育部教育部关于印发高等学校课程思政建设指导纲要的通知EB/OL.http:/ 刘亮元,师向群,袁海军.基于 OBE 理念的天线课程工程实践教学研究 J.实验技术与管理,2020,37(10):197-200.4 赵巍,刘梦莹,刘学斌,等.基于 OBE 理念的虚实结合实训教学体系实践 J.实验技术与管理,2018,35(03):185-189+232.5 王芳,王凯,张晓明.基于 OBE 理念的程序设计基础课程思政改革与实践 J.计算机教育,2021(07):32-36+41.6孙宏伟,范馨予.基于OBE与PBL的课程思政建设路径探析J.黑龙江教育(高教研究与评估),2021(11):81-82.7 王培进.从 PID 控制算法看人文素养与科学素养相融合的课程思政 J.工业和信息化教育,2021(03):6-9.作者简介：张国尚：（1977），男，河北滦南人，博士，讲师。研究方向：材料损伤探测与结构完整性评定。