基于移動終端的交互式學習系統構建與實踐

摘要：隨著科學與信息技術的飛速發展，傳統的力學課堂和教學方法受到巨大沖擊，緊跟時代發展，改革本科力學教學方式迫在眉睫。以專業基礎課工程力學課程為例，指出課程在專業人才培養中的地位與重要性，總結了工程力學課程在傳統教學模式下教學實踐中存在的問題，簡述了基于學習通APP的交互式移動學習系統的課程構建過程，提出“課堂教學+交互式移動學習系統運用”的混合式教學模式，并在課程結束后對學生進行滿意度調查和教學效果驗證，指出此種混合式教學模式的優勢與弊端，以期為本科高校力學課程教學改革提供參考。

關鍵詞：移動終端;交互式;工程力學;課程教學

中圖分類號：G642.0;TB12 ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：1005-2909（2020）04-0137-08

一、工程力學課程在專業人才培養方案中的地位與重要性

工程力學課程在多數理工類專業人才培養方案中屬于專業基礎必修課，考核形式通常為閉卷考試。涉及的專業有工程管理、工程造價、建筑學、安全工程、建筑環境與能源應用工程、交通工程等。工程力學課程主要包括理論力學的靜力學部分和材料力學的拉、壓、剪切、扭轉、彎曲基本變形部分，還涉及構件的強度、剛度、穩定性計算等內容，是一門非常重要的專業基礎課，是很多專業考研和注冊認證考試必考科目。

學生通過學習工程力學課程可以掌握平面力系的簡化與平衡、單體和物體系統支座處約束力的求解方法，基本構件的強度、剛度和穩定性的計算，為設計構件提供必要的理論依據和計算支撐，從而為從事建筑工程設計與施工奠定必要的力學基礎。通過課程的學習，學生能夠了解實際工程問題與計算簡圖之間的內在聯系，運用所學的理論知識分析和解決問題。

（一）知識目標

工程力學課程是針對非力學專業開設的一門非常重要的專業基礎課，目標是通過學習讓學生掌握理論力學和材料力學中相對重要并且簡單的部分。主要包括：理論力學中的靜力學基本公理、物體的受力分析，平面匯交力系、平面力偶力系、平面一般（任意）力系、平面平行力系的簡化與平衡，物體系統的平衡問題以及平面桁架的相關計算;材料力學中的變形物體拉、壓、剪切、扭轉、彎曲相關概念，理解物體在發生基本變形時內力的求解和內力圖的畫法、應力計算與強度校核、變形計算與剛度校核，理解材料拉、壓時的力學性質、梁彎曲時的合理設計，了解組合變形的基本概念。

（二）能力目標

課程的目標是培養學生掌握靜力學平衡問題的計算方法，掌握材料在發生基本變形時的研究思路，初步學會運用這種研究思路和專業知識去分析工程實際中的力學問題，同時為結構力學、建筑結構等后續課程提供重要的理論基礎;通過課程的學習使學生能夠初步利用所學的基本理論解決工程中簡單的力學問題，逐步培養學生理論計算的基本能力，以及將所學知識與工程實際問題結合解決常見工程問題的實際能力。

（三）素質目標

通過學習工程力學使學生建立一定的分析力學問題的邏輯思維，即從簡單到復雜，從特殊到一般，學會抓住問題的主要方面，將復雜問題簡單化;具備將理論知識與實際工程問題結合，運用力學知識解決工程問題的相關能力。

二、工程力學課程教與學中存在的問題

培養學生的邏輯思維是力學課程教學的重要內容。對于大多數學生而言，邏輯思維相對較差，學生普遍認為力學課程相對較難。比如：畫梁彎曲時的剪力圖和彎矩圖，已知簡要的作圖要求與規定，以及彎矩、剪力、載荷集度的微分關系，比較抽象，而不是簡單的公式代入求解，對學生的邏輯思維和分析問題能力要求較高，且需要通過反復的練習才能到達熟練掌握的程度。學生在學習力學的過程中經常出現上課能懂，課后無從下手的情況，這反映出學生對問題的本質認識還不夠透徹，力學基本概念和原理掌握還不夠扎實。此外，力學與高等數學有非常緊密的聯系，如計算彎曲變形會用到高數中的微積分等。上述綜合因素導致工程力學這門課程不及格率相比其他專業課更高，其根本原因是學生缺乏學習力學的興趣和學好力學的信心，且沒有充分利用課余時間學習力學。

因此，“ PPT+板書”式的傳統教學手段與教學模式應跟隨時代發展，急需探索變革途徑。傳統的單純利用課堂講授的教學模式，課堂教學受到時間、空間的限制，枯燥的課堂極易使學生產生厭學情緒，教師無法及時了解學生的學習進程，教學的深度和廣度在有限的教學時間和空間內無法得到拓展。

2018年9月3日，教育部關于《狠抓新時代全國高等學校本科教育工作會議精神落實的通知》明確指出：“以提升教師信息技術應用能力為著力點，制定出臺有效的教學激勵和管理辦法，加快用信息技術改造傳統教學、提高教學水平的進程”[1]。2019年2月23日，中共中央、國務院印發《中國教育現代化2035》再次強調：“充分利用現代信息技術，豐富并創新課程形式”[2]。由此可見，國家鼓勵教學手段的創新，其中強調的重要手段之一就是現代信息技術與課堂教學融合，探索創新、高效的教學模式。當下，智能手機和移動網絡成為人們生活的必需品，學生對于線上學習的渴望不再拘泥于只能在電腦上使用的在線開放式教學平臺[3-4]，很多適用于課上、課下混合式教學模式的APP應運而生，學生不僅可以隨時隨地利用碎片化時間完成學習，而且可以實現教師和學生之間、學生與學生之間的實時交流與互動，如學習通、泛雅、藍墨云班課、雨課堂等教學手段。筆者以工程力學課程為例，將北京超星公司開發的基于移動終端的交互式學習系統——學習通APP引入課堂，尋求現代信息技術與高校傳統課堂教學的有效融合，以期為高校力學課程教學改革奠定基礎。

三、 基于學習通的交互式移動學習系統的構建與實踐

學習通是一款可以安裝在智能手機上的APP，分為學生版和教師版，可以實現在網絡環境下線上、線下混合式教學的智能教學工具[5]。在課堂上，學生運用學習通實現簽到、搶答、討論、小組評分，課后，完成作業提交、課件下載、微課學習等。教師運用學習通可以實時與學生互動，了解學生的學習動態和進程，分享教學資料。如：中國重點高校的優質在線力學課程、學習通使用指南、力學學科核心期刊的公眾號等，輕松搭建教師與學生、學生與學生之間高效便捷的交互式移動學習空間。

（一）研究樣本概況

以長春建筑學院為例，根據學校2016版各專業人才培養方案顯示，學校共有8個專業的學生學習工程力學，房地產、安全工程、建筑環境與能源應用工程專業在大一下期開設，工程管理、工程造價、交通工程、測繪工程、建筑學專業在大二開設。以2018級大二工程管理專業管理1班和管理2班為研究樣本，1班為實驗班級，引入移動化交互式學習系統，2班為對照班級，采用傳統教學手段，分別開展為期一個學期的教學實踐。

（二）學習系統功能組成和課程構建

1.學習系統功能組成

學習通是超星公司開發的一款基于移動終端的學習平臺式APP，可以在智能手機或平板電腦上使用，滿足用戶知識傳播、課程共享、課堂互動的需求，分為教師版和學生版[6-8]。該APP基于超星公司20余年的資源累積，除了教師自建的課程外，還有海量的期刊、圖書、報紙資源，可以滿足教師教學和學生學習需求，學習系統功能組成如圖1所示[9]。

2.學習系統課程構建

（1）創立課程核心體系。工程力學課程包括理論力學中的靜力學和材料力學中的變形物體拉、壓、剪切、扭轉、彎曲等基本變形部分，看似各部分知識點獨立、零散，實則不然。靜力學為材料力學打基礎，尤其是物體的受力分析、平面任意力系的簡化結果和平衡方程這兩部分，與材料力學的聯系最為密切;而材料力學中的拉、壓、剪切、扭轉、彎曲的基本變形，看似各不相同、各有特點，實則是通過“概念—內力求解與內力圖畫法—應力計算與強度條件—剛度計算與變形條件”這一知識鏈條貫穿各類基本變形始終。為了讓學生深刻領悟各知識點之間的聯系、各章節之間的課程脈絡，借助學習通作為教學輔助工具可以有效解決上述問題。

學習通作為實現移動化、交互式學習系統最重要的核心部分，教師只需在移動終端下載學習通，就可在首頁新建課程，導入已有的課程資源。

根據工程力學課程的教學大綱和授課計劃，共創建5章，共21節（如圖2），每一小節中均可以上傳視頻、圖片、測驗題、討論題、文件等教學資料（如圖3），也可以將每一章拆分成多個知識點進行課程創建。教學視頻可以通過手機錄制教師在教室現場授課視頻，也可以借助學校資源在專業的多功能多媒體錄影棚完成錄制，還可以教師本人用手機打開PPT，通過麥克收音，用錄屏軟件完成課程錄制。文件可以通過移動端直接上傳，如果是電腦里的文件也可以通過PC端由網址和驗證碼上傳，章節內容完成后可以逐章或逐節上傳PPT。

（2）分享豐富的教輔資源。隨著教育教學手段的不斷創新，很多高校創建幕課、微課在線學習網絡平臺，部分知名高校也紛紛通過網絡平臺分享了力學在線課程，如：國家精品課平臺、愛課程網，學習強國手機APP中也有力學課程的講授視頻，這些均可下載或者分享鏈接至學習通供學生學習和參考。還可以將涉及力學知識的工程實例、與力學相關的虛擬仿真案例、力學實驗視頻等上傳至學習通，教師通過手機實現與學生的及時分享。又如：在理論力學平面靜定桁架講解中，分享利用ANSYS有限元軟件模擬桁架橋在受到自重和結點荷載作用下的變形過程，以及應力、應變與位移云圖，以激發學生學習力學和學習軟件的興趣。在材料力學材料拉（壓）時的力學性質講解中，分享低碳鋼與鑄鐵受拉、受壓的實驗視頻，讓學生認識多功能試驗機，了解實驗步驟、過程和注意事項，為學生自己動手做材料拉（壓）實驗打基礎。在求薄壁圓筒扭轉時的應力時，公式推導比較多、內容較為抽象，學生很難想象薄壁圓筒扭轉變形的過程，通過學習通分享薄壁圓筒扭轉時變形動畫，讓學生形成直觀認識，加深對薄壁圓筒扭轉時應力概念的理解。在工程力學課程學習中，畫物體的受力分析圖和變形體的內力圖是兩個比較重要的內容，也是學生學習的難點，對此，分享畫受力分析圖、內力圖的注意事項和技巧等網絡資源，提高學生的畫圖技能，拓展學生的解題思路，幫助學生深刻理解外力與外力、內力與內力、外力與內力之間的邏輯關系，為后續專業課學習打好基礎。

（3）建立課外相關資料庫。教師可以利用學習通移動學習平臺，與學生分享很多受課堂時間限制而不能詳細講授的學習資源。如力學的發展史、力學知識在工程實例中的應用，以及著名的力學家或物理學家的事跡和成果等，這些資料均可以通過學習通分享給學生，擴展學生的課外知識。還可以分享全國周培源力學競賽考試真題和答案詳解，分享與力學計算相關的常用分析軟件，如Matlab、ANSYS、ABAQUS等學習資料與視頻，開闊學生眼界，激發學生學習力學的興趣。對于教師而言，建立課外相關資料庫對于豐富教學內容、提高教學質量效果顯著。學習通以超星數據庫為依托，自帶海量資料，如：力學核心期刊、學習工程力學課程的技巧（如圖4）、精美的PPT模板、英語四六級學習方法和經典名著等。

3 .教學實踐

教師創建并完善課程相關教學內容后，首先要求學生下載學習通，掃二維碼或輸入課程邀請碼進入教師創建的班級，實現教師、學生、課程三者之間的關聯。課前，學生通過學習通預習、復習、提交作業完成教師布置的學習任務，教師可以查看學生的學習情況，回復學生對之前所學內容的疑問。

課中，學習通的運用對力學教學傳統課堂沖擊最為明顯，課堂互動活躍。班級模塊中簽到功能的使用，可以使教師快速、高效地掌握學生的出勤情況。班級模塊中的搶答、選人功能，教師在課堂上拋出問題，讓學生搶答或者隨機選人回答，增加了課堂的緊張感，提高了學生的課堂參與度，實時建立了教師與學生互動平臺。這些小環節的增設可以提高學生的學習興趣，使枯燥的力學課堂因為有了智能手機的加入而變得有趣。如班級模塊中的主題討論功能，教師可以在課堂上將學生分組進行主題討論，并將小組討論的結果分享在學習通中。在講靜力學平面任意力系簡化與平衡時，發起“為什么踢足球或者打臺球時，球是邊前進邊滾動的？”以及“主矢和主矩的大小與簡化中心的位置有無關系？”通過激烈的小組討論，使學生加深對主矢和主矩概念，以及其產生的運動效果的理解。在講解材料力學應力集中概念時，發起“為什么包裝袋上尖角缺口處容易撕開”“玻璃上打止裂孔防止玻璃裂紋擴展，運用了什么力學原理”等主題討論，使學生在討論的過程中學會思考、愛上思考，發現生活中的力學應用。這樣的授課方式，教師和學生的互動變得及時、方便，課堂教學中學生參與度明顯提高。此外，還可在工程力學課上開展“課程思政進課堂”活動。學生自由組隊，通過素材收集、PPT制作、課上演講，在教師授課前5分鐘對力學家或者物理學家的先進事跡與優秀成果進行簡單介紹，突出講解名人、名家的品質對小組成員的影響。每一次工程力學課，學生都能夠感受到名人、名家的愛國熱忱和刻苦專研的精神，通過內心的觸動以此激勵自己更好地完成學習。此外，學生通過學習通的評分功能為各小組打分，作為期末平時成績加分項。利用學習通增加了學生與學生之間的互動，這樣的智能化課堂是朝著教育信息化邁出的堅實步伐。

課后，學生可以利用學習通進行復習，觀看視頻、下載教學微課和PPT、完善筆記、查看老師布置的作業和通知、提出學習過程中的疑惑、完成小節測驗等。教師也可以在課后修改并完善課程內容，總結教學中的優勢與不足，進一步提升授課水平和教學改革效果。

四、系統實踐過程的學生滿意度調查和教學效果驗證

（一）學生滿意度調查

課程結束之際，以調查問卷和訪談的方式從課程教學方式的改革和學習通APP的使用兩方面對管理1班學生進行了調查[10]，共40人接受了調查。部分調查內容如表1所示。通過調查不難發現，大部分學生對工程力學課程引入學習通表示滿意，并對學習通所搭建的移動化、交互式學習平臺給予了充分肯定。

（二）教學效果驗證

根據學校人才培養方案，工程管理專業工程力學課程60學時，教學持續15周，期末考試采用閉卷考試。為客觀評價教學效果，以期末考試卷面成績對管理1班（40人，實驗班級）和管理2班（39人，對照班級）的教學效果進行比較，如表2所示[11]。從表2可以看出，管理1班大于（含等于）70分以上各分數段的百分比、平均分均高于管理2班，這說明學習通對于工程力學課程教學起到了積極、有效的作用，可以考慮在其他力學課程上繼續開展此種混合式教學。

對學生學習評價不應以期末考試一次性的成績作為標準，而要更加注重學習過程的評價，這樣不僅可以督促學生利用課余時間自主學習，而且扭轉了考前“臨時抱佛腳”的學習態度。在工程力學課程開學初制定學習成效評價方案[5]并公布給學生，出勤10%、作業10%、測驗與討論10%，線上學習20%，期末考試50%。其中作業包含線下紙質版的作業和學習通上提交的作業，測驗包含線下的期中測試和學習通中的章節測驗，討論內容主要以學習通發布的為主，評分包含小組互評和教師評分，線上學習成績根據學生課后觀看學習通相關視頻和其他教學資料的完成度確定。

五、 結語

學習通為工程力學課程教學手段革新起到的作用不可否認，構建基于移動終端的交互式學習系統優勢：（1）教學方式具有創新性、數字化、信息化的特點，為傳統的力學課堂帶來新鮮感;（2）學生的學習和教師的教學不受時間和空間的限制，可以充分利用個人碎片化時間，師生的交流和互動實現了隨時隨地;（3）線上、線下混合式教學，滿足了學生課外時間反復學習的需求，教師易掌握學生課下學習進度;（4）教師創建、編輯、完善課程方便、操作簡單，可以分享海量教學資料。當然，學習通對學生的自律性和對智能手機的內存、網速要求較高。

人才培養是高等教育的“本”，本科教育是高等教育的“根”。要實現高等教育強國夢想，還需要高校教師不斷專研。高校力學課堂應順應時代的發展，體現智能化、數字化，教學手段應突破、創新，一線力學教師應為尋求高效的教學手段而不斷探索。

參考文獻：

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Abstract：?With the rapid development of science and information technology the traditional mechanics classroom and teaching methods have been greatly impacted. The teaching method of mechanics should follow the development of science and technology and the reform of mechanics teaching must be carried out. Taking engineering mechanics course as an example， this paper points out the position and importance of this course in professional talent training program， summarizes the problems existing in the teaching practice of engineering mechanics course under the traditional teaching mode， introduces the construction process of interactive mobile learning system based on learning mobile application， proposes a hybrid teaching mode of “classroom teaching + application of interactive mobile learning system” ?and performs the student satisfaction survey and teaching effect validation after the practice， points out the advantages and disadvantages of the hybrid method teaching to provide reference for the teaching reform of mechanics course in universities.

Key words： mobile terminals; interactive; engineering mechanics; course teaching

（責任編輯 梁遠華）