新工科背景下材料力學教學改革與實踐

杜金龍 饒秋華 劉靜

摘 要 為應對新工科建設要求，打造材料力學一流課程，需要樹立“以學為中心”的教學理念，通過強化目標導向，開展逆向教學設計，重塑教學內容，實行混合式教學模式，開展差異化教學，采用基于案例的啟發式教學法，加強過程考核，改革評價體系，從而強化課堂教學效果，提升教學質量。教學改革實踐表明，學生學習興趣顯著提高，自主學習能力和解決復雜問題的能力普遍增強，目標達成度明顯提升，取得了較好的改革成效。對同類課程教育教學改革具有一定的借鑒意義。

關鍵詞 新工科 教學改革 材料力學

中圖分類號：G424? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.10.030

Abstract In order to meet the requirements of emerging engineering education construction and create a first-class course of mechanics of materials， it is necessary to establish the teaching concept of "student as the center"， strengthen the goal orientation， carry out the reverse teaching design， reshape the teaching content， implement the blended learning mode， carry out the differentiated teaching， adopt the heuristic teaching method based on cases， strengthen the process assessment， and reform the evaluation system， so as to strengthen the classroom teaching effect， improve the quality of teaching. The practice of teaching reform shows that students' interest in learning has been significantly improved， their ability of autonomous learning and solving complex problems has been generally enhanced， and the degree of goal achievement has been significantly improved， which has achieved good reform results. It can be used for reference in the teaching reform of similar courses.

Keywords emerging engineering education; teaching reform; mechanics of materials

為應對新一輪科技革命和產業革命，教育部自2017年以來推進新工科建設，全力探索形成領跑全球工程教育的中國模式。[1]開展新工科建設，要求在高等學校課程建設與改革方面，把培養學生創新意識和創新能力擺在首位，在教學中努力實現高階目標，將知識、能力、素質有機結合，培養學生解決復雜問題的綜合能力。

材料力學是土木、機械、航空航天等工科專業的專業基礎課，在培養計劃中占有重要地位。在新工科建設背景下，為培養適應新時代要求的創新人才，需要對課程進行創新和改革。

1 主要問題

1.1學習深度不夠

目前一些專業在調整教學計劃時，不同程度的壓縮了材料力學課程的教學學時，造成學時不足與教學內容過多，要求過高的矛盾，教學中知識內容的深度無法保證。

1.2教學方法不科學

講授為主，缺乏互動。教學重點主要集中在對概念的講解和公式的應用上，忽視對實際工程問題的分析和求解。教學活動單一，主要以講題、做題為主要方式。目標低階，以識記、理解為主，缺少應用、探究、批判、創新等高階認知目標。理論聯系實際不夠，造成學生只會做題卻沒有工程概念，不清楚力學模型是如何來的，做題和解決實際工程問題有什么聯系等。缺乏對學生工程思維和批判思維、創新能力的培養。

1.3學習評價不合理

評價是學習的指揮棒，好的評價應以促進學習為標準。但傳統教學模式下，過多注重總結性評價，而忽視過程性評價。即便有過程性評價，其評價指標也不合理，量化程度不夠，缺乏有效監督，無法反饋學生的真實學習情況，更不能對過程學習提供建議和指導。

2 改革措施與實踐

針對存在的問題，為能達到新工科和“金課”建設的要求，[2]確定如下課程教學改革實施的總體思路：基于混合式教學理論，輔助利用信息化教學手段，開展“以學生學習發展為中心”的課程教學改革。

2.1 轉變理念，由“教師教”為中心轉向“學生學”為中心

“教師教”強調從為什么教，教什么，如何教等問題去設計教學，主要圍繞課本內容展開教學。忽視學情分析、學習情境和學習方式對教學效果的影響，不考慮學生的學習體驗和反饋。隨著高等教育進入普及化階段，由于學生學習方式的多元化，學習基礎的差異化，學習需求的個性化，學習目標的多樣化，學習成效的兩極化，使得“以教為中心”已不適應提高教學質量的要求。教育部建設一流課程，打造“金課”，其核心是“兩性一度”，[3]基礎是轉變教學理念，即從“以教為中心”轉向“以學為中心”。[4]“以學為中心” 不是呵護、順從、包辦，變成學生的“保姆”，而是把教學重心放在學習效果和學生發展上，使學習目標和學習成效達成一致，在師生構建學習共同體的基礎上，教師成為學生學習的引導者，推動者和賦能者。

2.2 構建線上智慧教學平臺，提供豐富資源，促進自主學習

基于超星學習通建設了材料力學智慧學習平臺，通過提供豐富多樣的學習資源，方便學生隨時、隨地進行碎片化學習。通過信息化學習平臺，開展線上線下融合的混合式教學。課前發布導學資料和學習任務，指導學生完成預習任務，培養學生的自主學習能力，通過學生反饋，了解學生實時的學習難點，及時調整教學方案。與課程教材配套的課前導學資料包括：教學PPT，教學視頻（MOOC平臺）、各學習小節的知識體系、學習方法建議、問題導學、解題指導、討論問題、課前測試題目等;課堂教學過程中通過“超星學習通”APP開展各種活動，包括簽到、選人、搶答、主題討論、評分、問卷、課堂測試等。可以實時了解學生對課堂教學的掌握情況，以便有針對性地進行集體解答或個性化輔導。課后通過“學習通”布置作業，發布拓展學習資料。根據課程大數據分析，及時反饋教學效果和評估學生學習情況，收集學生的建議，改進教學內容。同時，利用“學習通”在線平臺，可實時答疑，也為師生互動、生生互動提供了快捷、方便的渠道。教學實踐表明，基于移動互聯技術的智慧教學APP在教學過程中的應用，可以大大提升學生的主動學習熱情，強化教學過程中的學生參與度，確保以學生發展為中心的教與學。

2.3 開展差異化、分層次教學，解決學習預期多樣化問題

將學習內容，學習任務和作業要求按基礎、標準、提高設置三個層次，學生根據自己的實際情況選擇相應的層次，通過目標的設定，以闖關的形式進行學習，可以有效提高學生學習的自我效能感。在滿足基本教學要求的基礎上，對于學有余力，對未來持較高期望的學生適當進行“拔高”教學。而對基礎較差，學習跟不上教學進度，學習期望不高的學生，在教學中適當降低難度，通過針對性輔導、答疑幫助他們樹立信心，找到正確的學習方法，提高學習成績。

2.4 加強目標導向，完善教學設計

課程目標應貫穿教學全過程，且能對畢業要求起到支撐作用。[5]材料力學課程目標包括：（1）知識目標。掌握材料力學的基本概念、基本公式、基本方法。（2）能力目標。掌握最基本的分析方法，培養建立力學模型的能力和解決復雜工程問題的能力。（3）素養與課程思政目標。培養學生批判質疑，交流溝通，團隊合作、自主學習和終身學習的能力。培養學生具有初步的科學研究觀和正確的工程倫理素養。根據布魯姆認知理論，[6]目標（1）屬于低階目標，目標（2）、（3）屬于高階目標。新工科建設背景下應更加強調對高階目標能力的培養。每個知識點的教學目標應和課程目標一致，且應清晰、可量測。在教學設計時，改變傳統的依據課本內容而忽視教學目標進行教學設計的做法，采用先確定學習目標，然后確定教學過程，最后確定教學活動和教學評價的逆向教學設計。[7]凸顯以學生為中心，目標導向的教學理念。

2.5 重構教學內容，突出重點難點，促進高階目標達成

根據混合式教學的要求，設置30%左右的教學內容完全由學生自主學習，教師只進行答疑。其他內容課堂教學時也僅對重點和難點進行詳細講授。教學內容的重構體現了“突出重點，突破難點”的基本原則。讓更多的教學時間用于開展討論，案例分析，課堂測試，練習等活動，提高學生分析實際問題的能力、批判思維能力和創新的能力。 此外，圍繞教學目標和拓展學習的需要，教學內容中還加入了一些課本上沒有的內容，對于增加課程難度、拓展課程深度，積極推進課程內容更新起到了積極的作用。（1）融入大量實際工程案例。通過生活中和工程上具體案例的講解，有效提高了學生的學習興趣，激發了學習熱情，同時也有利于對課本基礎知識的理解和掌握;（2）增加材料力學發展史和著名力學學者介紹等人文內容。第一，有利于培養興趣，增強科學素養，加深對課程知識體系的認識;第二，這部分增加內容成為很好的課程思政輔助內容，有利于價值塑造和引領;（3）增加課程相關的科學前沿內容。比如教學中介紹有限元求解材料力學問題的內容，簡單介紹常用的有限元商業軟件，如ANSYS、ABAQUS等，介紹利用MATLAB、EXCEL VBA求解材料力學的方法;介紹非線性材料力學的部分內容，介紹材料力學在復合材料力學中的應用等?？茖W前沿內容的介紹有利于拓展學生知識視野，培養學生創新意識。

2.6 開展基于工程案例和問題的啟發式教學

教學中，通過引入大量工程案例進行分析和討論，啟發學生對工程問題本質的理解，學會正確的工程問題力學建模方法。比如，講授“壓桿穩定”時，設計了這樣的案例：“為什么一根細長金屬桿所受的最大應力沒有超過強度許用應力，卻破壞了？如何解釋這種現象？”在“動荷載”教學中，引入了“九江大橋受貨船撞擊破壞的工程案例。讓學生思考沖擊動荷作用下的結構安全問題”等等，既激發學習興趣，又使學生盡快明確學習目的。同時，引導學生結合課程內容，由淺入深，層層遞進地分析并解決這些與材料力學相關的實際案例，培養學生分析問題和解決問題的能力。[8]通過對實際問題的演算，掌握了工程結構中構件的承載能力分析的計算方法，培養了在工程設計中有關力學方面的分析計算能力，以及嚴謹的科學推理、嚴密的邏輯思維、正確的工程問題表達能力。通過啟發、引導式教學，在力學與工程實際問題的結合中培養了創新意識，提高了分析問題和解決問題的能力。

2.7 加強過程評價，健全評價體系

改革教學評價方式，強化過程考核，建立了科學、客觀的學習激勵和成績評價體系。

成績評定標準為：總評成績=過程成績（40%）+期末考試（60%）。

期末成績按百分計，采用閉卷筆試的方式，題型為案例分析計算題，題量為6-7題，考試時間為100分鐘。

過程成績按百分計，由學生的預習任務完成情況，作業、學習討論、課前測試、課堂測試、資料閱讀情況、階段學習考試、教學視頻觀看學習等多方面綜合測評構成，并對表現突出者給予適當加分。

學習過程評價還包括繪制思維導圖，錄制題目講解視頻，課堂講解表達能力，小組協作完成任務，撰寫小論文等綜合能力的考核。評價方式可以是教師評價，學生自評以及生生互評。過程學習考核均通過“學習通”平臺記錄完成，從而做到學習評價的客觀、公正、可量、可測。

3 改革成效

材料力學教學改革實踐表明，學生到課率高，課堂聽講認真，互動積極，參與度高，思維較活躍，能夠做到應答積極，具有較高的求知欲和專注度。（1）通過改進教學方法增強了學生學習的興趣，提高了學習效率;（2）課堂吸引力提高，課堂教學出勤率高（95%以上）;（3）作業完成情況較好，能夠保證在規定時間保質保量完成并提交作業;（4）主動參與課堂和課后學習、討論的情況較好，能夠積極完成布置的拓展閱讀任務，能夠積極思考問題，提出問題，參與問題討論;（5）學生批判思維能力和創新實踐能力顯著提升。具體表現在通過開展開放式、討論式教學，學生表現出對很多問題強烈的探究精神。對于一些問題的求解能夠勇于提出自己的見解，批判性的去討論和分析問題。同時，對所學理論內容能密切聯系實際，積極思考理論是如何求解實際問題的，不斷提高解決實際工程問題的能力。

4結語

新工科背景下，應樹立“以學為中心”的教學理念，強化目標（結果）導向，重塑教學內容，改革教學模式，創新教學方法，改革評價體系。教學中做到細化學習任務，確保作業質量;師生有效互動，疑問及時解決;問題導向為本，密切聯系實際;注重過程考核，評價體系合理。從而有效激發學生學習興趣，強化課堂教學效果，促進學生自主學習，提升課程挑戰度，培養學生解決復雜問題的能力。

基金項目：中南大學教育教學改革項目（2020jy065-2）;湖南省普通高等學校課程思政建設研究項目（HNKCSZ- 2020-0050 ）

參考文獻

[1] 陸國棟，李拓宇.新工科建設與發展的路徑思考[J].高等工程教育研究，2017（03）：26-32.

[2] 吳巖.建設中國“金課”[J].中國大學教學，2018（12）：4-9.

[3] 謝幼如，黃瑜玲，黎佳等.融合創新，有效提升“金課”建設質量[J]. 中國電化教育，2019（11）：9-16.

[4] 趙炬明，高筱卉.關于實施“以學生為中心”的本科教學改革的思考[J].中國高教研究， 2017，000（008）：36-40.

[5] 顧佩華，胡文龍等.基于“學習產出”（OBE）的工程教育模式——汕頭大學的實踐與探索[J].高等工程教育研究，2014（01）：27-37.

[6] 李芳.布魯姆分類學與美國大學TBL應用——基于美國德克薩斯大學TBL經驗[J].比較教育研究，2014，036（005）：59-64.

[7] 鐘志賢.建構主義學習理論與教學設計[J].電化教育研究，2006（5）：10-16.

[8] 張一晨.以培養科學思維為目標的教學策略選擇[J].中國教育學刊，2016（S2）：85.