新工科背景下基于WACOM 與雨課堂的基礎力學課程教學改革實踐

李 勇，王 琛，戴 峰

（1.山東大學 齊魯交通學院，山東 濟南 250000；2.山東大學 土建與水利學院，山東 濟南 250000）

結合新時代發展形勢、國家重大發展戰略以及應對新的科技與產業革命，教育部于2017 年開始推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”。2017 年2 月，教育部發布的《教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知》中強調，新工科研究和實踐要圍繞工程教育改革的新理念、新結構、新模式、新質量和新體系開展。新工科建設是全局考量，是在新科技、產業革命和新經濟背景下工程教育改革的重大戰略選擇，是今后我國工程教育發展的新思維和新方式。相比于傳統工科教育，新工科在強調人才培養的新模式和教育教學的新質量的基礎上，更加強調學科的實用性、延續性、交叉性以及綜合性，要求新工科人才具備更強的實踐能力、創新能力和國際競爭力。為了探索新的中國工科人才的培養模式，我國于2016 年6 月成為國際本科工程學位互認協議——《華盛頓協議》的正式會員。加入《華盛頓協議》是促進中國工程類人才培養邁入國際標準、提高工程技術人才培養質量的重要舉措，對中國工程技術領域應對國際競爭、走向世界具有重要意義。由此可見，新工科背景下對人才的培養模式及培養方式提出了更高的要求。

基礎力學課程是土木工程、交通工程、道路橋梁與渡河工程、城市地下空間工程、航空航天工程、機械工程、建筑環境與能源應用工程、給排水科學與工程、建筑學和工程管理等諸多理工科專業的基礎課，是大部分學生在本科階段較早接觸的專業基礎課程，具有非常強的理論性與實踐性。同時力學也是現代工程應用技術的堅實基礎，是基礎學科與應用學科相結合的復合型學科，其既作為土木、機械制造和材料科學等的基礎，又作為應用學科解決相關專業的力學工具，是工科類人才今后從事相關研究及工作的基礎，同時也是新時代建設新工科的重要抓手。因此，在新工科背景下對基礎力學課程進行教育教學改革具有鮮明的時代及實踐意義。

隨著互聯網、大數據等信息技術以及計算機技術的快速發展，以智慧教學手段為代表的混合式教學不斷涌現并不斷豐富。同時微課、MOOC 等多種形式的教學手段和方式不斷完善發展，智慧教育的開放、共享、交互、協作和泛在等特性越發明顯。以智慧教學手段為代表的混合式教學手段一方面以教師本身為主導，繼承傳統課堂教學能夠充分對學生進行引導、較好完成教學過程的優勢；另一方面，該教學模式可以發揮學生作為學習主體的中心作用，實現以學生為中心，盡可能充分地調動學生學習的自主性、積極性和創造性的目標。混合式教學能夠更好地適應新時代新工科背景下對工科類人才培養的新的更高要求，是新工科背景下教育教學改革的重要手段和有力工具。

雨課堂是由清華大學在線教育辦公室組織研發的智慧教學工具及教學平臺，其已被廣泛應用于計算機、臨床醫學教學、物理以及物聯網等課堂教育及教學改革實踐中，并取得了良好的教育教學效果。本文基于智慧教學工具雨課堂和WACOM 智能手寫板對基礎力學課程教學進行探索、改革與實踐，旨在新工科對工科人才新的更高要求的背景下進一步提高基礎力學課程教學質量，夯實學生基礎力學理論知識素養，同時探索新的課程教學方式。

一、基礎力學課程教學現狀及問題分析

山東大學工科類基礎力學課程主要有理論力學、材料力學和結構力學等，涵蓋土木工程、材料和機械等多個學院的數千名本科生教學，后續準專業課程如彈性力學、巖石力學和流體力學等則涵蓋各個學科的本科生、碩士研究生及博士教學。基礎力學課程及后續專業力學課程所闡述的基本原理、方法和理論知識是工科類人才熟悉、理解和掌握其相關領域工程技術的基礎，也是今后從事相關科研工作的基石。“九層之臺起于壘土”，在新工科強調人才具備更強實踐能力和創新能力的背景下，“厚基礎”是實現這一目標的重要出發點。

結合基礎力學課程特點，綜合其教學現狀分析可以發現，一方面在授課模式上，基礎力學課程理論性強，傳統教學模式未能充分調動學生學習積極性，教師過度依賴傳統多媒體教學工具，課件展示成為“課件領讀”，未能發揮教師在課程教學中的引導作用。此外，課堂上學生的反饋是教師評估及評價學生對課程內容理解、接受及掌握程度一個重要指標，而傳統教學模式缺少相關的評價或評估途徑；另一方面在課程評價體系上，基礎力學課程多為課后作業和期末考試相結合的評價標準，對于學生在課前的準備階段、課堂上的具體表現以及課程參與度，由于教學手段的不足而未能合理評價，難以調動學生學習積極性，導致基礎力學課程教學效果不佳。

1.“教”“學”枯燥，課程效果不佳。基礎力學課程授課形式多以多媒體為工具(如PPT 結合投影儀)，教師采取口頭講授結合部分板書進行教學，課程內容中涉及的推導公式過程煩瑣、枯燥，重復性、機械性工作較多，教師授課及學生學習效率較低。

2.課堂授課效果不佳。近年來，隨著學科分類不斷細化，基礎力學課程的授課學時相對削減。而基礎力學課程內容理論性很強，課程內容前后聯系緊密，學生如對某節內容把握不牢，可能會對后續課程學習造成影響。但是傳統教學模式未能充分調動學生學習積極性，教師的“教”大于學生的“學”，學生對于知識的理解及掌握程度落后于教師的授課進度，同時課堂及課下師生之間互動較少，導致教師對學生掌握知識點的程度了解不足。

3.課程評價體系不完善。傳統的基礎力學課程評價主要依賴于學生課后作業的完成程度和期末考試所得分數，評價標準過于單一，忽視了學生在課前及課程授課期間的參與程度，缺乏對學生課程參與的評價，造成學生課堂注意力不集中，學習效率低下的問題。

4.疫情常態化對傳統授課的新要求。疫情防控常態化對教學方式提出了新的要求。通過對疫情期間線上教學課程總結分析可以發現，傳統的線上授課方式過于強調教師的“教”，師生互動嚴重不足，學生在線上教學過程中的參與度相較傳統的線下教學更低，甚至會出現學生“掛課”的現象。

因此，針對基礎力學課程教育教學過程中存在的問題，亟需對現有基礎力學課程的授課方式、內容呈現形式及課程考核評價方式進行探索、改革與實踐，一方面增加師生課堂互動程度、提高課堂教學及學習效率，實現課前、課上及課下的全過程師生互動及課程考核；另一方面，將教師從傳統的教學方式中“解放”出來，激發教師的教學主動性，完善線上線下相結合的教學方法與手段。

二、基于WACOM 和雨課堂的教學改革實踐

(一)WACOM 手寫板及雨課堂簡介

1.WACOM 手寫板。WACOM 手寫板是一款直覺式輸入設備。教師準備教案時，可以直接在手寫板上書寫、修改或批注PPT 教案。教師授課時，手寫板與教學電腦連接（圖1），教師可以使用手寫板進行板書、批改和筆記等功能。WACOM 手寫板更加符合教師的書寫習慣，可以有效避免粉筆粉塵對師生健康的危害，同時手寫板強大的呈現功能(如不同顏色的批注、圖畫等)及用戶交互功能可以有效提高教學于課堂的教學效率，同時也可以有效集中學生的注意力，提高學生學習效率。

圖1 手寫板與教學媒體嵌合使用示意圖

2.雨課堂。雨課堂是清華大學和學堂在線共同推出的新型智慧教學平臺，它將信息技術手段融入到PowerPoint 和微信中，實現了課外預習與課堂教學之間的聯通。教師可在課前將帶有視頻、習題和語音的預習課件推送到學生手機，課堂上可實現實時答題、彈幕互動等，科學覆蓋了課前-課后-課上的整個教學環節。以雨課堂為代表的智慧教學平臺的出現極大程度地解決了教學過程集中于線下課堂的問題，使得教學過程得到了較大的擴展（從課堂到課前和課后的延伸）。

（二）基礎力學課程教學改革內容

針對現有基礎力學課程授課方式與課程評價方法存在的不足，在充分考慮并利用WACOM 和雨課堂的突出優勢的基礎上，依據筆者較為豐富的基礎力學課程教育教學經驗，針對基礎力學課程教育教學基本流程（圖2）及改革主要內容如下。

圖2 基于WACOM 和雨課堂的基礎力學課程教學改革流程圖

1.制定教學改革方案

（1）教學改革目標。通過引入新的教學工具WACOM及教育教學平臺雨課堂，改變原有基礎力學課程授課方式，完善課程評價機制，提高學生學習積極性和學習效率以及教師授課質量，夯實學生基礎。根據基礎力學課程的學時安排，制定適用于基礎力學課程的教育教學方案。

（2）依據基礎力學課程的教學重難點、知識結構體系及學生掌握程度等要求，結合雨課堂智慧教學平臺優勢，充分發揮WACOM 手寫板的功能優勢，對已有的多媒體基礎力學課件進行相應的再設計、再排版，突出基礎力學具體課程重點，設計并確定課堂互動點及評分標準。

（3）針對新工科更加強調工科人才實踐及動手能力的背景，在課程設計過程中增加相關實例及實際工程案例（如針對理論力學課程理論性及高度抽象化特點，授課中多加入圖片和小實例以幫助學生理解相關內容；針對結構力學課程，其主要研究工程結構受力和傳力的規律的特點，在授課課件中增加具體工程實例及案例分析），寓學于實際；在授課過程中增加小組討論及結果呈現環節，學生在呈現個人觀點的過程中引導學生獨立思考。

（4）建立全過程（課前-課堂-課后）課程考核機制。充分發揮雨課堂在線教學的強大優勢（如在線簽到、隨機抽簽、線上答題和彈幕互動等），對學生課前預習與準備、課堂參與度和課堂提問反饋情況以及課后習題完成情況分別進行量化評價，綜合考慮學生具體情況，告別以往傳統教學考勤+考試成績的單一的課程考核機制。

2.教育教學改革的實施

（1）課前階段。教師于課前（提前一天）將本次課程預習內容和要求及相關課件上傳至雨課堂平臺，要求學生根據課件內容進行預習，同時反饋疑問。教師明確、掌握學生學習困難之處，學生及教師均帶著問題進入課堂，可以極大地提高課上學習效率。

（2）互動式的授課模式。課堂上進行教師授課、課上提問（雨課堂平臺）、WACOM 手寫板展示、雨課堂彈幕討論和單元內容線上答題等穿插互動式教學，提高學生課堂注意力及學習效率。針對課前學生對于所學內容的反饋情況，教師有針對性地對學生難以理解、掌握的相關內容進行著重講解，可以在很大程度上提高授課效率。同時，學生課堂參與度及雨課堂后臺學生答題情況將作為考核指標計入平時成績。

（3）課后總結階段。課后教師根據課上情況總結問題并據此對課件展示及課程內容進行調整，同時將課堂上學生反饋的難重點部分進行細化總結后通過雨課堂平臺發送給學生，便于學生加強對課程內容薄弱環節的學習，提高并夯實學習效果。教師根據課后習題批改情況，再將課程難點及易錯點通過雨課堂反饋給學生，同時征集學生對教學改革方式的意見及建議，形成“教”與“學”閉環，促進教學質量的提高。

（4）課前-課上-課后全過程課程考核機制。有效且全面的考核方式是促進學生學習，提高學生積極性及全面反映學生對課程掌握情況的重要途徑。采用課前考核（預習與預習反饋情況）占比20%、課堂考核（課上參與度、討論及線上答題情況）占比40%和課程考試占比40%相結合的課程考核形式。

（5）教學反饋形成閉環（圖2）。教師通過實際教學過程的體驗以及學生的反饋意見不斷調整教學方法和過程、評價機制及指標，完善教學方式方法，逐步實現基礎力學課程教育教學改革目標。

三、教學改革實踐總結

通過對基礎力學課程改革實踐，在傳統教學方式的基礎上引入WACOM 和雨課堂等新型的教學工具及智慧教學平臺，一方面突破了傳統教學過程中時空和地域的限制，加強了學生與老師之間的互動和聯系，尤其是雨課堂與微信的深度融合，更加拉近了課堂與學生的距離，學生在“聊天”中即可學習；另一方面，新型授課方式和授課內容的呈現形式增加了基礎力學授課的趣味性，學生課堂參與程度明顯提高，課堂氛圍更加活躍，學生自主學習的興趣及能力以及授課效果顯著提高。同時，輕松且高效的教學方式減輕了教師負擔，學生在課堂上參與程度的提高及對教師授課的積極反饋，也提高了教師的教學積極性，對學生和教師是一個雙向促進的過程。其次，課程考核體系更加完善，學期課程全過程、課內課外同時考核的考核方式受到學生們的熱烈歡迎，同時對于夯實學習效果、提高學習效率具有十分重要的引導作用。最后，新興教具及平臺的使用有助于豐富、擴展教育教學方式。在基于WACOM 和雨課堂的基礎力學課程教學改革實踐過程中，筆者發現，該混合式教學手段不再過分依賴傳統的課堂教學方式，老師和學生可以做到異地“教”“學”、線上“教”“學”，同時由于學生課程、課堂參與程度的提高，其教學效果明顯好于傳統的線上授課方式。

“十年樹木，百年樹人”，教育是一個長期工程，而教育教學改革同樣也非一日之功。必須看到，對于傳統的基礎力學課程以及各個學科的教育教學改革是一個龐大的系統工程，需要廣大教育工作者以及各個學段學生的共同努力。在應用新的教學方式過程中，前期需要教師付出大量的精力與努力，同時也需要在授課過程中與學生不斷地交流溝通，不斷地反饋調整，才能得到新的成熟有效的教育教學方式，才能實現教育教學改革的目標，為國家培養更多更優秀的人才。

四、結束語

新工科背景下國家和社會以及行業對工科人才提出了新的更高的要求，這就要求工科人才培養的前沿陣地——高校必須順應時代要求，不斷變革教育教學方式，以培養更多符合時代要求的高素質工科人才。本文以基礎力學課程改革為出發點，借助WACOM 手寫板和雨課堂智慧教學平臺，探索出基礎力學課程新的、更加高效的教育教學方式，提高了學生的學習興趣、課程參與度以及課程教學質量。但是，更多不同學科、更多新型教學工具與現有的教學平臺的結合，更加全面、更具有針對性的課程評價體系的建立等方面還需要廣大教育工作者作進一步的探索、完善及實踐。