新工科背景下地方院校“材料力學”混合式教學模式的探索＊

陸 靜，袁麗蕓

（廣西科技大學機械與汽車工程學院，廣西 柳州 545001）

為主動應對新形勢下的科學創新與技術變革，2017年起教育部積極推進新工科建設，并于2020年啟動了第二批新工科研究與實踐課題，新工科已經成為中國未來高等工程教育改革的指導方針。新工科旨在培養具有創新創業能力、跨界整合能力、高素質交叉復合型卓越工程科技人才[1]，因此，更加寬厚的基礎知識和靈活的科學思維就成了新工科人才培養的必然要求。力學是科學與技術的橋梁，是現代工程技術的堅實基礎，同時，力學思維是“從工程到數學，再從數學到工程雙向互饋的思維方式”[2]，由此可見，力學類課程是新工科應用型人才創新思維和創新能力培養的重要基礎。

“材料力學”課程是工科學生接觸到的第一門與工程問題緊密相關的專業基礎課，也是數理基礎課和專業課的重要銜接課程，這門課程的教學效果不僅對后續課程的學習有重要的影響，對學生創新意識和工程思維能力的培養也起到舉足輕重的作用。根據新工科對人才培養提出的新要求，多數地方院校都對教學計劃進行了修訂，大幅增加了實踐類課程，相應地減少了理論課的學時，“材料力學”課程的課時數也持續收縮。一方面，新工科對學生的工程素質和能力提出了更高的要求；另一方面，“材料力學”課程的學時不斷減少，因此，如何更新教學理念和教學方式，推進“材料力學”教學與信息技術的深度融合，切實提高教學的質量和效率，成為“材料力學”課程改革的主要內容。袁圓[3]分析了各類線上教學平臺和智慧教學模式的特點。張志強等[4]對“材料力學”的遠程教學、線上教學、線上資源建設和線上遠程教學測試等進行了探討。黃麗華等[5]總結了大連理工大學“材料力學”課程的MOOC建設和應用成果。楊旭娟等[6]介紹了疫情期間綜合運用中國大學MOOC、QQ、慕課堂和在線直播等方式實施“材料力學”多通道在線教學的具體實踐和教學效果。徐鋒等[7]通過云教材、多微素材等現代教學手段，培養學生的學習興趣和工程意識，為新工科背景下地方高校“材料力學”金課建設提供了參考。

1 “材料力學”線下課程建設

地方高校作為直接服務地方經濟社會發展的科技服務基地和人才培養基地，在課程設置和教學內容中應突顯應用型特色。“材料力學”對數學和物理相關知識有較高的要求，且內容抽象、知識點零散，是一門“教師難教、學生難學”的課程，在學時縮減的情況下傳統的線上教學很難滿足應用型人才的培養目標。隨著互聯網的普及，線上線下混合式教學模式逐漸成為新形勢下地方院校課程改革的主要趨勢[8]。

由于“材料力學”課程的理論性較強，課堂教學仍是學生獲取知識和能力培養的主要途徑。但是，目前“材料力學”教學多數仍以教師為主體，采用單向灌輸的方式將知識傳授給學生，注重理論的邏輯性和完整性，教學重點在于概念的講解以及公式的推導和應用，且在教學中忽視課程與實踐的聯系，因此，學生容易產生畏難和厭學情緒。為了在有限課時內達到課程的教學目標，教師應主動改變教學理念和教學方法，以培養學生綜合能力和創新能力為目的精心組織教學，將課堂教學轉變為學生為中心，教師為主導，通過探究式、啟發式和互動式等教學方法充分調動學生學習的主動性和積極性；通過精心設計授課形式、合理質疑引導學生主動思考，并根據學習反饋及時調整教學內容，使學生在有限的時間和空間內實現學習效果的最大化。同時，在課程導入、例題講解等環節應重視工程背景的介紹，以工程實例、社會熱點、學科前沿等激發學生探索和學習的興趣。

隨著有限元等數值計算工具在工程中的廣泛應用，手算在工程設計中的地位逐漸下降，“材料力學”的部分內容和計算技巧就顯得陳舊煩瑣，需要對教學內容和結構進行重塑，以提高課堂教學的效率。例如，在講解超靜定問題時，重點應在于基本概念和統一的解題原理，可適當弱化和刪減不同變形結構的求解方法和步驟，將過去注重培養定量計算能力，轉化為培養定性分析軟件計算結果正確性的能力。由于知識傳授的平臺由單一的課堂轉化為了線上和線下結合，因此，也應對“材料力學”的知識點進行分類和梳理，并安排在不同的教學環節講授。但是，將教學內容分別安排在線上和線下會導致知識點產生相對的割裂，因此，在混合式教學中應更注重教學內容的關聯性，根據學生線上線下的學習效果反饋及時總結和歸納，通過課堂總結和習題課幫助學生構建完整、連貫的力學理論體系。以4種基本變形為例，可以引導學生以受力特點、內力分布、應力和位移計算、強度和剛度設計為主線，將知識點組成一個有序的知識體系。然后，通過對拉伸、扭轉、彎曲桿件強度和剛度影響因素的討論，幫助學生更系統地內化知識。

2 “材料力學”線上課程建設

近年來，中國大學MOOC、雨課堂、云班課、超星等信息教學平臺的出現為各高校教學提供了便利的輔助教學工具，使傳統的大學課堂教學變得靈活、開放、高效、智能，極大地助推了線上、線下“混合式”教學模式的廣泛興起，促進了信息時代高等教育全新教學模式的改革和建設[5]。

線上資料庫的建設是線上課程建設的核心內容。互聯網和中國大學MOOC中有大量的優質教學資源，通過精心選擇和組織后可以方便地將教學內容推送給學生，指導學生進行線上的自主學習。“材料力學”課程還應開發具有自身特色的自建線上資源，如針對知識點的微視頻、典型例題和習題的講解視頻、電子教案、工程實例庫、課程網站等。由于線上資料沒有時間的限制，在制作過程中可以詳盡地講解知識點的具體內容及其相互關系、復雜公式的推導及論證、典型例題求解及相關的知識點和細節等，知識的容量和拓展程度優于線下的課堂教學內容。利用多媒體的優勢，還可以采用動畫、視頻等方式生動地展示材料力學在工程中的應用，讓學生對材料力學的工程意義具有直接的感性認識。學生通過反復多次線上資料的學習和練習可以加深對知識點的理解。由此可見，線上教學能同時兼顧知識的深度、廣度以及學生的個性化學習，這些優勢在傳統課堂教學中是無法實現的。

課程考核是“材料力學”課程教學中重要的一環，以往的考核多是通過期末考試一錘定音，學生往往通過期末的突擊來應付考試，無法體現教學考核與教學過程的相互促進作用。線上考核方式可以有效彌補這一問題，通過建立課前測試、課中測試、課后測試、單元測試和綜合測試相結合的多元線上題庫對學生各環節的知識掌握情況進行檢查，不僅可以幫助教師對學生的課程學習進行全方位評估，還可為教師的教學提供實時的反饋，便于教師調整教學內容和節奏，進一步提高教學質量。在線上題庫內容的選擇上，應注意其內容與工程背景的結合，利用線上題庫可以方便地引入各類圖片和動畫，使試題的內容更貼近工程實踐。例如，可直接給出汽車減速箱的實體圖，或工作時的視頻和動圖，引導學生建立相應的力學模型并進行設計和校核，以培養學生的工程素養。在線上題庫的形式上，由于在雨課堂等平臺上客觀題可以通過系統實時高效地總結學生的答題情況，在課前和課中測試中應盡可能地采用客觀題。而現有線上教學平臺對于主觀題的批改和統計仍有一定的不足，因此，在一些解題步驟較復雜的問題時，教師可以將其拆分成幾個易于考察的知識點，更利于教師在課堂教學中及時了解學生對知識點的掌握情況。

3 線上線下混合式教學實踐

彎扭組合變形在工程中廣泛存在，如各種傳動軸等。由于涉及的知識點較多，對學生綜合應用知識的要求較高，加上在講解這節內容時教師多數采用PPT和黑板進行例題講解的方式，通常以一個例題作為單元講解，學生練習時通常也以一道題為單元進行考核，很難了解學生對每個知識的掌握情況并做到教學時有的放矢。因此，在傳統的線下教學時，這節內容一直是“材料力學”教學中的重點和難點。

彎扭組合問題是一個綜合性的問題，它的求解與彎曲變形、扭轉變形、拉伸變形、強度理論息息相關，若前面的基礎理論掌握得不夠牢固，在學習這節內容時會感到非常困難。因此，將上述章節中的相關內容整理成短小精悍的預習課件，并在課件中對本節課的主要內容和重點、難點進行了簡要的說明。在上課前通過線上平臺將課件預先發布給學生，督促學生進行適當的復習和預習，并設置一些簡單的題目對學生的掌握情況進行考核。通過引入線上預習，可以有效擴充學習的時長并能分解相關的知識點，督促學生進行復習和預習，找到新知和舊識的結合點，以克服學生畏難的情緒，提高學習的積極性和效率。在上課前，利用線上平臺進行簽到，并分析和總結學生的答題情況，了解學生在知識結構中的薄弱環節。課堂教學時，教師可以根據學生預習情況有針對性地組織教學，對于預習課件中學生通過自學可以掌握的簡單內容，可以少講甚至不講，而對于學生普遍感覺很難的內容，則進行細講和精講，以提高課堂教學的效率。

在“材料力學”教學中，學生通常反映教師講解時能聽懂，但自己做題時就不會，體現出在綜合應用上有一定的不足，需要進行大量的練習。但是，由于課時和上課人數的限制，教師很難在課堂上對學生進行個性化的指導，線上教學為這個問題的解決提供了一些新的方法。由于課前的線上預習，教師在課堂上有更多的時間讓學生練習。以往傳統的教學中教師是將一個例題從頭到尾作為一個整體來進行講解，大量知識點的堆積令學生很難消化。因此，可以將彎扭組合變形的求解分解為支座反力的計算、彎矩的計算、扭矩的計算、相當應力的計算、強度設計等幾個步驟，并將這些知識點設置為獨立的單元，通過合適的題型利用現代技術手段及時考核學生的掌握情況，并通過線下教學中教師的總結快速地形成本節課的知識結構。由于每道題的知識點是單一的，學生在求解時的難度降低，且不會因為前一知識點的不足影響后一個知識點的答題，能夠更加準確地反映出課堂教學的效果。教師也可根據學生的反饋進行知識點的復習和鞏固，課堂教學的效果明顯提升。課后，通過作業的批改和線上的解惑，可以進一步幫助學生理解消化課堂教學的內容。由此可見，通過課前、課中、課后線上線下教學方式的融合，不僅可以充分調動學生積極性、主動性和創造性，還可以在有限的學時內拓展課程的深度和廣度。

4 結論

新工科對“材料力學”教學提出了更高更迫切的要求，促進了信息時代“材料力學”全新教學模式的改革和建設。“材料力學”課程的課堂教學者應主動轉變教學觀念，以學生能力培養為目的重構教學內容，突出課程的工程應用價值，并改革教學方法，增加師生的有效互動，培養學生的質疑和創新意識。同時，結合互聯網資源和自建線上資料庫，向學生提供豐富的線上學習資料，并根據學生的學習規律建設多元立體的線上測試題庫，對教學的各個環節進行過程評價。通過線上線下結合的測試方法對學生的學習效果進行全面評價，不僅能在教學的全過程促進學生的主動學習，還能及時反饋學生對知識點的掌握情況，便于教師有的放矢地安排授課內容和節奏。由此可見，線上線下混合教學模式在“材料力學”課程的應用不僅能提高教學的質量和效率、打破傳統教學在時空和空間的限制，還有利于培養具有工程素養和創新思維的新型工程科技人才。