新工科視角下工程力學課程混構教學模式研究與實踐

宋明 杜勁 王力 李安慶

摘? 要：該文針對新工科視角下工程力學課程教學中存在的問題，提出工程力學課程混構教學模式。該模式以真實工程案例為導入背景，以開放性問題為教學模塊主體，進行沒有唯一答案的開放式設計，以封閉性問題為學習輔助支撐資源，為學生提供學習支持和引導，構建開放與封閉相協調、自由與限制相統一的教學模式。教學實踐結果表明，該模式可以理順新工科視角下工程力學教學設計思維，提高學生參與課程學習的質量，促進工程力學課程教學成效不斷提升。

關鍵詞：混構教學模式；開放性問題；封閉性問題；工程力學；混合式教學

中圖分類號：G642? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）19-0126-04

Abstract： Aiming at the problems in the teaching of engineering mechanics from the perspective of emerging engineering education， this paper proposes a mixed teaching mode of engineering mechanics. This mode takes real engineering projects as import cases， takes open questions as the main body， and uses closed questions as an auxiliary to construct a teaching mode that coordinates openness and closure， and unifies freedom and restriction. Through teaching practice， it is proved that this model can extend the teaching design thinking of engineering mechanics from the perspective of emerging engineering education， stimulate students' enthusiasm for learning， and promote the improvement of the teaching quality of engineering mechanics courses.

Keywords： mixed teaching mode; open question; closed question; engineering mechanics course; blended learning

我國新工科建設持續推進，著力培養未來多元化、創新型的卓越工程人才[1-3]。這對高等學校工科類專業建設和人才培養提出了新的要求，也為傳統工科類課程的發展指明了方向。

工程力學課程是很多工科類專業的基礎性課程[4-5]，其向前承接高等數學、大學物理等理論性課程教學成果，向后為機械設計、零件加工工藝等工程性課程傳遞基礎知識體系，起到了關鍵的橋梁性作用。

一? 工程力學課程現狀

工程力學課程主要面向工業設計、高分子材料、林化工程等工科類專業開設。知識層面上，課程主要包括靜力學模型分析、靜力學方程求解、構件強度、剛度、穩定性設計及校核等方面內容。能力層面上，課程主要鍛煉學生的初步工程實踐能力、邏輯思維能力、團隊合作能力。價值觀層面上，課程要求學生能夠貫徹系統化思維方式，執行工程倫理要求，將家國情懷、使命擔當映射到實際行動之中。

傳統工程力學課程教學中，還存在著一些問題。

1）對學生的力學建模能力關注不夠。在工程力學課程教學中，需要讓學生掌握常見構件的計算公式、方法、思路，具備使用力學知識分析、設計、解決工程問題的能力。因此，課程需要為學生提供一定量的計算性問題，幫助學生鍛煉分析和計算過程。礙于各種因素，傳統工程力學課程教學中往往直接給學生提供經過抽象的力學模型進行理論學習、分析計算、應用探索[6]。這種題目距離工程實際環境較遠，其省略了將復雜工程問題轉化為簡單力學模型的分析和建模過程，導致學生在面對真實工程問題時不知所措，難以進行有效力學分析和建模，更難以提出實用性的解決方案。

2）課程資源與混合式教學形式不匹配。為了提高工程力學課程教學中的高階性和挑戰度，更好地開展教學活動，很多工程力學課程在實踐中引入了混合式教學方法[7-10]。這種教學方法以線上線下兩種教學形式交替運行：在線上教學階段中，學生通過各種教學平臺學習課程配套學習資源，開展題目練習；在線下教學階段中，學生通過教師提供的練習題，進行課程訓練，幫助學生解決線上教學的問題，夯實知識體系，鍛煉解決問題的能力。但是，課程相關的配套資源并沒有針對混合式教學形式進行相應的優化，依然采用傳統的力學問題進行計算訓練，沒有充分利用混合式教學形式所帶來的教學便利，沒有使線下教學活動導向更具高階性、更具挑戰性、更具創新性。導致學生依然在學習時抓不住重點，在接觸真實問題時無所適從，不知道如何開始工作，不清楚以什么角度進行分析，更不熟悉怎么協調小組設計思路，推進設計進程。這種現狀未能充分發揮混合式教學的潛力，在很大程度上影響了學生的工程實踐能力發展，制約著以工程力學課程為代表的工科類課程的進步。

二? 混構教學模式

（一）? 混構教學模式整體設計

針對上述問題，教學團隊提出了“混構”教學模式。該模式基于課程教學原有知識體系，以開放性問題構建教學模塊核心，以封閉性問題組成相應模塊的學習支架，設計思路如圖1所示。“開放性問題”，即具有多種分析視角和最終結論的計算或設計性問題，為學生提供自由的設計和研究情景。“封閉性問題”，即具有唯一視角或答案的計算或設計性問題，為學生提供明確的“對與錯”的判斷標準，幫助學生練習概念和公式的基本使用方法。學生既能通過研究開放性問題，鍛煉知識應用、環境評價、影響分析和完成設計等方面的能力，又能通過封閉性問題獲得合理適度的學習支撐，保證學習活動順利進行。

（二）? 開放性問題

開放性問題是教學活動的主線，關注課程和學生專業相關領域的知識、方法、思路和應用。其內容來源于真實工程問題，要求學生利用課程中學到的知識和能力決定構件結構、設計零件尺寸及評價設計方案，鍛煉學生的工程實踐能力。開放性問題還可以延伸到相關的社會應用領域：分享科研的最新前沿、討論熱點社會工程問題及分析行業領域的發展問題等。引入開放性問題不僅解決了學生力學建模能力不足、分析計算能力不佳的問題，還將教學活動延伸到了課程教材之外更廣闊的空間，為學生帶來了更多、更廣、更深層的思考。其具有多種可以評價的解決方案和分析視角供學生自主選擇，如水平較高的學生可以選擇挑戰度較高的設計方案；水平中等的學生可以選擇拓展應用型的設計方案；有待提高的學生采用夯實基礎類型的設計方案。

（三）? 封閉性問題

封閉性問題是教學活動的輔助手段，包括兩種類型。一種是按照課程知識體系依次構建的知識性題目，強化學生掌握的相關概念和知識，保證學生具有充分的練習機會。另一種是根據開放性問題構建的支持性題目，為其提供邊界控制、研究支撐、程度判斷等支持。“邊界控制”，即構建明確的研究限制條件，限制開放性題目的研究范圍，讓學生的研究主線聚焦在教師設計的研究目標點上。“研究支撐”，即為學生提供具體公式的分析和應用案例，在開展開放性問題研究過程中，幫助學生解決難點問題，將研究和設計進行下去。“程度判斷”，即提供往屆學生作品中的優秀案例，引導學生思考優秀設計的特征，幫助學生提高分析和設計水平。

三? 混構教學模式的教學實踐

教學團隊在大二年級的工業設計專業工程力學課程教學班中進行了教學實踐，課程以線上線下混合式教學形式展開，使用以“混構”教學模式設計的關鍵環節和相關配套資源。教學團隊構建了由12個開放性問題和110個封閉性問題組成的案例庫，覆蓋了課程的全部重要章節。在課程教學中，針對一個教學節段，在線上教學階段中，在線上教學平臺上提供教學團隊開發的教學視頻、練習題庫、課外拓展資源，讓學生按照時間要求完成相關線上學習環節。然后為學生布置線下見面課的預習環節，講解開放性問題的內容、要求及配套資源，幫助線下學生理清學習任務。然后為學生提供充分的小組研究機會和時間：針對內容較多的開放性題目，要求學生課下就開展小組研究活動；針對內容較少的開放性題目，在線下見面課上進行小組研究活動。在此過程中，通過線上教學平臺提供支持性題目，幫助學生完成研究活動，教師積極跟進小組運行進度，提供相應的指引。然后開展小組結果分享活動，促進高階思維活動的成果固化，為學生提供學習評價，完成學生工程實踐能力發展閉環。

以教學中的“拉壓桿問題”章節為例，改革前和改革后實施過程對比見表1。在課程線上教學階段，學生按照要求學習拉壓桿相關知識點，并完成配套練習題，打下深入研究的知識基礎。在線下課程中，教師參照線上學習數據，強化課程的重點和難點問題。然后提出引導性案例——振華重工龍門吊的設計示例，幫助學生理解真實工程上拉壓桿的常用形態和分析思路。之后為學生講解經過適當簡化的開放性問題“傾斜支撐結構設計”，并要求學生以小組為單位研究實現結構并提出最終的設計方案。

在小組研究中，學生先學習教師提供的具有明確“優與劣”判斷的設計示例（封閉性問題），建立設計研究的邊界。然后開展小組內的頭腦風暴，創建多種可能實現需求功能的結構。之后參照配套給與的代表性計算示例（封閉性問題），分析和計算上述設計方案，提出關鍵零件的設計參數，并提出小組最終設計方案。在見面課上以小組為單位進行分享，其他小組對其設計結果進行現場分析和評價。每位學生在課后進行紙面設計總結，促進高階學習經驗的固化。

經過了4個學期的教學實踐，相關教學數據和反饋信息表明，混構教學模式提高了課程配套資源與混合式教學形式的匹配程度，提升了學生針對工程問題的力學建模能力，深化了混合式教學形式中的線下見面課互動層級，提高了課程的高階性、創新性、挑戰度，改善了混合式教學中小組項目運行情況。經過一段時間的教學實踐，教師發現學生到課率明顯提升，參與課程互動的積極性明顯提高，小組設計方案更加完善，有的小組甚至使用了有限元仿真等技術手段對設計結果進行了更深層次的分析和優化。整體上看，經過教學改革之后，學生針對工程問題的分析和計算能力顯著增強，課程教學質量明顯提升。

四? 結束語

本研究基于新工科視角下人才培養需求，構建了工程力學課程混構教學模式。該模式以真實工程項目作為引導案例，構筑了工程案例分析情景，以開放性問題為主體，建立了具有多種分析視角和設計方案的小組研究題目，以封閉性問題為支撐輔助資源，設置了符合學生學習習慣和水平的教學支架。該模式提出了針對混合式教學形式下相關課程配套資源的建設思路，構建了既具有充分自由度又具有合理支撐性的工程力學課程環境。4個學期的教學實踐結果表明，該模式可以適應新工科視角下人才培養需求，拓寬課程設計思路，回應學生學習需求，提高工程力學課程教學質量，可以為工科類課程教學改革提供有益的參考。

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基金項目：山東省高等教育本科教學改革研究項目“工科專業線上課程思政低致敏性‘混構教學模式研究與實踐”（M2020086）；齊魯工業大學（山東省科學院）2020年度教學改革和教學研究線上教育專項招標項目“基于混沌理論的自適應性線上混構教學方法研究”（無編號）

第一作者簡介：宋明（1984-），男，漢族，山東濟南人，工學博士，副教授。研究方向為沖擊動力學和高等教育技術。