“二中心、三階段、四層次”的結構力學一流課程改革與實踐

曹艷梅　于桂蘭　賈影　徐艷秋

［摘 要］北京交通大學結構力學I獲批2020年首批國家級線下一流課程。課程組針對一流課程建設過程中遇到的問題和難點進行了有效的教學改革和實踐。以立德樹人為根本任務，采用“以學生為中心”與“以工程為中心”同頻共振的結構力學教學改革理念，提出了“三階段、四層次”的教學設計，并以此開展了線上線下混合式教學，取得了較好的效果。通過教學實踐證明，以工程案例為載體，將對分課堂、小組討論、同伴教學、雨課堂等方法合理地融入教學，不僅能激發學生的學習興趣，強化學生的參與式學習，而且能有效地鍛煉學生對知識的應用、分析和創新能力，為國家一流課程的建設提供了一條有益途徑。

［關鍵詞］結構力學；一流課程；混合式教學；“三階段、四層次”教學設計

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）07-0036-05

如果把土木類專業比作一幢大廈的話，那么結構力學這門課程無疑是這座大廈的基石。該門課程是聯系基礎課和專業課之間的一座橋梁，對學生專業技能的培養和學術思維的形成具有極為重要的作用。

對于結構力學的課程建設，國內許多高校的教研人員從教學理論、教學模式、教學方法、教學手段等多個方面進行了大膽的改革和探索，取得了卓有成效的建設成果[1-7]。筆者在多年的教學過程中發現，傳統結構力學教學多采取課堂講授、布置作業、習題講解“三步走”的循環模式。該教學模式“以教為中心”，注重課后的習題訓練，這不利于培養學生的自主學習能力，而且這種重理論輕應用、重題目訓練輕能力培養、重內容傳授輕思維訓練的方式容易使學生感覺課程枯燥，讓學生學而不知所用，進而對學習失去興趣。如何對課程教學進行改革以提高學生學習的參與度？這就需要將教師的“傳道、授業、解惑”與學生的“悟道、求業、生惑”[8]相結合，提高課程的高階性、創新性和挑戰度，培養知識、能力、素質全方位發展的土木工程卓越人才，這是結構力學所有任課教師面臨的一項迫切任務。

北京交通大學結構力學課程組踐行“以學生為中心”與“以工程為中心”同頻共振的結構力學教學改革理念，提出了“三階段、四層次”的教學設計方案，并基于此開展了線上線下混合式教學，最終取得了較好的效果。

一、“二中心”教學改革理念

2019年，教育部發布了《關于一流本科課程建設的實施意見》，明確提出了以理念新起來、課程優起來、教師強起來、課堂活起來、學生忙起來、教學熱起來為主要內容建設國家一流課程[9]。根據一流課程在“兩性一度”、融合創新、課程效果、持續改進4個方面的基本建設要求，課程組在教學過程中首先需要解決以下重點問題：一是如何將結構力學經典理論進行傳承與創新，激發學生的學習興趣；二是如何增加課上和課下的師生互動、生生互動，使學生由被動學習變為主動學習；三是如何將線上課程和線下課程有機結合起來，提高課程的高階性、創新性和挑戰度。

基于改革重點和結構力學課程的特點，課程組確立了“以學生為中心”與“以工程為中心”同頻共振的“二中心”教學改革理念。

“以學生為中心”，即圍繞學生開展備課、教案、課堂教學、課后拓展等多個教學活動（見圖1）。在備課環節，不僅要開展課前備課，還要根據學生每堂課的學習反饋和表現進行課后備課，對教學進行及時改進，對教案進行同步完善。在課堂教學的過程中，增加學生參與式學習設計，注重知識和能力的培養，使教師從“知識的傳授者”轉變為“知識的引導者”，使學生從“被動學習者”轉變為“樂于學習的探索者”。同時，在課后不再單純地布置各種習題訓練，而是結合行業發展和科研成果適當布置拓展型作業。這不僅能夠提高課程的高階性、創新性和挑戰度，而且能夠提升學生對知識的應用和探索能力。除了對學生進行知識輸送和能力培養，還要充分發揮課程思政的引領作用，培養學生的家國情懷和文化自信、職業精神、哲學思維等方面的素養。

課程組堅持“以學生為中心”的教學改革理念，根據結構力學“來源工程”這一課程特點，建立與知識點相對應的工程案例庫，以工程教學為載體，回歸其“指導工程”的初心，將“以學生為中心”與“以工程為中心”進行結合，實現“二中心”的同頻共振。

法國著名思想家盧梭曾經說過，問題不在于教他各種學問，而在于培養他有愛好學問的興趣，而且在這種興趣充分增長起來的時候，教他以研究學問的方法。因此，整個教學設計要以激發學生的學習興趣為突破口，以培養學生的知識、思維、能力、素質、精神、情懷為落腳點，形成“以工程為中心”的遞進式“6E”教學理念（見圖2）。通過工程問題的導入，激發學生的學習興趣（Exciting）；采用啟發式教學，帶領學生逐步分析工程現象所隱含的本質（Enlightening）；將分析過程進行提煉總結（Extracting），進而引出結構力學的基本原理和基本方法。這三個階段弘揚了茅以升老先生“習而學”的工程教育思想[10]，不僅能夠有效解決重理論、輕應用的弊端，而且能夠培養學生初步的工程思維。

然而，如果課程的教學止步于此，就會造成學生對知識掌握得不夠牢固，也會存在課程的深度和廣度不夠的問題。因此，課程組進一步對基本概念、基本理論和基本方法進行了夯實和鞏固（Enhancing）；通過將基本原理和基本方法等進行凝練和拓展延伸（Extension），培養學生的定性分析能力；結合行業發展和學科前沿知識激發學生對知識的探索（Exploration）熱情。這三個階段重點強化的是學生運用基礎理論分析和解決實際工程問題的能力，也是貫徹“以學生為中心”的教育理念的體現。

二、“三階段、四層次”混合式教學實施

（一）混合式教學設計的理論基礎

邦克（Bonk）和 格拉漢姆（Graham）于2006年首次提出了混合式教學的定義，即面對面教學和計算機輔助在線學習的混合[11]。在進行混合式教學設計時，課程組根據布魯姆關于教育目標的六個層級分類[12]，對課程知識點所對應的學習目標和教學目標進行了重新梳理和優化，將記憶和淺層理解設定為初級目標，將深度理解、應用、簡單分析設定為中級目標，將復雜分析、評價、創新設定為高級目標，分別通過課前的SPOC在線自主學習、課中的參與式學習、課后的拓展學習三個階段來實現（見圖3）。而在整個教學實施過程中，除三級目標外，思政目標也是重要的教學目標，它“如鹽入水”，“潤物細無聲”地滲透在每個教學環節中。

（二）“三階段、四層次”混合式教學實施策略

在教學實施過程中，課程組結合“6E”教學理念，制定了教學實施策略（見圖4）。本文以結構力學課程中溫度變化引起的超靜定結構內力計算這一知識點為例，詳細介紹了線上線下混合式教學的課堂實踐。由于學生已經學習了超靜定結構內力計算的基本方法——力法以及溫度變化引起的靜定結構的內力計算，因此，學生完全有能力對該知識點進行初步自學，基于此，可結合該知識點開展線上線下混合式教學，該知識點的教學主要通過以下三個階段來完成。

1.課前階段：線上自學及反思——自主學習能力及批判性思維的訓練

教師基于MOOC/SPOC課程給學生布置學習任務，讓學生觀看MOOC/SPOC視頻，完成MOOC/SPOC平臺上的隨堂測試和自學任務，并完成“亮考幫”上的反思型作業，于上課前一天拍照發給教師。“亮考幫”作業的形式是根據對分課堂[13]的教學方法而提出的。“亮”即“亮閃閃”，要求學生寫下本人在對知識點進行自學后的收獲，以及理解較為透徹的地方；“考”即“考考你”，要求學生根據知識點出題來考考其他同學；“幫”即“幫幫我”，要求學生記錄下在學習過程中的疑問或需要同學和教師協助解決的問題。而教師則根據學生在完成作業過程中遇到的問題進行有針對性的備課。

同時，教師需要對“亮考幫”的作業情況進行反饋，提高學生課后自學的積極性。如果一次作業是5分，學生只要提交，無論好壞，至少可得3分（及格）；如果學生比較認真，態度良好，可得4分（良好）；如果作業有新意，與眾不同，可得5分（優秀）。本階段教學設計不過多關注學生的對錯，而是重視過程，旨在重點培養學生的自學能力、思考能力以及批判性思維能力。

2.課中階段：對分課堂+同伴教學——合作學習、對知識的應用和解決問題能力的訓練

上課時，首先進行小組內自主討論，重點討論作業中的“考考你”和“幫幫我”兩個部分，教師不參與討論，只對各小組的討論進行有針對性的指導，并進行時間和節奏控制。小組內部討論結束后，在教師的指導下進行小組之間的互相答疑。教師找出學生存在的共性問題，有針對性地對重難點進行講評。

此時學生對知識點有了基本的理解和掌握，教師可拋出深層次分析型或應用型的問題，比如啟發學生進行思考：超靜定結構在溫度變化的作用下，桿件一般是哪側受拉？同時借助雨課堂隨堂測試的答題反饋情況，及時了解學生對基本概念的掌握情況（見圖5）。教師根據學生的掌握情況，進行側重性的引導。

學生掌握了基本知識和概念后，任課教師可結合實際工程中的“連續梁橋”案例（見圖6）開展教學，這也是后期學生在進行畢業設計時最容易出現力學概念混淆的一個實際案例。針對整體升溫或降溫情況下連續梁橋的截面內力情況，先讓各小組進行思考討論，討論結束后在教師的引導下，各小組將討論結果進行展示，由教師進行總結，通過這種方式，強化學生對基本理論和基本概念的應用和分析能力，加強對學生職業道德素養和價值觀的培養。本階段采用同伴教學法[14]，結合雨課堂的隨堂測試功能，旨在重點培養學生對知識的應用能力以及分析問題和解決問題的能力。

3.課后階段：反思總結和拓展應用——挑戰能力和創新能力的訓練

任課教師根據學生的學習情況選擇具有一定挑戰度的題目作為學生課后拓展思考題，比如溫度變化對結構有何影響？讓學生對工程中的“連續梁橋”結構在不同溫度變化時的截面內力進行計算，進而分析思考在不同溫度變化作用下，結構都是溫度變化較低的一側受拉嗎？存在什么樣的特殊情況？再比如，提出探究性問題：我國高速鐵路軌道采用無縫線路，如何考慮溫度變化引起的軌道位移？讓學生通過小組討論完成教師布置的課后拓展思考題，學會舉一反三，并通過作業訓練進行反思總結。設置探究性問題能夠提高課程的創新性和挑戰度，培養學生的挑戰能力和創新精神。

（三）課堂實踐效果評價

通過調查發現，在結構力學中采取線上線下混合式教學得到了學生的一致好評（見圖7）。

2018年春季學期至2021年春季學期連續4個學期的學生最終成績在各個分數段的占比統計結果如圖8所示。從圖中可以看出，除了2020年春季學期（疫情的特殊時期），結構力學課程的不及格率基本在25%～30%，進一步反映出該課程具有一定的挑戰度，同時還可以看出課程教學改革能夠有效提高成績中等及偏上學生的成績，但是對于學習主動性差、學業困難的學生來說效果不太明顯。

三、結語

2020年，北京交通大學結構力學I獲批首批國家級線下一流課程，課程組以立德樹人為根本任務，采用“以學生為中心”與“以工程為中心”同頻共振的結構力學教學改革理念，提出了“三階段、四層次”的教學設計，并基于此開展了線上線下混合式教學。通過教學實踐發現：

首先，在“智能+”的時代背景下，針對“00后”的大學生開展有效的線上線下混合式教學，貫徹“以學生為中心”與“以工程為中心”的教學改革理念，可產生較好的教學效果。

其次，“三階段、四層次”的方法能夠為教學活動提供一個思路清晰的教學設計，在課中階段，尤其注重學生的參與式學習。將對分教學、小組討論、案例分析、啟發式引導、雨課堂等新型教學方法和手段合理地融入教學設計，加強學生的參與式學習和課堂互動，有效實現一流課程的高階性、創新性和挑戰度。

最后，一流課程的建設不僅對學生提出了較高的要求，而且對任課教師提出了前所未有的挑戰。任課教師必須走出“舒適區”，對每一個教學環節進行精心的設計。用“方法”去教導學生，用“愛”去澆灌學生，用“情懷”去引導學生，才能真正實現一流課程的高效建設。

［ 參 考 文 獻 ］

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[3] 程斌，向升. 結構力學課程“3W3E”教學法[J]. 高等建筑教育，2020，29（1）：119-125.

[4] 齊欣，孟慶成，余志祥，等. “新工科”背景下結構力學課程重構與探索[J]. 廣西教育學院學報，2020（5）：183-187.

[5] 張學元，張道明，呂春. 基于建構主義的結構力學教學設計與實踐[J]. 大學教育，2019（10）： 79-81.

[6] 劉永軍，谷凡，宋巖升，等.“結構力學”課程培養學生“解決復雜工程問題”能力的思考與實踐[J].中國建設教育，2019（4）：148-151.

[7] 周海龍，安珍，李平，等. 基于學科思維導圖的結構力學教學研究[J]. 高教學刊，2019（8）：94-96.

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[12] SHABATURA J. Using blooms taxonomy to write effective learning objectives [EB/OL].[2022-09-11].https：//tips.uark.edu/using-blooms-taxonomy.

[13] 張學新. 對分課堂：中國教育的新智慧 [M]. 北京：科學出版社，2017.

[14] 埃里克·馬祖爾. 同伴教學法：大學物理教學指南 [M].朱敏，陳險峰，譯. 北京：機械工業出版社， 2011.

［責任編輯：蘇祎穎］