差異化教學在材料力學課程中的應用研究

李志軍　李雪華　王霞　張文榮　楊帆

摘? 要：該文分析工程教育認證下普通高等院校材料力學課程教學中存在的問題，基于差異化教學體系提出與材料力學課程相適應的教學改革方案。建議通過教學目標、過程和考核差異化特點建立材料力學課程差異化教學體系。基于課前、課中和課后，提出相應的差異化教學方法，提出3模塊和3層次的差異化仿真實驗教學方案，構建差異化課程考核方法。

關鍵詞：差異化教學；工程教育認證；OBE；材料力學；教學改革

中圖分類號：G640? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）18-0029-04

Abstract： The paper analyzing the existing problems in the process of course teaching of Mechanics of Materials for regular higher educational institutions under engineering education certification， in this paper， the teaching reform project of the course is presented on the basis of the differentiated teaching system which consists of teaching target， teaching process and teaching assessment. In the project， the corresponding differentiated teaching methods are presented according to three class stage （before class， in class and after class）. The simulating experiment teaching based on three modules and three hierarchical structures are proposed， and the differentiated course assessment modes of mechanics of materials are constructed.

Keywords： differentiated teaching; engineering education certification; OBE; mechanics of materials; teaching reform

差異化教學是指在教育體系中，教師要根據學生的興趣導向和天賦差別的不同，所組織的人才培養(yǎng)教學活動。通過這種活動，教師有目的、有計劃、有組織地引導學生積極自覺地學習，促進學生特殊才能迅速提高，使他們成為社會所需要的專業(yè)人才。差異化教學要求教師能夠基于學生存在的多方面差異，提出不同的教學方案，實施不同的教學要求，從而做到“因材施教”。學生存在初始能力、學習興趣、學習能力和未來預期等方面的差異，采取差異化的教學以滿足學生個性化的學習需求是與“促進每個學生發(fā)展，提高每一個人的生命質量和價值”的教育本質一致的，是以“學習者為中心”的教育范式下的必然要求，也是我國推進教育現代化的重要方向之一[1]。

基礎力學課程是多數工科類專業(yè)教育的基礎，是提高力學技能、培養(yǎng)各類合格工科類人才的奠基工程，其在創(chuàng)新人才的培養(yǎng)中起著重要的啟蒙和基礎性作用，沒有好的基礎力學教育，很多工科類專業(yè)后續(xù)教育與創(chuàng)新將受到制約與影響[2-3]。材料力學作為重要的一門基礎力學課程，主要面向西安工業(yè)大學國家一流專業(yè)機械設計制造及自動化和土木工程開設，通過本課程的學習，可以增強大學生的工程意識，掌握解決工程問題的基本理論及方法，培養(yǎng)學生一定的解決工程實際問題的能力，是提高學生科學研究能力的起點。以一流專業(yè)土木工程為例，材料力學課程畢業(yè)要求指標點分別為：掌握力學原理和方法，具備工程建模研究能力，能將這些力學原理和方法用于土木工程專業(yè)復雜工程問題的建模、分析與計算；能夠應用數學、自然科學與力學知識的基本原理，識別土木工程專業(yè)復雜工程問題本質特征，建立恰當的工程分析模型；能夠應用工程科學的基本原理，通過文獻調研，結合實際工程建設的基本特點，系統(tǒng)分析并充分表達土木工程專業(yè)復雜工程問題，給出可行的解決方案。

材料力學課程的傳統(tǒng)教學模式是以教師在課堂教學過程中采用理論講授方式為主，并通過課堂上的具體例題講解向學生闡明材料力學基本概念和原理，并詳細展示計算公式的具體推導過程，而后通過課后的習題作業(yè)環(huán)節(jié)強化學生對本課程基本概念和原理的理解，增強學生應用基本計算公式的能力[3]。在工程教育認證導向的工程類專業(yè)寬口徑培養(yǎng)模式下，材料力學課程呈現出內容多、難度大、學時少的特點，且一般都為大班教學，采用傳統(tǒng)教學模式的教學效果難以滿足工程教育認證下的課程目標要求。結合2020—2022年西安工業(yè)大學（以下簡稱“我校”）土木工程和機械設計制造及自動化一流專業(yè)的材料力學課程總評考核數據分析結果，由于學生個體初始能力、學習興趣、學習能力等方面的差異化問題未引起足夠的重視并采取有效的應對措施，使得該門力學課程的持續(xù)改進措施不夠有效，突出表現為我校土木工程和機械設計制造及自動化一流專業(yè)學生力學基礎能力整體性偏低，優(yōu)秀學生的力學創(chuàng)新性能力略顯不足，亟需研究新的改進措施。本文在已有研究的基礎上堅持“以學生為中心，以產出（成果）為導向，以持續(xù)改進為推動力”的OBE （Outcome based education）教育理念，深入研究學生個體差異，找準切入點，并融合科學計算相關技術作為有效教學方案，提出我校材料力學課程的差異化教學改革及實踐方案，全面提升我校一流工科專業(yè)學生力學基礎能力水平和更高的創(chuàng)新性目標需求。

本文基于我校土木工程專業(yè)畢業(yè)要求對應的課程分解指標點以及材料力學課程的目標要求，考慮不同學生的層次特點將其歸并為不同的組別，而后針對相應組別提出的不同教學目標和教學要求，并選取不同的教學內容，采用不同的教學手段和考核指標以實現教學目的，形成該課程差異化教學體系，具體如圖1所示。差異化教學體系有利于鞏固“以學生為中心”的教育指導思想，使得教師能夠在教學過程中充分考慮到每個學生對于該門課程個性化目標需求，努力做到因材施教，從而通過教學服務的不斷改善有效提升教學質量。結合已有研究基礎，本文提出的材料力學課程差異化教學體系主要基于教學目標、過程和考核差異化進行構建[4]。

一? 教學目標差異化

目前我校土木和機械類一流專業(yè)均根據學生的個體情況，形成了“卓越工程師”試驗班和普通班兩種班型，考慮到兩種班型的學生在基礎能力、學習興趣和能力存在差異，基于已有的相同教學方案難以滿足存在差異學生對于該課程的目標需求，需要了解每位學生自身對于材料力學課程的總評成績目標要求（按照優(yōu)、良、中和及格幾個層次區(qū)分），同時搜集學生差異化分析數據并對學生學情進行分析，學生學情分析的差異化數據基于表1獲取[1]。在材料力學課程目標的基礎上，依據學生差異化分析數據和自身的課程成績目標將學生劃分為不同需求的學習層次。

依據不同需求層次的學生設定差異化的教學目標，即普及型、提高型和探究型三個層次。對于普及型學生，要求其理解和掌握材料力學課程應知應會的基礎知識與基本技能；對于探究型學生，可以設計一些工程性較強的探究類學習任務，通過參與相關研究課題、項目帶動等活動培養(yǎng)其創(chuàng)新思維能力；而對于提高型學生，其課程目標要求基于二者之間制定。

二? 教學過程差異化

在材料力學課程教學活動中，具體不同能力和課程目標層次特點的學生顯然是教學活動的主體，而教師如何有效地組織多層次的課堂教學活動，指導不同層次學生在課堂中提出的具體問題，以及在有限的課堂時間中如何協調不同層次學生的學習進度是材料力學課程差異化教學活動能夠實現的重要方面。組織策略方面，將分層設計與靈活分組結合起來提升學習效果。指導策略方面，有針對性地與不同學生進行不同問題的交流，可以達到對不同學生的差異化關注、指導，同時建立學生之間的互助關系。調控策略方面，要兼顧所有層次的學生，學習活動應該是一種非線性的安排。課后作業(yè)環(huán)節(jié)根據教學目標設計滿足學生多樣化需求，對于普及型學生要求其完成課程目標要求的最低作業(yè)量，而對于探究型學生應當布置一定數量綜合性更強，創(chuàng)新能力要求更高的擴張性題目，從而保證不同層次的學生能夠通過不同層級的循環(huán)性練習達到各自的課程目標要求。具體的差異化教學過程設計如圖2所示。

多元化教學資源庫是實現差異化教學過程的重要保障。我們主要通過加強線上和線下資源庫的建設不斷豐富材料力學課程的教學資源庫。通過建立具有本校特色的材料力學線上課程并選取國家級教學資源庫中經典的材料力學線上課程完善該課程線上資源庫的建設。采用現代數字技術對材料力學課本知識進行深化處理，例如學生可以掃描書上的二維碼即可鏈接相關的數字資源觀看學習；同時進一步完善標準化練習冊、試題庫、工程案例庫和課程答疑網上平臺等多元化教學資源庫，為有潛力的學生留有深入學習的余地。同時設計材料力學仿真實驗方案，將力學、數學、計算機科學交叉融合，充分發(fā)揮計算機在材料力學教學中的作用。基礎力學課程實際就是根據不同假設建立不同數學模型的過程。所以在實驗教學中就要培養(yǎng)學生建立相應數學模型并能求解的能力。將國際先進科學計算核心有限元技術用于材料力學實驗教學中，讓學生利用相關語言編寫特定程序文件與有限元結合解決實際問題，有利于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[5]。采用三重驗證的教學方法，首先以力學分析計算理論解，接著通過有限元分析的方法，藉數學分析軟件進行理論驗證與計算，最后以有限元軟件包執(zhí)行分析，三者互相驗證，同時體現力學分析、有限元理論與軟件包之間的交互關聯。按照3模塊和3層次建立材料力學仿真實驗課的教學體系以滿足不同層次學生的教學需求。其中3模塊是必做實驗、課內選做實驗和課外選做實驗；3個層次為基礎性實驗、綜合訓練性實驗和工程創(chuàng)新性實驗。

全國周培源大學生力學競賽主要考察理論力學和材料力學兩門課程的基礎理論和實驗知識的綜合運用，著重考核靈活運用基礎知識、分析和解決問題的能力[6]。由于力學競賽的題目相比于課內的習題而言，對于學生的綜合能力會有很高的要求，所以在OBE教學理念的指導下，對于競賽題目的訓練我們是以探究型學生的需求為主，鼓勵提高型學生積極參與。如何豐富力學競賽輔導模式，不斷提高相應層次學生的創(chuàng)新能力是我們后續(xù)重點要考慮的一個方面。例如，我們通過創(chuàng)辦建立網絡媒體平臺，定期開展力學競賽歷年真題講解活動等形式，有效提升了探究型層次學生的創(chuàng)新能力。

三教學考核差異化

在工程教育認證背景下，傳統(tǒng)的教學考核方法已難以滿足不同層次學生的差異化課程目標需求，需要建立基于差異化材料課程目標需求同時滿足工程教育認證課程目標要求的綜合性考核方法。學生對材料力學課程基本概念的理解程度和基本知識的掌握程度可以通過課堂與學生的交流情況、課堂小測驗、學生線上課程預習情況以及階段性閉卷考試等形式進行考核評定，基礎力學實驗能力可通過材料力學課程線下實驗的具體操作和實驗作業(yè)的完成情況予以考核，基于材料力學基本理論和方法解決實際工程問題的綜合分析能力通過階段性閉卷考試難以有效地進行全方位考核。此外，考核辦法還需要考察學生學習過程的持續(xù)反饋，需要研究基于OBE的材料力學課程差異化考核方法。

基于全過程性、持續(xù)性、多元化原則建立材料力學課程差異化考核方法，主要基于以下四個方面建立相應的考核指標體系。①階段性總結，該部分主要通過課堂小測驗、期中和期末閉卷考試等方式考核不同層次學生對于材料力學課程基本概念、原理的掌握程度，并且在一定程度上可以考核學生對于實際工程問題的綜合分析能力。②基于課前、課中和課后學習過程的效果反饋，這部分重點考察不同層次學生的課堂表現，如與教師及學生間的互動情況等，課后作業(yè)完成情況，其他實踐性學習活動參與情況等。③線下課內實驗的完成情況，這部分重點考核不同層次學生實驗環(huán)節(jié)完成情況，如實驗中的操作能力、團結協作能力及報告完成情況等。④利用材料力學基本理論和方法解決工程問題的綜合分析能力，這部分主要通過綜合性和創(chuàng)新性仿真試驗、課后探究型作業(yè)和期末閉卷考試等形式予以評測，仿真試驗和探究型作業(yè)主要針對提高型及以上層次的學生的課程目標需求而設置，學生通過分析相關工程案例力學特點，利用材料力學基本知識通過小組研究討論的形式完成。

針對我校“卓越工程師”試驗班和普通班兩種班型，其差異化考核方法為以下幾種形式。

對于“卓越工程師”試驗班，期末考試占比為60%，線下實驗占比為10%，線上資源課程學習及課后小測驗占比為5%，虛擬仿真實驗占比為5%，探究性題目研究報告占比為5%，平時作業(yè)成績占比為15%。

對于普通班，期末考試占比為60%，線下實驗占比為10%，線上資源課程學習及課后小測驗占比為10%，平時作業(yè)成績占比為20%。

四結束語

在工程教育認證導向的工程類專業(yè)寬口徑培養(yǎng)模式下，材料力學課程呈現出內容多、難度大、學時少的特點，且一般都為大班教學，由于學生個體初始能力、學習興趣、學習能力等方面的差異化問題未引起足夠的重視并采取有效的應對措施，使得該門課程的持續(xù)改進措施不夠有效，突出表現為學生學習自主性不強，力學基礎能力整體性偏低，優(yōu)秀學生的力學創(chuàng)新性能力不足，教學效果難以滿足工程教育認證下課程目標要求。在“互聯網+”背景下，較之傳統(tǒng)的教學模式，本文考慮學生在初始能力、學習興趣、學習能力方面的差異，基于學習者差異的分析和分層、學習目標的層次化制定、學習過程的差異化設計、教學考核的差異化設計建立我校土木、機械類一流工科專業(yè)材料力學課程差異化教學體系，系統(tǒng)提出材料力學課程差異化教學方法。

針對傳統(tǒng)材料力學課程實驗難以滿足我校土木、機械類一流工科專業(yè)課程教學目標的實際情況和特殊需要，通過引進大型通用有限元分析軟件和相關數學分析軟件等計算機仿真技術，初步形成基于OBE的材料學仿真實驗教學方案，重構基礎力學課程教學內容，優(yōu)化課程實驗教學體系。同時，進行“以賽促教”教學模式改革，通過調整教學例題內容、增加例題的趣味性、強化全國大學生力學競賽等試題在培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維能力和力學建模能力方面的作用，初步形成“專業(yè)學習+學科競賽+創(chuàng)新能力”的新型教學模式。

參考文獻：

[1] 劉美鳳，劉文輝，梁越，等.差異化教學何以施行：班內多層次教學方案的設計與實施[J].中國電化教育，2022（1）：124-133.

[2] 張樹翠，趙衛(wèi)兵.以工程教育認證為導向的工程力學教學改革研究[J].教育教學論壇，2020（3）：104-105.

[3] 劉德軍，左建平，周宏偉，等.OBE理念下的材料力學教學方法改革與實踐[J].力學與實踐，2021，43（1）：112-119.

[4] 盧加元.智能時代的差異化教學模式及其實現條件研究[J].職業(yè)技術，2021，20（1）：8-12.

[5] 周曉敏，孫政.將ANSYS引入材料力學課堂的教學實踐[J].力學與實踐，2019，41（2）：222-226.

[6] 常利武，杜亞志.“以賽促教”模式在工程力學課程教學中的應用[J].力學與實踐，2020，42（4）：495-498.

基金項目：西安工業(yè)大學教學改革研究重點項目“工程教育認證下基于OBE的力學類課程教學改革研究與實踐——以土木、機械類一流專業(yè)為例”（22JGZ06）；西安工業(yè)大學思想政治教育研究會重點課題“工程教育認證下人民兵工精神融入基礎力學課程思政研究”（XGSZ2023005）；西安工業(yè)大學教學改革研究一般項目“案例導向型教學模式在《工程力學》中的探索與實踐”（２２ＪＧＹ３２）

第一作者簡介：李志軍（1975-），男，漢族，山西萬榮人，工學博士，教授，碩士研究生導師，系主任。研究方向為結構振動控制及健康監(jiān)測。