王達詮，陳朝暉

(重慶大學 土木工程學院，重慶 400045)

一、工程教育認證對結構力學課程教學的新要求

(一)工程教育認證情況簡介

2016年中國加入《華盛頓協(xié)議》，成為正式締約成員，標志著中國工程教育認證的標準、政策和程序同國際接軌，即通過中國工程教育認證的工程類專業(yè)將被其他締約國認可，其畢業(yè)生的學術能力、工程實踐能力亦被全體締約國承認。截至2018年，教育部高等教育教學評估中心和中國工程教育專業(yè)認證協(xié)會共認證了全國800余個工科專業(yè)[1]。

《工程教育認證通用標準解讀及使用指南》[2]從學生、培養(yǎng)目標、課程體系等七個方面對標準進行了闡述，確立了工程教育認證以學生為中心的基本宗旨，以成果為導向的核心要求，以持續(xù)改進為要點的工作機制[3]。該標準通過明確的條款和考核指標對新時代中國工程教育發(fā)展的方向進行了路線規(guī)劃。工程教育認證與“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”“新工科”建設等宏觀高等工程教育教學改革項目形成相互交融、相互促進的良性關系[4]。

(二)結構力學課程在土木工程專業(yè)課程體系中的地位及課程特點

結構力學課程是土木工程專業(yè)課程體系中最重要的課程之一，與理論力學、材料力學并稱該專業(yè)的三大力學課程，是專業(yè)學生必修的專業(yè)基礎課，是學生學術能力的“基建課”，在專業(yè)課程體系中起著聯(lián)系高等數(shù)學、線性代數(shù)等先修基礎課，以及聯(lián)系混凝土結構設計原理、鋼結構設計原理、結構抗震等后續(xù)專業(yè)課的橋梁和紐帶作用。

結構力學課程特點之一是該課程為力學理論課，主要任務是在理論力學和材料力學課程分別對剛體體系機械運動規(guī)律和單根桿件受力變形特性進行研究之后，進一步引導學生深入剖析由多桿件構成的結構體系在受力、變形上的特點等力學問題。該課程要求學生應掌握基本力學概念、原理和方法，這也從一個側面體現(xiàn)了該課程是數(shù)學及力學分析方法在土木工程中的應用延續(xù)這一重要理念。結構力學課程特點之二是緊貼工程實際。該課程所涉及的梁、剛架、拱、桁架、組合結構等是工程中大量采用的結構形成。綜上，結構力學課程既是理論的延續(xù)，又與工程緊密結合。

此外，結構力學課程在內(nèi)容設置上，具有理工科課程的普遍特點，即層層遞進、逐步深入。學生如果在前期學習中有疑惑沒有得到及時解決，將影響后續(xù)的學習。

(三)對標工程教育認證結構力學課程教學需解決的主要問題

工程教育認證根據(jù)成果導向理念所提出的畢業(yè)要求，是指學生通過高等工程教育后，除了能夠滿足社會對其技術性能力(如專業(yè)知識、分析設計等)的要求外，還應具備相當?shù)姆羌夹g性能力，如工程與社會的協(xié)調(diào)、職業(yè)規(guī)范的執(zhí)行、個人和團隊的溝通等能力[3]。工程教育認證標準是以學生全方位個人素質培養(yǎng)為基本出發(fā)點，圍繞學生能力提升和終生發(fā)展，結合社會對工程人才的實際需求而制定的一套人才培養(yǎng)標準。

圍繞學生能力和素質的培養(yǎng)這一中心，高?？蛇M行課程體系的逆向設計和改革。逆向設計流程可簡述為：畢業(yè)要求→培養(yǎng)目標→課程教學目標→知識點目標→教學方式、考核辦法、評價方案等(箭頭代表決定)。該流程的反向過程則代表逐級支撐，以最終達成畢業(yè)要求。

重慶大學土木工程學院結構力學課程組基于逆向設計思路，結合結構力學課程特點，梳理了該課程對標工程教育認證需解決的四個主要問題：教學目標應對標工程教育認證中哪些具體的畢業(yè)要求？如何在教學中體現(xiàn)對學生技術能力和非技術能力的培養(yǎng)要求？怎樣圍繞學生學習的認知規(guī)律進行合理的教學設計？怎樣持續(xù)改進和優(yōu)化教學，使之更符合工程教育認證要求？

以下對教學設計的闡述將圍繞解決這些問題的可行辦法展開。

二、結構力學課程混合式教學模式設計

(一)選擇混合式教學模式的原因

混合式教學模式主要是指將線上的MOOC或SPOC同課堂教學相結合的一種教學模式，強調(diào)學生在學習中的主體地位的同時，重視教師在教學中的主導作用。通過對教學環(huán)節(jié)中時間、技術、資源、環(huán)境和活動的合理組織，取得最優(yōu)的教學效果[5]。只要是能夠促進學生進行有意義學習的各種教學方法和手段，均可在混合式教學中進行適當?shù)膽?。混合式教學模式可以采取翻轉課堂、問題導向式教學、任務導向式教學、探究式教學等形式多樣的教學方法，提升學生與教師、助教以及學生彼此間的交互水平，從而使學習者在多方交流和多渠道刺激的環(huán)境里，將教學內(nèi)容中的信息同其腦海里的已有知識體系建立更為牢固的聯(lián)系，完成以新知識內(nèi)化為目標的有意義學習，并最終實現(xiàn)教學目標。

在具體實施中，混合式教學模式強調(diào)學生作為教學主體的地位，教學設計圍繞學生來進行，并盡可能多地讓學生之間相互協(xié)作，以期發(fā)揮同伴互助學習在促進知識掌握過程中事半功倍的作用。教師在教學過程中的角色為幫助學生解決問題和避免錯誤的引導者；而學生則成為問題解決方案的探索者，以及知識、經(jīng)驗的主動積累者。這樣的學習更接近發(fā)現(xiàn)式學習，其特點是學習者被置于超乎其知識能力水平的困難中，但又必須解決此困難，于是學習者需要動用其已有知識儲備對困難進行研判，將難題進行抽象和解構，分解為可被學習者現(xiàn)有知識解決的諸多小問題。但在此過程中可能因為抽象和解構得不合理，而導致困難解決失敗，所以這一過程是反復的，容許試錯的。學習者在試錯過程中不斷積累經(jīng)驗和吸取教訓，最終找到正確的解決辦法。在反復的過程中，學習者將探索中得到的新知識逐漸內(nèi)化，納入其已有的知識體系，最終完成對新知識的掌握。這一過程更貼近人類認知活動的基本規(guī)律。著名哲學家、教育學家，建構主義知識論的主要奠基者杜威提出揭示科學、發(fā)現(xiàn)邏輯和認知活動的“思維五步法”，即思維起于“疑難境地、問題識別、大膽假設、嚴謹推理、細心求證”[6]。

綜上可見，混合式教學模式在認知規(guī)律、個性化教學、交互水平、教學方法選擇的靈活性等方面，都與工程教育認證的要求相契合。

(二)教學目標所對應的畢業(yè)要求

根據(jù)前述結構力學課程特點，以及該課程在培養(yǎng)方案中的重要地位，課程組將畢業(yè)要求中有關數(shù)學和力學理論基礎，并帶有一定工程實踐性質的條款，確定為主要對標目標。

結構力學課程內(nèi)容通常分為基礎部分和專題部分。簡要來說，基礎部分課程目標包括：

(1)學生能根據(jù)實際工程較準確地確定結構的計算簡圖；學生能夠準確分析和判定平面桿件體系的幾何組成性質。

(2)學生能夠準確計算不同類型結構的內(nèi)力，確定結構中內(nèi)力的分布和傳遞規(guī)律。

(3)學生能夠準確計算結構中給定截面的位移，理解結構剛度同變形和位移間的關系。

(4)學生能夠使用靜力法或機動法準確繪出靜定結構的影響線，并利用影響線確定最不利荷載位置和包絡圖的大致形狀。

(5)學生具有對不同類型結構進行比較分析及綜合應用的能力，例如合理選擇力法、位移法、力矩分配法等超靜定解法快速解出不同種類的超靜定結構內(nèi)力。

專題部分的課程目標包括：

(1)學生具備分析單自由度和簡單多自由度動力體系自由振動和強迫振動時內(nèi)力與變形特征的能力。

(2)學生能夠對簡單的壓桿屈曲失穩(wěn)問題進行分析。

(3)學生能夠應用矩陣數(shù)學知識和位移法知識理解矩陣位移法，并用矩陣位移法計算結構內(nèi)力(重慶大學土木工程學院將矩陣位移法納入結構分析中的有限元法課程)。

(4)學生具有不同方法的比較分析及綜合應用能力，例如對給定動力體系優(yōu)選剛度法或柔度法進行分析。

專題部分的學習需要在基礎部分完成之后，因為專題部分的學習需要以基2和基3(代表基礎部分課程目標2和3，下同)兩個目標的達成為前提。

根據(jù)以上分析，課程組將結構力學課程目標同畢業(yè)要求進行對標，具體情況見表1和表2。

表1 結構力學基礎部分課程目標與畢業(yè)要求的對標情況

注：H代表課程目標對指標點形成強支撐；M代表形成中等支撐

注：H代表課程目標對指標點形成強支撐；M代表形成中等支撐

(三)通過混合式教學模式提升學生的技術能力和非技術能力

在結構力學課程教學中，各參與方的主要精力都投入到學生技術能力的提升上，這是由該課程為力學理論課的性質決定的。結構力學課程傳統(tǒng)課堂講授的主要任務是完成各種概念、原理和方法的闡釋，而這仍然是結構力學課程混合式教學的主要內(nèi)容。隨著在線教學的引入，學生可以更加自主地進行學習。但是值得明確的是傳統(tǒng)課堂講授式教學及其所對應的接受式學習具有標準的流程和規(guī)范的可操作性，講授式教學內(nèi)容精練、條理清晰、邏輯嚴密、示范性強，其教學效率很高，在一對多的教學環(huán)境中，在課時壓縮與課程內(nèi)容不減少的現(xiàn)實矛盾下，講授式教學仍有其存在價值。為此，課程組在學生技術能力的培養(yǎng)上，采取以講授式教學為主、輔以學生自主在線學習的混合式教學模式。在線學習時，學生可以通過面對面交流、在線及時交流和討論區(qū)交流等多種方式，與教師、助教和其他同學溝通，以彌補單一講授式教學在互動上的不足。對技術能力目標達成度的考核，采取線下和線上的混合模式。線下測試包括競賽(或期中考試)和期末考試，而線上測試則包括隨教學進度安排的5次階段測試和1次期末測試。

對非技術能力的培養(yǎng)，課程組主要采取任務導向式教學方法，讓學生在小組協(xié)作中達到技術能力培養(yǎng)要求的同時，得到非技術能力的訓練。其具體流程分為課前、課中和課后三個階段，課前：學生按照任務書要求，通過小組協(xié)作完成教師指定的任務，并準備任務課上的總結發(fā)言；課中：各小組展示結果，并對教師和其他小組的質疑進行答辯，或組織討論；課后：教師和助教根據(jù)學生表現(xiàn)情況，按照任務書所述評分標準，對學生表現(xiàn)進行打分，同時總結該次任務開展情況，并提供參考答案。2016年3月以來課程組對重慶大學土木工程學院數(shù)屆本科生混合式教學試點班進行多次問卷調(diào)查，學生們普遍反映小組任務能夠有效提升團隊協(xié)作、與人溝通、口頭表達、資料收集與采信摒棄等非技術能力。表3摘錄了2014級卓越工程師班問卷調(diào)查的部分典型問題。

表3 2014級卓越工程師班問卷調(diào)查典型問題摘錄

(四)混合式教學單元的設計

設計結構力學課程混合式教學單元之前，課程組按照布魯姆認知領域六層次學習目標，對結構力學課程全部知識點進行了梳理，發(fā)現(xiàn)多數(shù)單一知識點的教學目標基本對應的是中低級認知，即記憶、理解和應用。而對應分析、評價和創(chuàng)造這三類中高級認知的教學目標(如前述基5和專4)，則往往需要學生在具備一定中低級認知的前提下，綜合應用多個知識點來訓練達成。

為此，課程組將典型的結構力學課程混合式教學單元的設計理念確定為“筑牢基礎，兼顧上層”。所謂“筑牢基礎”，是指通過課堂上的講授式教學和線上同進度的自學，強化學生在概念識記、原理剖析、方法應用、計算準確等技術能力培養(yǎng)層面的訓練，鞏固其中低級認知基礎；而“兼顧上層”則是指采用任務導向式教學，達成中高級認知教學目標，即按“思維五步法”遵從的認知規(guī)律，設置層層遞進的任務問題，引導學生完成從復雜工程問題中提煉的任務。

表1和表2所示的畢業(yè)要求及其指標點中反復提到的“復雜工程問題”，《華盛頓協(xié)議》定義為非常規(guī)的、無法用既有技術方案解決的、需要從基本工程原理出發(fā)進行分析的工程問題，同時這樣的問題還常常是跨學科，甚至與技術范疇之外的多因素相關的?！皬碗s工程問題”的內(nèi)涵廣于“復雜技術問題”，前者不僅僅具有工程系統(tǒng)自身在其生命周期中所產(chǎn)出的技術上的“復雜”性，更包含與之相關的社會、經(jīng)濟、人文、藝術等多方面的需求和矛盾[7]?，F(xiàn)代社會實際工程的復雜問題越來越多，可以說工程教育認證也正是基于社會對解決復雜工程問題的人才需求，逆向設計了諸多與之相應的畢業(yè)要求。

對標這一畢業(yè)要求，課程組在MOOC資源建設以及混合式教學任務設計時，盡可能地引入實際工程案例。例如，在MOOC建設時，課程組邀請兩位院士和兩位專家錄制講座，對他們專精的鋼結構穩(wěn)定、結構抗震、地基基礎工程、結構風工程等四個領域，介紹結構力學在工程建設中發(fā)揮的作用。下面以教學單元“靜定拱的分析”為例，具體說明一個混合式教學單元的設計。

第一步，明確前置知識。課程組將第一章緒論中結構計算簡圖的抽取、第二章幾何組成分析，以及第三章計算簡支斜梁的相當梁法和三鉸剛架的解法，作為學生完成各章線上自學的前置知識點，在任務書中要求學生預先復習。前置知識的學習主要采用傳統(tǒng)課堂教學與線上自學，并輔以線上測試的方式進行。

第二步，規(guī)劃任務。該教學單元劃分兩個子任務。子任務一：學生根據(jù)教材、MOOC資源，完成對第四章的自學，預備討論課教師對每個學生的小測提問。這一環(huán)節(jié)類似翻轉課堂，其中小測問題包括對學生跨章節(jié)知識點應用(如相當梁法)的測試。子任務二：要求學生根據(jù)任務書所給的中國古代聯(lián)拱橋實例，尋求三個遞進難題的解答，問題分別是：

(1)為何中國北方多厚墩橋而南方多薄墩橋？兩者的計算簡圖如何？

(2)為何中國古代聯(lián)拱橋多數(shù)為奇數(shù)孔橋(以盧溝橋、放生橋為例引入，并提示學生從幾何組成規(guī)律等方面解釋原因)？

(3)桂林花橋是現(xiàn)存罕見的偶數(shù)跨薄墩聯(lián)拱橋之一，試從計算簡圖和幾何組成規(guī)律等角度解釋其能穩(wěn)定存在數(shù)百年的原因。

第三步，發(fā)布任務。在討論課前一周向學生發(fā)布上述兩個子任務，任務一要求以學生獨立自學為主，但亦鼓勵與他人溝通交流。任務二則為小組協(xié)作完成。小組成員嚴格按照教師公布的組內(nèi)崗位職責，履行各自職責并接受其他組員監(jiān)督。學生小組內(nèi)設置組長、記錄員、統(tǒng)計員、監(jiān)督員、發(fā)言人五個崗位，前三者為固定崗位，后兩者隨教學單元不同由教師隨機指定。

第四步，組織討論課。討論課上先完成子任務一的小測，以了解學生的自學情況。然后進行子任務二的難題解答討論，先由各小組發(fā)言人進行三個難題解答的匯報發(fā)言。之后各小組之間相互質證，并對其他小組進行評分。教師對發(fā)言和質證環(huán)節(jié)進行簡評，如還有較充足的時間，可再提出諸如“分析三跨薄墩聯(lián)拱橋簡圖成為幾何可變的幾何尺寸關系”等引申問題引導學生思考討論。

第五步，進行評價。對子任務一，教師直接按小測情況評分。對子任務二，教師和助教根據(jù)小組間的互評成績和教師對小組的評分，求得小組得分，再加上每位學生在組內(nèi)的貢獻成績(由組長、監(jiān)督員打分，教師和助教則根據(jù)記錄員上交的、在小組內(nèi)公示通過的任務記錄報告，對打分進行核實)得到每位學生子任務二的成績。最后教師公布學生此次任務的綜合成績(兩個子任務成績之和)和參考答案。

在對學生實施上述混合式教學后，課程組驚喜地發(fā)現(xiàn)，在教師的引導下，學生小組不單能靈活應用諸如虛鉸變換為實鉸、剛片等效代換為鏈桿、零載法等多種方法，分析有一定難度的超三跨聯(lián)拱橋的幾何組成性質，還在回答“為何中國古代聯(lián)拱橋多數(shù)為奇數(shù)孔橋？”這一問題時，從結構力學、水力學、氣候學、航運學，甚至風水學等多角度給出了合理的解釋。這充分說明混合式教學單元的設計兼顧了新舊知識點的綜合應用，而且對訓練學生解決復雜工程問題的能力具有積極的作用。

有關課程組在實施混合式教學過程中所參照的建構主義認知發(fā)展心理學原理、混合式教學方案設計法、教學效果分析等更詳細的內(nèi)容，請參閱文獻[8]，這里不再贅述。

(五)混合式教學模式的持續(xù)改進和優(yōu)化

如前所述，課程組在對標畢業(yè)要求時，選擇混合式教學作為主要教學模式，這必然涉及由前期教學效果反饋帶來的后續(xù)優(yōu)化。對混合式教學模式的優(yōu)化，借鑒Laurillard在文獻[9]中提出的對話框架(Conversational Framework)來實施，其基本模型如圖1所示。

其中，(1)代表教師向學生講解知識；(2,1)代表學生將自己的問題或觀點向教師提出，教師適時反饋，從而幫助學生調(diào)整和修正對知識的理解；(3)代表教師進行示范，為學生創(chuàng)造開展實踐的機會和環(huán)境，或引導學生開展實踐；(4,3)代表學生開展實踐，引發(fā)來自教師或者教師創(chuàng)建的學習環(huán)境的直接反饋，從而使學生調(diào)整自身的行動；(5,6)代表學生向同伴表達自己的觀點，并從同伴處獲得反饋，進而調(diào)整和修正自己的認識；(6)代表學生獲取同伴所掌握的知識，從而調(diào)整自身所掌握的知識；(7)代表學生和同伴分享實踐產(chǎn)出；(8)代表學生通過觀察、借鑒同伴的行動，學習同伴的方法，調(diào)整自身行動。

該對話框架用四類循環(huán)歸納了學生在混合式教學中習得、探究、實踐(或練習)、制作、討論、合作等六類常見的學習活動。同時該對話框架也可輔助教師了解自己所設計的混合式教學方案采用的循環(huán)是否恰當；或者通過對某些循環(huán)的重復和迭代來加強特定教學環(huán)節(jié)，以達到更佳的教學效果。需要說明的是，在一個教學單元中并非一定要包含對話框架基本模型中的所有循環(huán)，而且這些循環(huán)也沒有固定的次序。如何使用這一框架，完全取決于達成課程目標需要學生開展哪些學習活動。

例如，課程組在初次實施“力法的基本原理”這一單元的翻轉式教學時發(fā)現(xiàn)，如果將新知識的自學任務完全交由學生自學，再讓他們在討論課時講解自學內(nèi)容，會出現(xiàn)術語失范、邏輯混亂等問題。課程組與學生交流后發(fā)現(xiàn)，學生并非不能理解知識點原理，而是作為初學者要準確地口頭重述還存在困難。為此，課程組在學生自學前增加(3)教師示范環(huán)節(jié)，由教師示范講解應重點把握哪些概念和關鍵點，以及如何理順因果關系。

(六)混合式教學與傳統(tǒng)教學的效果比對

對混合式教學試點班學生的成績評價，仍然遵從前述教學設計，即綜合成績中體現(xiàn)基本技術能力培養(yǎng)的考核環(huán)節(jié)占比為80%，而體現(xiàn)中高階認知能力培養(yǎng)和非技術能力訓練的環(huán)節(jié)占比為20%。具體來說，與傳統(tǒng)講授式教學班相比，試點班和傳統(tǒng)班期末筆試考試成績均占60%，平時作業(yè)考核亦占10%，試點班只將傳統(tǒng)班期中測試成績所占的20%調(diào)整為任務環(huán)節(jié)成績的占比，將傳統(tǒng)班考勤所占的10%調(diào)整為線上學習和測試成績的占比。

在對數(shù)屆試點班和傳統(tǒng)班的對比中發(fā)現(xiàn)，采用混合式教學能夠有效提升成績中等及其偏上學生的綜合成績，但對前置課程學習困難的學生來說效果仍有限。圖2是2014級卓越工程師試點班和2013級傳統(tǒng)教學002班綜合成績的比對，可見前者成績在80～100分段的人數(shù)占比相對于后者顯著提高。

三、結語

工程教育認證是中國工程教育全面同國際接軌、實現(xiàn)國際領先的基本要求，對新時代工程教育的發(fā)展方向有指導和規(guī)劃作用。工程教育認證所倡導的“學生中心、成果導向、持續(xù)改進”等理念，應切實貫徹到現(xiàn)代工程教育實踐中。

混合式教學模式在認知規(guī)律、個性化教學、交互水平、教學方法選擇的靈活性等方面，都與工程教育認證所倡導的教學理念相契合，因此在對標畢業(yè)要求的教學改革中，應采用混合式教學模式來完成課程目標。

結構力學課程兼有理論和工程屬性，且以前者為重。根據(jù)該課程特點，在混合式教學中，選用講授式教學為主、輔以在線自學的方式，以加深學生對基本概念、原理和方法的記憶和理解，加強學生中低級認知，提高學生的技術能力。此外，應通過任務導向式教學，從實際工程中提煉任務來訓練學生的分析、評價等中高階認知能力，提高對標畢業(yè)要求中學生應具備的解決復雜工程問題的能力。在進一步強化學生技術能力的同時，促進其非技術能力的提升。在教學方式的改進和優(yōu)化上，選用Laurillard對話框架來檢測混合式教學設計是否合理，并根據(jù)教學單元目標合理選用其部分或全部的循環(huán)。

重慶大學結構力學課程對標工程教育認證的教學改革，2016年至今一直在實踐中探索，雖然積累了一些經(jīng)驗，未來仍需要不斷開拓創(chuàng)新。