許月梅

(北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京102607)

2017 年教育部高等教育司發(fā)布“關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知”[1]以來，新工科建設(shè)成為了我國新時(shí)期高等工程教育改革的指導(dǎo)方針。新工科旨在培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、跨界整合能力、高素質(zhì)交叉復(fù)合型卓越工程科技人才[2]。新工科的人才培養(yǎng)目標(biāo)要求重構(gòu)工科人才的培養(yǎng)模式。工程力學(xué)是與航空航天、機(jī)械、化工、建筑和國防等諸多行業(yè)相關(guān)的基礎(chǔ)學(xué)科，是理論與工程連接的橋梁，也是一門工程應(yīng)用學(xué)科[3]。新工科背景下，要求工程力學(xué)結(jié)合新工科的建設(shè)理念，構(gòu)建適合工程教育的“以學(xué)生為中心”的教學(xué)模式，建設(shè)與之相配套的教學(xué)資源。

1 新工科背景下工程力學(xué)的教學(xué)模式及其理論基礎(chǔ)

混合式教學(xué)是指在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，通過應(yīng)用適當(dāng)?shù)拿襟w技術(shù)，提供與適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)環(huán)境相契合的資源和活動，讓適當(dāng)?shù)膶W(xué)生形成適當(dāng)?shù)哪芰Γ瑥亩〉米顑?yōu)化教學(xué)效果的教學(xué)方式[4]。目前比較通行的做法是線上教學(xué)與線下教學(xué)有機(jī)結(jié)合。

混合式教學(xué)的理論基礎(chǔ)很多，本文主要采用首要教學(xué)原理理論和深度學(xué)習(xí)理論。Merrill[5]提出了以問題為中心的“首要教學(xué)原理”，該理論不僅強(qiáng)調(diào)教學(xué)設(shè)計(jì)要讓學(xué)生介入實(shí)際問題，而且要求教師轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，從知識的傳遞者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生學(xué)習(xí)過程中的指導(dǎo)者、協(xié)助者、促進(jìn)者。深度學(xué)習(xí)理論旨在培養(yǎng)高階思維，實(shí)現(xiàn)高效學(xué)習(xí)。該理論認(rèn)為學(xué)習(xí)的核心目標(biāo)是培養(yǎng)高階思維，即批判性思維、反思性思維、創(chuàng)新性思維等[6]。高階思維能力是當(dāng)代社會人才需求的一個(gè)重要導(dǎo)向，也是學(xué)生在新工科時(shí)代所必需的技能。如何培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力，已成為當(dāng)代社會關(guān)注的核心問題。

混合式教學(xué)是“以學(xué)生為中心”的教學(xué)模式，學(xué)生課前通過線上自主學(xué)習(xí)，使淺層的知識學(xué)習(xí)發(fā)生在課前。課中和課后的項(xiàng)目學(xué)習(xí)、探究性學(xué)習(xí)及作業(yè)等活動是在教師指導(dǎo)和幫助下使知識內(nèi)化，通過對信息和經(jīng)驗(yàn)的深度挖掘和加工，實(shí)現(xiàn)知識的轉(zhuǎn)化與遷移，提升獨(dú)立思考和判斷的總體能力，提高解決問題的能力，并最終促進(jìn)學(xué)習(xí)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)與高階思維能力的發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。新工科的培養(yǎng)目標(biāo)是在人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的興起背景下，培養(yǎng)具有創(chuàng)新型、應(yīng)用型、復(fù)合型的優(yōu)秀人才。因此，新工科背景下混合式教學(xué)模式成為高校教學(xué)改革的重要趨勢。

2 新工科背景下工程力學(xué)混合式教學(xué)云教材的建設(shè)

教學(xué)資源是混合式教學(xué)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要保證。在本研究中，我們制作的工程力學(xué)云教材貫徹以成果為導(dǎo)向的工程教育理念，課程設(shè)計(jì)從培養(yǎng)目標(biāo)反向確定教學(xué)的適切性[7]，根據(jù)畢業(yè)要求確定學(xué)習(xí)目標(biāo)，然后圍繞學(xué)習(xí)目標(biāo)對工程力學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新構(gòu)建，結(jié)合混合式教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)、組織形式、分配時(shí)間，及各環(huán)節(jié)之間的有機(jī)銜接，編制了工程力學(xué)云教材。云教材集視頻、語音、圖片和文字于一體，內(nèi)容呈現(xiàn)形式立體化，針對重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容，采用教學(xué)短視頻的形式呈現(xiàn)，每段視頻時(shí)長不超過10分鐘，由本文作者主講，供學(xué)生課前在線學(xué)習(xí)。

2.1 工程力學(xué)云教材的內(nèi)容

根據(jù)以成果為導(dǎo)向的教學(xué)理念，教學(xué)內(nèi)容不是教師想要教的內(nèi)容，而是畢業(yè)要求的內(nèi)容，同時(shí)還要提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣和能力。我們制作的工程力學(xué)云教材摒棄陳舊的教學(xué)內(nèi)容，增加與專業(yè)相關(guān)的能夠激發(fā)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)興趣的內(nèi)容。針對非機(jī)械類工科專業(yè)，在結(jié)構(gòu)上以桿件各種變形為主線編寫教材，主要介紹工程力學(xué)基礎(chǔ)理論及其工程應(yīng)用。我們按照行業(yè)和產(chǎn)業(yè)需求，將每一個(gè)引入教學(xué)的例題和案例，不論選材、選型、載荷及分析方法都要和現(xiàn)代工程相聯(lián)系。全套教材分兩篇，共計(jì)11章44節(jié)。第一篇為靜力學(xué)，包括靜力學(xué)的基本概念、物體的受力分析、平面力系、空間力系和摩擦；第二篇為材料力學(xué)，包括材料力學(xué)的基本概念、軸向拉壓、扭轉(zhuǎn)、平面彎曲、組合變形(包含應(yīng)力狀態(tài)分析)、連接件的強(qiáng)度和壓桿穩(wěn)定。

2.2 工程力學(xué)云教材的結(jié)構(gòu)和特色

教材每一節(jié)的邏輯結(jié)構(gòu)大體上是: 學(xué)習(xí)目標(biāo)→工程導(dǎo)入→理論知識→例題→工程應(yīng)用→小結(jié)→交互練習(xí)。這里以其中的一節(jié)為例來說明：(1)首先讓學(xué)生知曉學(xué)習(xí)目標(biāo)，用音頻和文字雙重加強(qiáng)。知識目標(biāo)用了解、理解和掌握來表述，能力目標(biāo)用應(yīng)用、分析、研究和設(shè)計(jì)等來表述；(2)工程導(dǎo)入部分以工程問題引出內(nèi)容，引用大量的工程圖片(以畫廊的方式呈現(xiàn))和視頻等，加強(qiáng)學(xué)生對本課程與工程關(guān)系的認(rèn)識，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；(3)理論知識部分以介紹和推導(dǎo)的方式進(jìn)行，對于建立學(xué)生邏輯思維的重要理論知識推導(dǎo)部分，以教學(xué)視頻(微課)的形式呈現(xiàn)，一方面加強(qiáng)學(xué)生的理解，另一方面便于學(xué)生反復(fù)收看，提高自學(xué)能力，為混合式教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂提供基礎(chǔ)資源；(4)例題以教學(xué)視頻的方式呈現(xiàn)，重在引導(dǎo)學(xué)生分析和確定解題思路；(5)工程應(yīng)用列舉一些在工程上直接應(yīng)用的實(shí)例，加強(qiáng)理論與工程的連接；(6)小結(jié)以視頻呈現(xiàn)，對本部分內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)；(7)交互練習(xí)是最后環(huán)節(jié)，圍繞學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)計(jì)，學(xué)生作答完成后可以看到參考答案。學(xué)生可以針對沒有掌握的知識點(diǎn)進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，直到達(dá)成本節(jié)的學(xué)習(xí)目標(biāo)為止。

云教材可以導(dǎo)入云班課中使用。在班課中，教師可以查看學(xué)生的學(xué)習(xí)報(bào)告，及時(shí)掌握學(xué)生學(xué)習(xí)云教材的各種數(shù)據(jù)：學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)時(shí)長、閱讀時(shí)長、視頻學(xué)習(xí)時(shí)長、交互練習(xí)的次數(shù)和正確率，便于教師過程管理。因此，我們制作的云教材具備如下特色：(1)集視頻、語音、圖片和文字于一體，呈立體化；(2)兼?zhèn)銹C 端和移動端的學(xué)習(xí)功能；(3) 可導(dǎo)入云班課中作為教學(xué)資源；(4) 可以作為工程力學(xué)課程的慕課教材；(5) 適合自學(xué)，可以服務(wù)各種類型學(xué)習(xí)者。

3 實(shí)踐應(yīng)用和效果

我們制作的云教材已經(jīng)出版，并在2019年秋季學(xué)期在能動18 級工程力學(xué)課程中進(jìn)行了混合式教學(xué)改革試點(diǎn)。我們把“工程力學(xué)云教材”導(dǎo)入云班課中作為教學(xué)資源，采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，讓學(xué)生有組織地進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，面授課堂則以討論、分析、答疑、互動為主。

云教材的使用效果如何呢？我們對學(xué)習(xí)該課程的58名學(xué)生在云班課上進(jìn)行了匿名問卷調(diào)查，調(diào)查結(jié)果如表1所示。通過表1可以看出，學(xué)生對云教材的認(rèn)可度高，云教材對于其明確學(xué)習(xí)目標(biāo)、認(rèn)識課程與工程的關(guān)系、加深對教學(xué)內(nèi)容的理解、提高自主學(xué)習(xí)能力都起到了積極作用。

采用云教材和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式后，學(xué)生對于教學(xué)活動的參與度如何呢？根據(jù)本課程在云班課上記錄的數(shù)據(jù)顯示(見表2)，除了頭腦風(fēng)暴活動外，學(xué)生的參與度都超過90%。頭腦風(fēng)暴活動的目的是激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思想，學(xué)生參與度是70%，作為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的活動，這也是參與度較高的結(jié)果。由表2 可以看出，學(xué)生出勤率非常高，課堂表現(xiàn)積極活躍，改變了過去逃課、課堂上玩手機(jī)、睡覺的現(xiàn)象。大多數(shù)學(xué)生能夠按時(shí)完成云教材學(xué)習(xí)、課堂測驗(yàn)及課后作業(yè)任務(wù)，改變了先前“愛拖延”的毛病。很顯然，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣明顯增強(qiáng)。

表1 云教材使用效果問卷調(diào)查結(jié)果

表2 學(xué)生教學(xué)活動參與度

4 結(jié)語

工程力學(xué)云教材是新工科時(shí)代的產(chǎn)物，是與現(xiàn)代以成果為導(dǎo)向的教學(xué)理念相結(jié)合、與混合式教學(xué)模式相契合的“新”教材，初步實(shí)踐表明深受學(xué)生的歡迎。但是，我們需要持續(xù)試點(diǎn)探索，在更大范圍從多個(gè)維度研究觀察其使用效果，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，不斷加以完善，助力新工科建設(shè)。