基于互聯(lián)網(wǎng)+的材料力學(xué)課程建設(shè)

劉軍 李英梅 戰(zhàn)宇

摘 要：材料力學(xué)教學(xué)在高等學(xué)校理工科學(xué)生培養(yǎng)中占有具有重要的地位，在新工科建設(shè)和公共基礎(chǔ)課課程學(xué)時(shí)不斷縮減的大形勢(shì)下，以學(xué)生為中心，以學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目的的教學(xué)改革勢(shì)在必行。文章首先總結(jié)了材料力學(xué)利用互聯(lián)網(wǎng)資源進(jìn)行線上線下的混合教學(xué)改革的經(jīng)驗(yàn)，其次提出了材料力學(xué)混合教學(xué)這種新的教學(xué)模式中存在的問題并對(duì)問題進(jìn)行了分析，總結(jié)了混合教學(xué)過程中學(xué)生的反饋意見，分析了教學(xué)效果，最后就力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的建設(shè)和改革提出了一些建議。

關(guān)鍵詞：新工科；MOOCs；翻轉(zhuǎn)課堂；力學(xué)實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2018）20-0108-03

Abstract： The teaching of material mechanics plays an important role in the cultivation of science and engineering students in colleges and universities. Under the situation of the construction of new engineering and the continuous reduction of teaching hours of public basic courses， it is imperative to take the students as the center and to cultivate the students' innovative ability. This article first summarizes the experience of material mechanics using Internet resources to carry out online and offline mixed teaching reform. Secondly， it puts forward the problems in the new teaching mode and analyzes the problems of the mixed teaching of material mechanics， summarizes the opinions on mixed teaching of students and analyses the teaching effect. In the end some suggestions on the construction and reform of the material mechanics experiments were put forward.

Keywords： new engineering； MOOCs； flipping classroom； mechanical experiments

引言

2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)。分別于2017年2月18日和2017年4月8日在復(fù)旦大學(xué)和天津大學(xué)召開了“高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)”和“新工科建設(shè)研討會(huì)”，發(fā)布了“教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知”[1]，形成了“復(fù)旦共識(shí)”[2]和“天大行動(dòng)”，指出了新工科建設(shè)的新思路?！疤齑笮袆?dòng)”明確指出“培養(yǎng)造就一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，為我國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)提供智力和人才支撐，既是當(dāng)務(wù)之急，也是長(zhǎng)遠(yuǎn)之策”[3]。在新工科建設(shè)的大背景下，一種新興的教育方式也在悄然興起，即大規(guī)模開放在線課程MOOCs。MOOCs作為一種免費(fèi)的教育資源已經(jīng)吸引了大量的學(xué)習(xí)者[4]，并對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式形成了沖擊[5]。國(guó)內(nèi)的MOOCs平臺(tái)包括清華大學(xué)的學(xué)堂在線、愛課程網(wǎng)的中國(guó)大學(xué)MOOCs、智慧樹等等。目前已經(jīng)有多所高校的材料力學(xué)課程在愛課程上上線，分別為西南交通大學(xué)、大連理工大學(xué)、哈爾濱科技大學(xué)、東北大學(xué)和河南工業(yè)大學(xué)等，選課總?cè)藬?shù)達(dá)5萬多人。材料力學(xué)作為一門公共基礎(chǔ)課，對(duì)學(xué)生工程師素質(zhì)的培養(yǎng)起重要作用，如何在互聯(lián)網(wǎng)條件，利用MOOCs資源，適應(yīng)新學(xué)科建設(shè)對(duì)材料力學(xué)知識(shí)的需求，培養(yǎng)學(xué)生能力是新工科背景下材料力學(xué)課程建設(shè)重點(diǎn)。介紹了東北大學(xué)材料力學(xué)的慕課建設(shè)和混合教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了慕課建設(shè)、混合教學(xué)的教學(xué)中的問題，對(duì)如何加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)對(duì)材料力學(xué)課程體系的影響提出了幾點(diǎn)思考建議。

一、東北大學(xué)的材料力學(xué)慕課建設(shè)

2016年?yáng)|北大學(xué)材料力學(xué)啟動(dòng)MOOCs課程建設(shè)項(xiàng)目，在此同時(shí)東北大學(xué)的材料力學(xué)的理論教學(xué)課程也由80學(xué)時(shí)縮減為56學(xué)時(shí)，課時(shí)的削減也迫使材料力學(xué)課程內(nèi)容進(jìn)行大規(guī)模調(diào)整。課程團(tuán)隊(duì)通過調(diào)研和分析，首先確定了以劉鴻文教授的《材料力學(xué)》為基礎(chǔ)的56學(xué)時(shí)課程體系，內(nèi)容包括緒論、軸向拉壓、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲內(nèi)力、彎曲應(yīng)力、彎曲變形、應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)度理論、組合變形、壓桿穩(wěn)定、附錄、動(dòng)載荷和能量法。然后本著知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容獨(dú)立，每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)時(shí)間不超過15分鐘的原則，最后將教學(xué)內(nèi)容拆分為82個(gè)知識(shí)點(diǎn)。確定了知識(shí)點(diǎn)后，考慮到一些社會(huì)學(xué)員不能到高校的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)，而實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)對(duì)于課程的學(xué)習(xí)又比較重要，在理論教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上又增加了拉伸、壓縮和扭轉(zhuǎn)3個(gè)實(shí)驗(yàn)，最終，確定整個(gè)材料力學(xué)慕課包含85個(gè)知識(shí)點(diǎn)，其中的82個(gè)知識(shí)點(diǎn)為理論教學(xué)，3個(gè)知識(shí)點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)。材料力學(xué)MOOCs于2017年3月正式在愛課程上線，第一次上線的學(xué)習(xí)人數(shù)達(dá)到7000多人。

MOOCs是否成功的關(guān)鍵在于能否抓住學(xué)生的注意力。如何才能抓住學(xué)生的注意力？首先是視頻課程的長(zhǎng)度不易過長(zhǎng)，材料力學(xué)慕課每個(gè)知識(shí)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)控制在10分鐘左右，在學(xué)生產(chǎn)生疲憊感前完成一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的講解。其次教學(xué)方式要生動(dòng)，內(nèi)容要有吸引力。對(duì)于教師出境的視頻錄制方式，教師的適度肢體語言對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)有較好的代入感和親切感，可以減少視頻教學(xué)的單調(diào)性。在課程內(nèi)容中增加工程師實(shí)例和動(dòng)畫等書本上沒有的內(nèi)容增加課程內(nèi)容的新鮮度。另外可以在視頻中加入提問環(huán)節(jié)，提高視頻教學(xué)的互動(dòng)感?？梢栽谝曨l中間的適當(dāng)位置插入課間提問，課間提問的問題不易太難，每個(gè)知識(shí)點(diǎn)視頻的課間提問最好是1到2個(gè)，過多會(huì)加重學(xué)生的負(fù)擔(dān)，效果適得其反。

二、材料力學(xué)混合式教學(xué)的思考

在材料力學(xué)上線的同時(shí)，作為東北大學(xué)的精品骨干課程，為了提高慕課資源的使用效率，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使學(xué)生在掌握材料力學(xué)基本理論的基礎(chǔ)上能夠更靈活地應(yīng)用基本理論解決實(shí)際問題，針對(duì)東北大學(xué)在校生同步開展了材料力學(xué)混合式的教學(xué)模式。

（一）混合教學(xué)的內(nèi)容設(shè)置

目前東北大學(xué)材料力學(xué)的混合教學(xué)實(shí)踐已經(jīng)完成兩輪，實(shí)行混合教學(xué)的專業(yè)包括工程力學(xué)、機(jī)械工程、土工程和采礦專業(yè)。除工程力學(xué)專業(yè)的總學(xué)時(shí)為96學(xué)時(shí)外，其他專業(yè)的總學(xué)時(shí)均為56學(xué)時(shí)。材料力學(xué)理論課程分為線上和線下兩部分，對(duì)于課程中學(xué)生比較難理解，容易出現(xiàn)問題的部分采用傳統(tǒng)教學(xué)模式，對(duì)于易于自學(xué)的部分采用線上自學(xué)，線下翻轉(zhuǎn)課堂的模式，但是對(duì)于混合教學(xué)部分學(xué)時(shí)的安排不宜過多，兩種課時(shí)下的混合教學(xué)學(xué)時(shí)安排如表1所示。

在成績(jī)查方面，總成績(jī)由試驗(yàn)成績(jī)、線上的成績(jī)，線下討論課成績(jī)，期中考試還有期末考試成績(jī)五部分組成，其中期末考試占65%，實(shí)驗(yàn)10%，期中考試10%，線上和課堂討論占10%，作業(yè)5%。

（二）混合教學(xué)討論課的形式

由于MOOCs設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是線上學(xué)習(xí)，視頻時(shí)間不易過長(zhǎng)，每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)內(nèi)容同比課堂教學(xué)相對(duì)較少，因此在學(xué)生在完成線上視頻學(xué)習(xí)后，需要進(jìn)行討論課的補(bǔ)充來解答學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的問題。目前對(duì)于討論課的形式還存在著爭(zhēng)議，如何上好討論課，真正起到線上教學(xué)的補(bǔ)充作用是一個(gè)值得探討的問題。兩輪混合教學(xué)的實(shí)踐證明，混合教學(xué)的班型影響較大，單班級(jí)最好，兩個(gè)班級(jí)適中，三個(gè)上效果一般，四個(gè)以上難以保證質(zhì)量。討論課中可將學(xué)生分成小組，小組的人數(shù)不多于6人。在完成視頻學(xué)習(xí)后每個(gè)小組提交討論課問題，老師首先選出慕課學(xué)習(xí)的疑點(diǎn)問題作為討論課的題目，再將其他問題整理篩選，確定討論課的問題。討論課上首先拋出慕課學(xué)習(xí)的疑點(diǎn)問題，由學(xué)生先回答，計(jì)入小組的成績(jī)，在完成疑點(diǎn)問題的情況下進(jìn)行其他問題的討論，如果沒有其他小組爭(zhēng)取回答問題，記出題小組成績(jī)，若有小組答出，兩小組同時(shí)記成績(jī)，回答問題的同學(xué)成績(jī)翻倍。這種方式能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，實(shí)踐證明討論課氣氛也比較熱烈。

（三）混合教學(xué)的效果和學(xué)生反饋

在期末考試題難度基本一致，題型相同的前提下，我們將2017年機(jī)械工程系學(xué)生采用混合教學(xué)的考試成績(jī)與2016采用傳統(tǒng)教學(xué)模式的考試成績(jī)進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖1所示，可見由于混合教學(xué)的章節(jié)不是很多，對(duì)學(xué)生整體成績(jī)分布影響不大，但是不及格率略下降，優(yōu)秀率有所上升。

為了得到學(xué)生對(duì)混合教學(xué)的態(tài)度，我對(duì)實(shí)行材料力學(xué)單班混合教學(xué)的工程力學(xué)1601班的28名學(xué)生進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果如表2所示。工程力學(xué)1601班為大類招生二年級(jí)的學(xué)生，學(xué)生素質(zhì)比較高，對(duì)這種新型教學(xué)方式的總體態(tài)度是比較認(rèn)可的。

學(xué)生意見主要有三類：1. “不習(xí)慣這種方式，自己也看視頻，但是總覺得傳統(tǒng)方式知識(shí)學(xué)的更全面，怕重要細(xì)節(jié)學(xué)不好”；2. “自學(xué)再總結(jié)的方式可以讓知識(shí)點(diǎn)掌握的更牢固一點(diǎn)，但對(duì)于那些不會(huì)自學(xué)，不自覺看視頻的同學(xué)，效果不好，但我感覺大部分同學(xué)還是好處比較大，畢竟大部分同學(xué)是會(huì)自學(xué)的”；3. “我覺得挺好的，自己看的話，不懂的地方再仔細(xì)看看書，或者查找下資料，而且看完視頻講解然后再做例題效果也挺好的，理解能好一點(diǎn)，就是自己看有的地方理解的不清理，容易記不住”。工程力學(xué)1601班為大類招生二年級(jí)的學(xué)生，學(xué)生素質(zhì)比較高，調(diào)查結(jié)果表明學(xué)生對(duì)這種新型教學(xué)方式的總體態(tài)度是比較認(rèn)可的。

三、材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的改革

材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)是課堂理論教學(xué)內(nèi)容的延伸和補(bǔ)充，可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、分析能力、理論知識(shí)的綜合運(yùn)用能力和創(chuàng)新能力，是必不可少的實(shí)踐環(huán)節(jié)[6]。東北大學(xué)為材料力學(xué)設(shè)置的實(shí)驗(yàn)共有12個(gè)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)為16學(xué)時(shí)，包括拉伸、壓縮試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，電阻應(yīng)變測(cè)量基本原理實(shí)驗(yàn)，彈性模量和泊松比測(cè)定實(shí)驗(yàn)，梁彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，復(fù)合梁實(shí)驗(yàn)，薄壁圓筒在彎扭組合載荷下的應(yīng)力測(cè)量實(shí)驗(yàn)，薄壁開口界面的彎曲中心測(cè)定實(shí)驗(yàn)、功的互等定理實(shí)驗(yàn)、壓桿穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)，剛架組合設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析實(shí)驗(yàn)，等強(qiáng)度梁沖擊動(dòng)應(yīng)力及動(dòng)荷系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)，復(fù)合材料力學(xué)性能分析實(shí)驗(yàn)，沖擊試驗(yàn)。其中試驗(yàn)類型包括基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合試驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。由于課時(shí)的不斷縮減，實(shí)驗(yàn)課時(shí)縮減為8個(gè)，而且有些實(shí)驗(yàn)的理論內(nèi)容也不能夠完全在縮減后的課堂教學(xué)中詳細(xì)講解，而這部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容又可能是某些同學(xué)感興趣的。在這種情況下，我們開展了材料力學(xué)試驗(yàn)的網(wǎng)上資源建設(shè)，將實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)相關(guān)基本理論錄制成短視頻，上傳到網(wǎng)上，選實(shí)驗(yàn)課的學(xué)生可以下載或在線觀看。規(guī)定了拉伸、壓縮和扭轉(zhuǎn)為3個(gè)必做的實(shí)驗(yàn)，其余實(shí)驗(yàn)學(xué)生可以通過網(wǎng)上視頻了解實(shí)驗(yàn)過程，選擇感興趣的實(shí)驗(yàn)。這種方式可以充分利用實(shí)驗(yàn)資源，又可以滿足學(xué)生根據(jù)興趣做不同實(shí)驗(yàn)的需求，更好地發(fā)揮材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的作用。

四、結(jié)束語

材料力學(xué)作為高等學(xué)校理理工科學(xué)生的一門重要公共基礎(chǔ)課，課程質(zhì)量對(duì)新工科建設(shè)背景下學(xué)生素質(zhì)培養(yǎng)十分重要，利用互聯(lián)網(wǎng)及慕課資源進(jìn)行混合教學(xué)是對(duì)課程體系改革的一種嘗試，本文對(duì)慕課建設(shè)、混合教學(xué)以及材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的開放建設(shè)提出了一些建議。

參考文獻(xiàn)：

[1]教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知[EB/OL].2017-02-20.

[2]“新工科”建設(shè)復(fù)旦共識(shí)（復(fù)旦共識(shí)）[J].高等工程教育研究，2017（2）：10-11.

[3]“新工科”建設(shè)行動(dòng)路線（天大行動(dòng)）[J].高等工程教育研究，2017（2）：24-25.

[4]袁莉，斯蒂芬·鮑威爾，馬紅亮.大規(guī)模開放在線課程的國(guó)際現(xiàn)狀分析[J].開放教育研究，2013，9（3）：56-62.

[5]馬照瑞，栗娜，甘 ，等.MOOC沖擊下的在線課程建設(shè)模式改革與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)教育，2014，14：22-25.

[6]董繼蕾，劉丹丹.高?；A(chǔ)力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)和改革[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版）[J].2017，12（Z）：249-252.