新工科工程力學云教材建設的研究與實踐1)

許月梅

(北京石油化工學院機械工程學院，北京102607)

2017 年教育部高等教育司發(fā)布“關于開展新工科研究與實踐的通知”[1]以來，新工科建設成為了我國新時期高等工程教育改革的指導方針。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)交叉復合型卓越工程科技人才[2]。新工科的人才培養(yǎng)目標要求重構工科人才的培養(yǎng)模式。工程力學是與航空航天、機械、化工、建筑和國防等諸多行業(yè)相關的基礎學科，是理論與工程連接的橋梁，也是一門工程應用學科[3]。新工科背景下，要求工程力學結合新工科的建設理念，構建適合工程教育的“以學生為中心”的教學模式，建設與之相配套的教學資源。

1 新工科背景下工程力學的教學模式及其理論基礎

混合式教學是指在適當?shù)臅r間，通過應用適當?shù)拿襟w技術，提供與適當?shù)膶W習環(huán)境相契合的資源和活動，讓適當?shù)膶W生形成適當?shù)哪芰Γ瑥亩〉米顑?yōu)化教學效果的教學方式[4]。目前比較通行的做法是線上教學與線下教學有機結合。

混合式教學的理論基礎很多，本文主要采用首要教學原理理論和深度學習理論。Merrill[5]提出了以問題為中心的“首要教學原理”，該理論不僅強調(diào)教學設計要讓學生介入實際問題，而且要求教師轉(zhuǎn)變教學理念，從知識的傳遞者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W生學習過程中的指導者、協(xié)助者、促進者。深度學習理論旨在培養(yǎng)高階思維，實現(xiàn)高效學習。該理論認為學習的核心目標是培養(yǎng)高階思維，即批判性思維、反思性思維、創(chuàng)新性思維等[6]。高階思維能力是當代社會人才需求的一個重要導向，也是學生在新工科時代所必需的技能。如何培養(yǎng)學生的高階思維能力，已成為當代社會關注的核心問題。

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

2 新工科背景下工程力學混合式教學云教材的建設

教學資源是混合式教學目標實現(xiàn)的重要保證。在本研究中，我們制作的工程力學云教材貫徹以成果為導向的工程教育理念，課程設計從培養(yǎng)目標反向確定教學的適切性[7]，根據(jù)畢業(yè)要求確定學習目標，然后圍繞學習目標對工程力學內(nèi)容進行重新構建，結合混合式教學的各個環(huán)節(jié)、組織形式、分配時間，及各環(huán)節(jié)之間的有機銜接，編制了工程力學云教材。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，針對重點和難點內(nèi)容，采用教學短視頻的形式呈現(xiàn)，每段視頻時長不超過10分鐘，由本文作者主講，供學生課前在線學習。

2.1 工程力學云教材的內(nèi)容

根據(jù)以成果為導向的教學理念，教學內(nèi)容不是教師想要教的內(nèi)容，而是畢業(yè)要求的內(nèi)容，同時還要提升學生自主學習的興趣和能力。我們制作的工程力學云教材摒棄陳舊的教學內(nèi)容，增加與專業(yè)相關的能夠激發(fā)學習者學習興趣的內(nèi)容。針對非機械類工科專業(yè)，在結構上以桿件各種變形為主線編寫教材，主要介紹工程力學基礎理論及其工程應用。我們按照行業(yè)和產(chǎn)業(yè)需求，將每一個引入教學的例題和案例，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11章44節(jié)。第一篇為靜力學，包括靜力學的基本概念、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，包括材料力學的基本概念、軸向拉壓、扭轉(zhuǎn)、平面彎曲、組合變形(包含應力狀態(tài)分析)、連接件的強度和壓桿穩(wěn)定。

2.2 工程力學云教材的結構和特色

教材每一節(jié)的邏輯結構大體上是: 學習目標→工程導入→理論知識→例題→工程應用→小結→交互練習。這里以其中的一節(jié)為例來說明：(1)首先讓學生知曉學習目標，用音頻和文字雙重加強。知識目標用了解、理解和掌握來表述，能力目標用應用、分析、研究和設計等來表述；(2)工程導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，加強學生對本課程與工程關系的認識，提高學生的學習興趣；(3)理論知識部分以介紹和推導的方式進行，對于建立學生邏輯思維的重要理論知識推導部分，以教學視頻(微課)的形式呈現(xiàn)，一方面加強學生的理解，另一方面便于學生反復收看，提高自學能力，為混合式教學和翻轉(zhuǎn)課堂提供基礎資源；(4)例題以教學視頻的方式呈現(xiàn)，重在引導學生分析和確定解題思路；(5)工程應用列舉一些在工程上直接應用的實例，加強理論與工程的連接；(6)小結以視頻呈現(xiàn)，對本部分內(nèi)容進行系統(tǒng)總結；(7)交互練習是最后環(huán)節(jié)，圍繞學習目標設計，學生作答完成后可以看到參考答案。學生可以針對沒有掌握的知識點進行反復練習，直到達成本節(jié)的學習目標為止。

云教材可以導入云班課中使用。在班課中，教師可以查看學生的學習報告，及時掌握學生學習云教材的各種數(shù)據(jù)：學習內(nèi)容、學習時長、閱讀時長、視頻學習時長、交互練習的次數(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 端和移動端的學習功能；(3) 可導入云班課中作為教學資源；(4) 可以作為工程力學課程的慕課教材；(5) 適合自學，可以服務各種類型學習者。

3 實踐應用和效果

我們制作的云教材已經(jīng)出版，并在2019年秋季學期在能動18 級工程力學課程中進行了混合式教學改革試點。我們把“工程力學云教材”導入云班課中作為教學資源，采用翻轉(zhuǎn)課堂教學模式，讓學生有組織地進行課前預習，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？我們對學習該課程的58名學生在云班課上進行了匿名問卷調(diào)查，調(diào)查結果如表1所示。通過表1可以看出，學生對云教材的認可度高，云教材對于其明確學習目標、認識課程與工程的關系、加深對教學內(nèi)容的理解、提高自主學習能力都起到了積極作用。

采用云教材和翻轉(zhuǎn)課堂教學模式后，學生對于教學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)，除了頭腦風暴活動外，學生的參與度都超過90%。頭腦風暴活動的目的是激發(fā)學生創(chuàng)新思想，學生參與度是70%，作為培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維的活動，這也是參與度較高的結果。由表2 可以看出，學生出勤率非常高，課堂表現(xiàn)積極活躍，改變了過去逃課、課堂上玩手機、睡覺的現(xiàn)象。大多數(shù)學生能夠按時完成云教材學習、課堂測驗及課后作業(yè)任務，改變了先前“愛拖延”的毛病。很顯然，學生的學習興趣明顯增強。

表1 云教材使用效果問卷調(diào)查結果

表2 學生教學活動參與度

4 結語

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