理論力學(xué)挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)教學(xué)設(shè)計(jì)改革初探

盛鷹，張玉奇，賈彬，劉筱玲

（西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽(yáng)）

當(dāng)今我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展和國(guó)家戰(zhàn)略改革的深入實(shí)施，對(duì)高等教育事業(yè)提出了新的挑戰(zhàn)。為了使新形勢(shì)下的人才具有更好地適應(yīng)當(dāng)今和未來(lái)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需的綜合能力，這就要求大學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中必須要經(jīng)歷求知探索、實(shí)踐動(dòng)手、創(chuàng)新創(chuàng)造、心理抗壓、綜合素質(zhì)等多方面的磨練與提升。而目前的高校課程挑戰(zhàn)度不足，成為了制約本科教育發(fā)展的一大瓶頸[1-2]。

基于此，教育部于2018年提出了“金課”概念和“兩性一度”的金課標(biāo)準(zhǔn)，即高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度。而建設(shè)挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)課程是落實(shí)教育部“以本為本，回歸常識(shí)，建設(shè)一流本科”要求的重要舉措，是打造金課的重要途徑。“挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)課程”就是以挑戰(zhàn)性問(wèn)題為核心，以知識(shí)的綜合應(yīng)用為支撐，讓學(xué)生“痛并快樂(lè)著”，通過(guò)激發(fā)自我，調(diào)動(dòng)自身潛力，積極思考，主動(dòng)探究，促進(jìn)創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力培養(yǎng)，不斷提高挑戰(zhàn)問(wèn)題和戰(zhàn)勝困難的勇氣與能力，最后享受成功的喜悅[3-4]。目前我國(guó)已先后在清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、南京大學(xué)、電子科技大學(xué)等高等學(xué)校進(jìn)行了挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)課程的示范建設(shè)，從以前的關(guān)注“教”轉(zhuǎn)為更多地關(guān)注“學(xué)”，從以前的知識(shí)傳授型的人才培養(yǎng)模式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰μ嵘偷挠?xùn)練模式[5-6]。

著名教育家蘇霍姆林斯基曾說(shuō)過(guò)：“在人的內(nèi)心深處，都有一種根深蒂固的需要，那就是希望自己是一個(gè)發(fā)現(xiàn)者、研究者和探索者?！币虼耍魬?zhàn)性學(xué)習(xí)課程改革的基本內(nèi)涵就是：在教師的引導(dǎo)下，讓學(xué)生探究性的學(xué)習(xí)行為能夠真正發(fā)生[7]。理論力學(xué)是一門(mén)重要的工科專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，在機(jī)械、土木建筑、航空航天等工程技術(shù)領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。但該課程具有理論性強(qiáng)、應(yīng)用面廣、知識(shí)量大、不易理解等特點(diǎn)，是學(xué)生公認(rèn)的一門(mén)難課[8]。本文擬以理論力學(xué)課程為例，提出開(kāi)展挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)教學(xué)設(shè)計(jì)改革的思路和方法。

一 理論力學(xué)挑戰(zhàn)性課程設(shè)計(jì)的基本模式

傳統(tǒng)的理論力學(xué)課程教學(xué)普遍存在以下五個(gè)教學(xué)痛點(diǎn)問(wèn)題，如圖1所示。其中，最突出的是課程挑戰(zhàn)度不足，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不足，不能學(xué)以致用。

圖1 傳統(tǒng)理論力學(xué)課程的教學(xué)痛點(diǎn)問(wèn)題

針對(duì)上述問(wèn)題，我校理論力學(xué)課程建設(shè)團(tuán)隊(duì)已開(kāi)展了相關(guān)改革，在創(chuàng)新型教學(xué)組織模式、挑戰(zhàn)性案例與問(wèn)題研討、多元化課程考核方式等方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。在挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)課程與金課建設(shè)潮流的引領(lǐng)下，為進(jìn)一步提升“新工科”背景下應(yīng)用型技術(shù)人才的培養(yǎng)質(zhì)量，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和課程挑戰(zhàn)度，需要開(kāi)展基于金課標(biāo)準(zhǔn)的理論力學(xué)挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)課程改革。

理論力學(xué)挑戰(zhàn)性課程設(shè)計(jì)的總體思路如圖2所示。

圖2 理論力學(xué)挑戰(zhàn)性課程設(shè)計(jì)總體思路

在理論力學(xué)課程挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)教學(xué)設(shè)計(jì)中，對(duì)案例選擇、教學(xué)組織模式、教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)、教改成果評(píng)價(jià)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)遵循的原則及采取的舉措如下：

1.挑戰(zhàn)性案例與問(wèn)題的選擇、研究、評(píng)價(jià)和比選。結(jié)合校情與學(xué)生學(xué)情，突出工科學(xué)生對(duì)知識(shí)的應(yīng)用實(shí)踐，選擇科學(xué)發(fā)展史的力學(xué)問(wèn)題、工程中的力學(xué)問(wèn)題、新聞中的力學(xué)問(wèn)題、身邊的力學(xué)問(wèn)題、與認(rèn)知相悖的力學(xué)問(wèn)題、科研案例與社會(huì)實(shí)踐等作為挑戰(zhàn)性案例，選擇的案例既要能吸引學(xué)生興趣，又要具有讓學(xué)生“跳一跳”能夠解決的適度的挑戰(zhàn)性。換言之，案例的選擇要著眼于學(xué)生的現(xiàn)有水平和可能的發(fā)展水平，通過(guò)開(kāi)展適度高于學(xué)生現(xiàn)有水平的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，促使其發(fā)揮潛能、實(shí)現(xiàn)超越，不斷提升學(xué)生的應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力和專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)。

2.挑戰(zhàn)性課程教學(xué)組織模式和教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)。踐行“以學(xué)生學(xué)習(xí)和發(fā)展為中心”的教學(xué)理念，設(shè)計(jì)多樣化教學(xué)組織模式。在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，開(kāi)展研討式教學(xué)、小組制互動(dòng)研討、問(wèn)題研討、案例研討、翻轉(zhuǎn)課堂設(shè)計(jì)等創(chuàng)新教學(xué)方法，將最新的學(xué)術(shù)研究和科技發(fā)展前沿成果引入課程，營(yíng)造生生互動(dòng)、生師互動(dòng)的良好課堂氛圍，提高教學(xué)時(shí)效性和課程挑戰(zhàn)性，實(shí)現(xiàn)“1＋1＞2”的互動(dòng)效果；在課外探究環(huán)節(jié)，指導(dǎo)學(xué)生圍繞挑戰(zhàn)性問(wèn)題開(kāi)展探究學(xué)習(xí)，通過(guò)制定任務(wù)卡、團(tuán)隊(duì)合作、集智攻關(guān)、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、答辯、比賽等方式，提升學(xué)生挑戰(zhàn)自我、學(xué)以致用的能力；在課程考核環(huán)節(jié)，以提升教學(xué)質(zhì)量、利于學(xué)生學(xué)習(xí)、提高教學(xué)效果為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合過(guò)程考評(píng)和試卷考評(píng)，制定合理有效的過(guò)程評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，包括評(píng)價(jià)評(píng)分量表的設(shè)計(jì)、課堂參與度與討論活躍度的合理評(píng)估等，充分發(fā)揮考核的評(píng)價(jià)和導(dǎo)向作用，保證挑戰(zhàn)性課程改革效果。

3.挑戰(zhàn)性課程教改成果推廣與“金課”建設(shè)。在課程結(jié)束之際，通過(guò)反饋性調(diào)查評(píng)估挑戰(zhàn)性課程的教學(xué)效果。不斷總結(jié)、反思挑戰(zhàn)性課程在體現(xiàn)“新工科”教學(xué)理念、實(shí)現(xiàn)“兩性一度”內(nèi)涵與外延中的不足，探討影響挑戰(zhàn)性課程教學(xué)的主要驅(qū)動(dòng)因素和主要限制因素，持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)，最終形成一整套可操作性的運(yùn)行機(jī)制和管理機(jī)制。在理論力學(xué)挑戰(zhàn)性課程建設(shè)過(guò)程中，同步推進(jìn)“金課”建設(shè)，把理論力學(xué)打造為適合學(xué)生特點(diǎn)和人才培養(yǎng)需要的“金課”。

二 理論力學(xué)教學(xué)中加強(qiáng)課程挑戰(zhàn)性訓(xùn)練的實(shí)踐舉例

下面舉例說(shuō)明在理論力學(xué)課程中如何選取具有挑戰(zhàn)性的案例，如何引導(dǎo)學(xué)生將在案例探究中深化對(duì)知識(shí)的理解，化知識(shí)為能力。

理論力學(xué)分為靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)三部分。靜力學(xué)研究力的性質(zhì)、力系的簡(jiǎn)化方法和力系的平衡理論；運(yùn)動(dòng)學(xué)從幾何的角度研究物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律而不考慮產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的原因；動(dòng)力學(xué)研究物體的運(yùn)動(dòng)變化與作用力之間的關(guān)系。每部分講完后，把學(xué)生分成若干個(gè)小組，每個(gè)小組抽簽選取一個(gè)與該部分知識(shí)相關(guān)的工程實(shí)例進(jìn)行開(kāi)展調(diào)研分析并作展示。所有案例無(wú)唯一標(biāo)準(zhǔn)答案，鼓勵(lì)同學(xué)們通過(guò)查閱資料、組內(nèi)討論、發(fā)散聯(lián)想等方式找到言之成理的解釋。

比如，靜力學(xué)內(nèi)容講完后，給同學(xué)們布置的代表性挑戰(zhàn)性案例作業(yè)有：

1.在山西省渾源縣有一座“懸空寺”，距今已有1500年的歷史，如圖3所示。整座寺院就像懸掛在懸崖上，以如臨深淵的險(xiǎn)峻而著稱，素有“懸空寺，半天高，三根馬尾空中吊”的說(shuō)法。請(qǐng)分析懸空寺是如何“懸空”的？該案例將靜力學(xué)約束中抽象的“固定端”具體化，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合具體案例分析“固定端”是如何構(gòu)造的。

圖3 “懸空寺”外觀圖

2.直升飛機(jī)提升重物時(shí)有“單點(diǎn)”和“雙點(diǎn)”兩種懸掛方式，如圖4所示。請(qǐng)分析兩種懸掛方式的利與弊。該案例考查的是直升飛機(jī)在提升重物時(shí)，在上升、前進(jìn)、轉(zhuǎn)向、下降、急停等多種工況下的受力平衡分析。

圖4 直升飛機(jī)“單點(diǎn)”和“雙點(diǎn)”懸掛方式

又比如，在動(dòng)力學(xué)部分“質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)的基本方程”一章講完后，給學(xué)生布置了一道極具挑戰(zhàn)性的實(shí)踐作業(yè)：通過(guò)對(duì)張衡地震儀的古文獻(xiàn)記載“外有八龍，首銜銅丸，下有蟾蜍，張口承之。其牙機(jī)巧制，皆隱在尊中，覆蓋周密無(wú)際。如有地動(dòng)，尊則振龍機(jī)發(fā)吐丸，而蟾蜍銜之。振聲激揚(yáng)，伺者因此覺(jué)知。雖一龍發(fā)機(jī)，而七首不動(dòng)，尋其方面，乃知震之所在?！闭?qǐng)查閱文獻(xiàn)并結(jié)合所學(xué)知識(shí)推斷張衡地震儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并說(shuō)明其實(shí)現(xiàn)原理。關(guān)于張衡地震儀真實(shí)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，至今未現(xiàn)對(duì)其準(zhǔn)確記載的古文獻(xiàn)，故該案例的答案是豐富多彩的。各小組學(xué)生通過(guò)查閱文獻(xiàn)并結(jié)合自己的思考，用3D打印機(jī)復(fù)原了不同的張衡地震儀，并在課堂上當(dāng)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了測(cè)震效果，有效地訓(xùn)練了學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造思維和知識(shí)綜合應(yīng)用能力。再比如，在講完動(dòng)力學(xué)部分后，給學(xué)生布置了一道緊貼生活、又具有挑戰(zhàn)性的分析案例：如圖5所示，請(qǐng)分析車(chē)輛過(guò)減速坎中的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。學(xué)生需綜合考慮減速坎高度、汽車(chē)通過(guò)減速坎的速度、汽車(chē)車(chē)輪及其減震結(jié)構(gòu)構(gòu)造、減速坎對(duì)汽車(chē)壽命的影響等因素，得出有益的結(jié)論。

圖5 車(chē)輛過(guò)減速坎中的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題

三 理論力學(xué)開(kāi)展挑戰(zhàn)性課程設(shè)計(jì)創(chuàng)新和改革的建議

開(kāi)展理論力學(xué)挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)教學(xué)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)創(chuàng)新工程，需要對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式進(jìn)行全方位改革。主要改革途徑和創(chuàng)新點(diǎn)如下：

1.課程首先要從教學(xué)理念、教學(xué)大綱開(kāi)始改革，秉承“德育為先、學(xué)生中心、研學(xué)融合、持續(xù)改進(jìn)”的理念，從課程的第一步開(kāi)始規(guī)劃，在大綱中融入“以學(xué)生為中心”的“建構(gòu)性教學(xué)觀”，根據(jù)課程總體特點(diǎn)與學(xué)生學(xué)情，重新優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，把重難點(diǎn)知識(shí)化抽象為形象，講“有血有肉”的理論力學(xué)，即需要從課程根源進(jìn)行創(chuàng)新和改革。

2.對(duì)課程教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行全方位創(chuàng)新，教學(xué)設(shè)計(jì)細(xì)化到每一節(jié)課、每一分鐘，把每一節(jié)課采用的教學(xué)組織模式、教學(xué)方法、教學(xué)案例、挑戰(zhàn)性問(wèn)題設(shè)計(jì)、教學(xué)效果預(yù)估、實(shí)際教學(xué)效果評(píng)價(jià)與反思等詳細(xì)寫(xiě)入教學(xué)設(shè)計(jì)中，讓每一節(jié)課都是充滿創(chuàng)新和富有挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)，按照金課標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)課程，這需要對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方式在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)的全過(guò)程進(jìn)行創(chuàng)新和改革。

3.把教學(xué)分為第一課堂和第二課堂，讓課程的挑戰(zhàn)性從課堂延續(xù)到課外，并注重對(duì)學(xué)生課外開(kāi)展挑戰(zhàn)性問(wèn)題探究的指導(dǎo)，對(duì)學(xué)生的優(yōu)秀探討成果鼓勵(lì)發(fā)表論文、參加競(jìng)賽、申報(bào)專(zhuān)利等，進(jìn)一步拓展挑戰(zhàn)性課程價(jià)值的延展性，這需要對(duì)課程在第二課堂開(kāi)展創(chuàng)新和改革。

4.對(duì)課程考核方式進(jìn)行改革，采用過(guò)程考評(píng)和試卷考評(píng)相結(jié)合的多元化考核方式，建立多元化課程考核量表，細(xì)化課程學(xué)習(xí)過(guò)程的考核衡量標(biāo)準(zhǔn)。這就打破了傳統(tǒng)“一考定乾坤”的單一評(píng)價(jià)模式，有助于激勵(lì)學(xué)生認(rèn)真對(duì)待每一節(jié)課，進(jìn)而保證挑戰(zhàn)性課程改革效果，這需要對(duì)考核評(píng)價(jià)和導(dǎo)向機(jī)制進(jìn)行創(chuàng)新和改革。

四 結(jié)語(yǔ)

本科生教育是高等教育的重中之重，提高高校課程挑戰(zhàn)度是提高本科教育發(fā)展的重要途徑。本文以理論力學(xué)課程為例，提出了基于金課標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)課程教學(xué)設(shè)計(jì)改革的探索與實(shí)踐方法，體現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方式的全方位創(chuàng)新和改革。對(duì)教學(xué)理念、教學(xué)大綱的改革是重要基石，對(duì)課堂教學(xué)環(huán)節(jié)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)是核心途徑，對(duì)第二課堂的創(chuàng)新改革是推廣延伸，對(duì)課程考核方式的改革是根本保障。