多目標(biāo)教學(xué)設(shè)計相融合的“理論力學(xué)”教學(xué)改革研究

唐雙成 程 娜 顧愛軍 顧延?xùn)|

揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇揚(yáng)州 225009

1 概述

在“新工科”建設(shè)和一流本科人才培養(yǎng)的雙重要求下，如何給傳統(tǒng)的“理論力學(xué)”課程賦予新的生命力是一個迫切需要解決的問題[1-2]。“理論力學(xué)”是工科類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，承擔(dān)著基礎(chǔ)課和專業(yè)課承上啟下的作用，對水利水電工程專業(yè)而言，“理論力學(xué)”是后續(xù)“材料力學(xué)”“流體力學(xué)”“結(jié)構(gòu)力學(xué)”的基礎(chǔ)，所有力學(xué)課程的概念、原理和定律等構(gòu)成了嚴(yán)密的邏輯知識體系。

“理論力學(xué)”課程分為靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)三個篇章，知識體系和邏輯結(jié)構(gòu)各不相同。靜力學(xué)篇章主要研究物體受力分析的基本方法以及物體的平衡規(guī)律；運(yùn)動學(xué)研究運(yùn)動的軌跡、位移、速度和加速度等純幾何特性，引入向量和坐標(biāo)系更加直觀地描述物體的運(yùn)動規(guī)律，從簡單運(yùn)動到復(fù)雜運(yùn)動再到合成運(yùn)動；動力學(xué)篇章是對前兩篇章知識內(nèi)容的統(tǒng)一，將質(zhì)點(diǎn)系運(yùn)動和受力進(jìn)行統(tǒng)一，研究物體的受力和運(yùn)動之間的關(guān)系。從靜力學(xué)到運(yùn)動學(xué)再到動力學(xué)，嚴(yán)密的課程邏輯結(jié)構(gòu)致使相當(dāng)比例的學(xué)生掌握有難度。研究表明，目前高校教師教學(xué)方法單一，需持續(xù)創(chuàng)新和改進(jìn)[3-4]。華蕊等[5]研究表明，對分課堂設(shè)計調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提高了學(xué)生的課堂參與度和學(xué)習(xí)能力，提升教學(xué)效果，把學(xué)習(xí)知識和探討問題培養(yǎng)成行為習(xí)慣。浦玉學(xué)等[6]針對“理論力學(xué)”的課程特征，研究如何進(jìn)行“理論力學(xué)”課程思政元素設(shè)計，總結(jié)課程思政實(shí)施的一般流程。因此，培養(yǎng)具有扎實(shí)力學(xué)功底的新工科人才，需要對傳統(tǒng)的“理論力學(xué)”持續(xù)進(jìn)行課程教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法改革與創(chuàng)新，提高“理論力學(xué)”課程的教學(xué)質(zhì)量。

2 問題提出與課程改革思路

“理論力學(xué)”課程授課對象大多數(shù)為工科專業(yè)本科一年級或二年級學(xué)生，“理論力學(xué)”教學(xué)過程中存在如下的普遍問題：(1)學(xué)時較長，如何讓學(xué)生從頭到尾保持專注，保持激情；(2)章節(jié)內(nèi)容分割不清楚，教師主導(dǎo)的“滿堂灌”教學(xué)模式，使學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)的新鮮感和主動性；(3)與水利專業(yè)方面的工程實(shí)例聯(lián)系不夠緊密；(4)傳統(tǒng)的“理論力學(xué)”課程講授缺乏對課程思政和立德樹人方面內(nèi)容的融入。針對以上問題展開了短期內(nèi)可實(shí)現(xiàn)的“理論力學(xué)”課程改革研究。在當(dāng)前的大背景下，結(jié)合“理論力學(xué)”課程特征，與水利工程實(shí)例緊密結(jié)合，迫切地需要研究一套融入課程思政、立德樹人的可實(shí)現(xiàn)教學(xué)模式。

可短期實(shí)現(xiàn)的多目標(biāo)教學(xué)設(shè)計相融合，首先，收集國內(nèi)外水利工程素材，結(jié)合具體內(nèi)容與水利工程實(shí)例緊密結(jié)合；其次，結(jié)合“理論力學(xué)”的課程特征，梳理與優(yōu)化課程內(nèi)容，確保線上線下有效銜接；最后，在教學(xué)過程中，柔性融入課程思政、立德樹人的教學(xué)思路。梳理優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容線上線下相結(jié)合，根據(jù)優(yōu)化的課程內(nèi)容，以每節(jié)課為單位重新進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，進(jìn)行“理論力學(xué)”全課程視頻錄課，根據(jù)章節(jié)的內(nèi)容特征進(jìn)行線上和線下多元化混合課程教學(xué)模式。最終，經(jīng)過上述教學(xué)改革，“理論力學(xué)”課程實(shí)現(xiàn)可落地的多教學(xué)設(shè)計相融合的目標(biāo)。

3 課程改革措施與方案

3.1 教學(xué)改革內(nèi)容

通過課程多目標(biāo)的融合和梳理優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容線上線下相結(jié)合的方式，研究一套全新的可落地的“理論力學(xué)”課程教學(xué)模式，確定了以下主要教學(xué)改革內(nèi)容。

3.1.1 梳理與優(yōu)化課程內(nèi)容進(jìn)行全方位的教學(xué)設(shè)計

梳理“理論力學(xué)”課程的組織構(gòu)架，理清各章節(jié)之間的脈絡(luò)關(guān)系，重新優(yōu)化課程內(nèi)容，對于每一節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，從課前回顧、知識點(diǎn)引出、主要教學(xué)內(nèi)容、工程實(shí)例應(yīng)用和最后課堂總結(jié)等環(huán)節(jié)進(jìn)行全方位的教學(xué)設(shè)計。

3.1.2 柔性地融入課程思政立德樹人的教學(xué)理念

結(jié)合“理論力學(xué)”的課程特征，從哲學(xué)、邏輯方法、工程案例、歷史人物等方面著手，挖掘可進(jìn)行課程思政的知識點(diǎn)，將課程思政和立德樹人元素柔性融入“理論力學(xué)”日常教學(xué)過程。

3.1.3 錄制全課程視頻進(jìn)行線上線下混合教學(xué)

基于以上兩點(diǎn)課程教學(xué)設(shè)計和課程思政理念的融入，進(jìn)行全課程視頻錄制。根據(jù)梳理后的各節(jié)課程特征，優(yōu)化知識結(jié)構(gòu)，合理分配線上和線下課程的混合式教學(xué)。

3.2 教學(xué)改革方案

“理論力學(xué)”課程改革按“課程體系梳理”→“課程思政理念融入”→“工程實(shí)例結(jié)合”→“線上課程錄制”→“多目標(biāo)教學(xué)設(shè)計融合”→“線上線下混合教學(xué)模式建立”六個步驟進(jìn)行，具體多目標(biāo)教學(xué)設(shè)計改革結(jié)構(gòu)如下圖。

多目標(biāo)教學(xué)設(shè)計改革結(jié)構(gòu)圖

3.2.1 課程體系梳理與分割

針對“理論力學(xué)”課程特征，確定全課程概念體系的脈絡(luò)，梳理課程結(jié)構(gòu)，以知識點(diǎn)為基本單元，重新優(yōu)化課程章節(jié)分布。同時，查找不合理的教學(xué)體系或路線，或因體系陳舊而不能適應(yīng)當(dāng)前教學(xué)方法和理念等。對于前后重復(fù)出現(xiàn)的概念需重點(diǎn)關(guān)注，使同一概念保持統(tǒng)一性、連貫性、一致性，下表為靜力學(xué)篇章中靜力學(xué)公理和平面力系整合分割后的知識單元分布及建議授課時長。

而靜力學(xué)篇章共分了11講，33個知識單元，根據(jù)每個單元的內(nèi)容特征，建議授課時長從6min到30min不等，平均授課時長為12.85min。單個獨(dú)立的單元授課使每個知識點(diǎn)更突出，同時，每個知識點(diǎn)講解時間相對較短，同學(xué)們注意力更集中，提高整體授課效果。“理論力學(xué)”全課程共分為30講，86個獨(dú)立知識單元，課程內(nèi)容的全面梳理與分割，以及授課時長建議為后續(xù)線上錄制視頻課程提供參考。

3.2.2 課程思政元素融入

國家對于一流本科專業(yè)建設(shè)的新要求，全面落實(shí)課程思政和立德樹人教育理念。“專業(yè)教育”和“思政教育”有效結(jié)合起來，有助于在教學(xué)過程中傳播愛國精神和民族情懷，培育和踐行社會主義核心價值觀。根據(jù)“理論力學(xué)”的課程特征，針對梳理分割后的每一節(jié)知識單元，可以從哲學(xué)思維元素和工程案例元素兩方面挖掘思政元素。

3.2.2.1 哲學(xué)思維元素

緒論中講到，“理論力學(xué)”是研究物體機(jī)械運(yùn)動一般規(guī)律的一門學(xué)科，研究和發(fā)展過程符合辯證唯物主義認(rèn)識論，研究基于牛頓和伽利略的經(jīng)典力學(xué)理論，而牛頓三大定律反映了哲學(xué)思想在自然科學(xué)中的具體化。比如，杠桿原理以及摩擦自鎖等都是通過觀察生活和生產(chǎn)實(shí)踐中的各種現(xiàn)象，經(jīng)過多次的科學(xué)實(shí)驗及分析、綜合、歸納而形成的?！袄碚摿W(xué)”的學(xué)習(xí)和研究有助于學(xué)生形成科學(xué)的辯證唯物主義認(rèn)識論和方法論。比如，在講“約束”一節(jié)時，首先要介紹對立的自由體和非自由體，發(fā)現(xiàn)受到一定約束的非自由體才是最安全的。在此進(jìn)行引申，日常做人做事也是一樣，絕對的自由是不存在的，約束和自由是相對的，自由要限制在法律和社會公德的約束范圍之內(nèi)。

3.2.2.2 工程案例元素

力學(xué)作為現(xiàn)代自然科學(xué)的一門基礎(chǔ)學(xué)科，在課程的學(xué)習(xí)過程中，將力學(xué)在工程界的作用向?qū)W生展示。在講解靜力學(xué)平衡問題時，引入趙州橋的例子，趙州橋距今已有1400多年的歷史，經(jīng)歷了多次水災(zāi)、戰(zhàn)亂和地震依然屹立不倒，這是中國橋梁史上的空前創(chuàng)舉，我國著名的建筑學(xué)家梁思成稱贊趙州橋為中國工程界一絕，其伏拱敞肩和坦拱的設(shè)置蘊(yùn)含了精妙的力學(xué)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新能力。近年來，我國的航天事業(yè)取得了傲人的成績，而開展航天工程力學(xué)問題研究在航天技術(shù)的發(fā)展中起到舉足輕重的作用。比如講解科氏加速度時，在完成點(diǎn)的加速度合成公式推導(dǎo)后，可以轉(zhuǎn)入我國的航天事業(yè)和國防工程，神舟系列號航天員已多次在太空漫游，每一次的發(fā)射和著落返回都要從力學(xué)角度進(jìn)行綜合考慮和精確的驗算。再比如講到物體的重心，以國之重器三峽水利樞紐切入，重力壩非溢流壩段基本剖面如上圖所示呈三角形，通常背水面較緩，迎水面較陡(甚至直立)，重心偏向上游面，迎水面較陡有利于壩體抗傾覆穩(wěn)定。從耳熟能詳?shù)墓こ淘亟嵌热胧挚梢栽鰪?qiáng)學(xué)生的民族自豪感，喚醒學(xué)生崇高的社會使命和社會責(zé)任感，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。

3.2.3 線上線下混合教學(xué)模式建立

線上線下混合教學(xué)是教學(xué)設(shè)計中進(jìn)行多目標(biāo)融合的重要部分，線上線下混合教學(xué)包括線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和線下課堂教學(xué)，線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)又包括已錄好的課程視頻觀看和學(xué)校Eol網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺習(xí)題練習(xí)。課程視頻錄制需精準(zhǔn)設(shè)計每一堂課，從回顧、引出、內(nèi)容、總結(jié)、應(yīng)用等環(huán)節(jié)進(jìn)行全方位的教學(xué)設(shè)計。項目組老師根據(jù)分工，利用學(xué)?，F(xiàn)有智慧教室的資源，對“理論力學(xué)”全課程以知識點(diǎn)為單位，進(jìn)行全課程網(wǎng)絡(luò)視頻課程錄制。教學(xué)團(tuán)隊需要根據(jù)教學(xué)大綱和教學(xué)任務(wù)，提前建設(shè)網(wǎng)絡(luò)課程，明確學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)和重點(diǎn)內(nèi)容，合理地制訂學(xué)習(xí)計劃。

3.2.3.1 線上教學(xué)

學(xué)生可按照老師制定的教學(xué)進(jìn)度線上學(xué)習(xí)，利用網(wǎng)絡(luò)資源提前獨(dú)立自學(xué)老師已錄制好的教學(xué)視頻，然后在線完成Eol網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上的習(xí)題，老師根據(jù)學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握程度及時補(bǔ)充和調(diào)整教學(xué)計劃。線上教學(xué)主要是讓學(xué)生掌握理解各知識點(diǎn)的基本概念和原理，能熟練運(yùn)用基本的計算方法求解簡單的工程問題。同時，網(wǎng)絡(luò)平臺和視頻資源的學(xué)習(xí)課促使學(xué)生自主思考，從而提升學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和自學(xué)能力。

3.2.3.2 線下教學(xué)

線下教學(xué)指老師和學(xué)生在教室面對面授課，其主要是對知識點(diǎn)的鞏固、強(qiáng)化和提高，線下授課不再重復(fù)講解相關(guān)的基本理論等內(nèi)容。教師結(jié)合該課程中的重點(diǎn)與難點(diǎn)，調(diào)整課堂教學(xué)內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)，在課堂教學(xué)過程中，重點(diǎn)講解學(xué)生線上學(xué)習(xí)中遇到的難點(diǎn)問題，介紹工程案例和典型例題，進(jìn)行師生互動以及知識的綜合提升等。如講“物體的受力分析”這節(jié)課時，約束和約束力的概念介紹可以看錄像，常見的典型工程約束分析以及與工程實(shí)際相關(guān)的光滑鉸鏈、球鉸鏈、軸承等內(nèi)容采用現(xiàn)場講解討論的形式開展。采用線上線下多元的課堂授課形式，不僅提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的參與度和學(xué)習(xí)的主動性，而且加強(qiáng)了學(xué)生的團(tuán)隊合作意識和創(chuàng)新意識。

結(jié)語

在新工科、一流本科人才培養(yǎng)等多方面的要求下，本科教學(xué)研究和實(shí)踐不斷深入，“理論力學(xué)”課程教學(xué)需要突出學(xué)生解決實(shí)際問題能力。本次課程改革提出多教學(xué)目標(biāo)的相融合，包括柔性融入課程思政、立德樹人的教學(xué)理念，同時，結(jié)合水利專業(yè)特征，在教學(xué)過程中與水利工程實(shí)例緊密結(jié)合，梳理優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容線上線下相結(jié)合的方式，研究一套短期可落地的多教學(xué)目標(biāo)相融合的課程教學(xué)模式。全新的教學(xué)模式能夠提高教學(xué)質(zhì)量，還可以及時應(yīng)對教學(xué)模式的不確定性，培養(yǎng)具有扎實(shí)力學(xué)功底的新工科人才。