面向應(yīng)用注重體驗(yàn)的生物力學(xué)教學(xué)實(shí)踐

馮原 邱意弘

摘? 要：生物力學(xué)是具有顯著交叉特性的課程，包含工程力學(xué)的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用，以及生物體的分析和建模，是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)中常見的專業(yè)課程。由于生物力學(xué)的理論和應(yīng)用性較強(qiáng)，而選修學(xué)生往往專業(yè)背景差異較大，給課程教學(xué)帶來很大挑戰(zhàn)。文章基于“學(xué)習(xí)科學(xué)”中“個體特性”“經(jīng)歷特性”“面向應(yīng)用”和“集體學(xué)習(xí)”的理論開展課程教學(xué)實(shí)踐，通過廣泛了解學(xué)生背景、采用隨堂練習(xí)、充分結(jié)合應(yīng)用實(shí)例并開展分組練習(xí)的方式，調(diào)動學(xué)生積極性，更好地改進(jìn)教學(xué)效果。通過前－后測評，問卷調(diào)查和學(xué)期間量化對比的方式，發(fā)現(xiàn)面向應(yīng)用、注重體驗(yàn)的教學(xué)方法能顯著提高學(xué)生的獲得感和學(xué)業(yè)表現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)科學(xué)；生物力學(xué)；面向應(yīng)用；教學(xué)改革

中圖分類號：G640? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2023）08-0140-04

基金項(xiàng)目：上海交通大學(xué)教學(xué)發(fā)展中心基金項(xiàng)目“基于‘學(xué)習(xí)科學(xué)基本原理的生物力學(xué)教學(xué)實(shí)踐”（項(xiàng)目編號：CTLD21J 0018）。

作者簡介：馮原（1985—），男，博士，上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)槟X生物力學(xué)和磁共振成像；邱意弘（1970—），女，博士，上海交通大學(xué)教學(xué)發(fā)展中心副教授，研究方向?yàn)榻處熃虒W(xué)發(fā)展與學(xué)習(xí)評估。

生物力學(xué)是一門基礎(chǔ)性和應(yīng)用性都較強(qiáng)的課程，主要內(nèi)容包含工程力學(xué)的基礎(chǔ)理論及生物體中的應(yīng)用。生物力學(xué)一般在生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院開設(shè)，為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生講授基礎(chǔ)力學(xué)知識，培養(yǎng)學(xué)生掌握力學(xué)分析和建模的基本方法，為未來應(yīng)用生物力學(xué)知識和方法解決實(shí)際問題打下基礎(chǔ)。

根據(jù)授課者的教學(xué)實(shí)踐，總結(jié)生物力學(xué)課程的特點(diǎn)和挑戰(zhàn)如下：

1. 課程內(nèi)容具挑戰(zhàn)性。學(xué)生力學(xué)基礎(chǔ)較為薄弱，而生物力學(xué)基礎(chǔ)理論包括一般工科專業(yè)的理論力學(xué)和材料力學(xué)內(nèi)容，因此給課程的理論教學(xué)帶來了較大挑戰(zhàn)。其中，材料力學(xué)部分概念抽象、數(shù)理基礎(chǔ)要求高，學(xué)生接受有一定困難。如偏重于理論推導(dǎo)與力學(xué)原理的分析，大部分學(xué)生接受度不高。課程強(qiáng)調(diào)力學(xué)理論在生物體中的應(yīng)用，對應(yīng)用力學(xué)理論分析和解決問題的能力要求高。

2. 學(xué)生差異性大。作為綜合性較強(qiáng)的課程，往往還吸引其他專業(yè)的學(xué)生選修。學(xué)生知識背景差異較大，學(xué)習(xí)動機(jī)各異，給課程教學(xué)的展開提出了很大挑戰(zhàn)。

3. 部分學(xué)生動力不足。作為專業(yè)選修課，大部分學(xué)生不愿意投入太多時(shí)間，存在湊學(xué)分的想法，缺乏足夠?qū)W習(xí)動力。這與力學(xué)理論內(nèi)容難度較大，需要較多的時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)產(chǎn)生了矛盾。

為應(yīng)對以上教學(xué)挑戰(zhàn)，本研究以“學(xué)習(xí)科學(xué)”（Learning Science）為理論指導(dǎo)開展了教學(xué)改革實(shí)踐?！皩W(xué)習(xí)科學(xué)”是整合了腦科學(xué)、心理學(xué)、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)和教育學(xué)等多學(xué)科內(nèi)容的系統(tǒng)科學(xué)，旨在溝通心智、腦與教育。美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的蘇珊·A·安布羅斯在其專著中，總結(jié)了學(xué)習(xí)科學(xué)的七條原理［1］，并指出七原理可以適用于各個學(xué)科領(lǐng)域、不同經(jīng)驗(yàn)水平、不同文化背景的教師和學(xué)生。約翰·D·布蘭思福特等匯集了“學(xué)習(xí)科學(xué)”出現(xiàn)以來的重要思想和理論，將學(xué)習(xí)者與學(xué)習(xí)、教師與教學(xué)、學(xué)習(xí)科學(xué)未來發(fā)展方向做了系統(tǒng)的闡述。這些為基于“學(xué)習(xí)科學(xué)”的教學(xué)方法設(shè)計(jì)提供了重要的理論基礎(chǔ)和創(chuàng)新教學(xué)的方向［2］，基于“學(xué)習(xí)科學(xué)”相關(guān)理論開展教學(xué)活動、推廣教學(xué)改革是高校教學(xué)的一個趨勢。

基于“學(xué)習(xí)科學(xué)”開展相關(guān)的教學(xué)研究已有許多前期工作。北京大學(xué)的尚俊杰開展了相關(guān)教育研究［3］，并對“學(xué)習(xí)科學(xué)”的理論溯源和發(fā)展現(xiàn)狀做了分析和總結(jié)［4］。香港大學(xué)的程介明將“學(xué)習(xí)科學(xué)”原理作為指導(dǎo)當(dāng)前教學(xué)和師生關(guān)系新常態(tài)的理論基礎(chǔ)，提出教師從授課者轉(zhuǎn)為學(xué)生學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)者的觀點(diǎn)，并指出學(xué)習(xí)的個體性、經(jīng)歷性、應(yīng)用性、綜合性和集體性的重要特征?！皩W(xué)習(xí)科學(xué)”理論還被應(yīng)用于中小學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)中［5］。

綜上，讓力學(xué)基礎(chǔ)薄弱、背景動機(jī)差異大、選修課不愿投入過多的學(xué)生群體很好地學(xué)習(xí)并掌握生物力學(xué)知識和建模技能，是本項(xiàng)目的主要目標(biāo)?；凇皩W(xué)習(xí)科學(xué)”原理，本項(xiàng)目的研究假設(shè)：（1）符合“個體特性”能應(yīng)對學(xué)生差異性大的挑戰(zhàn)；（2）“經(jīng)歷特性”“面向應(yīng)用”能增強(qiáng)學(xué)生對生物力學(xué)知識的理解和應(yīng)用；（3）“集體學(xué)習(xí)”能增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)動機(jī)。

一、研究設(shè)計(jì)

（一）研究對象

本研究的研究對象為2021年秋季學(xué)期選修生物力學(xué)課程的30名本科生，以生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)大三學(xué)生為主，還有機(jī)動、船建、電院、材料等學(xué)院不同專業(yè)背景的學(xué)生，以及1名留學(xué)生。作為本碩博貫通的專業(yè)選修課，教學(xué)班還包括博士研究生4人；另外，常有不同學(xué)院的本科生、研究生和博士后旁聽。本研究的統(tǒng)計(jì)只針對選修本課程的本科生開展。

（二）基于“學(xué)習(xí)科學(xué)”的教學(xué)設(shè)計(jì)

基于“學(xué)習(xí)科學(xué)”的基本原理，生物力學(xué)課程安排與教學(xué)設(shè)計(jì)如圖1所示。

學(xué)習(xí)的個體特性。學(xué)生背景差異大，部分同學(xué)沒有修過力學(xué)相關(guān)基礎(chǔ)課程，只學(xué)過大學(xué)物理。因此，在課程的內(nèi)容上，講解了理論力學(xué)和材料力學(xué)的基礎(chǔ)部分，以滿足不同基礎(chǔ)學(xué)生的需求。

基于經(jīng)歷的學(xué)習(xí)。“學(xué)習(xí)科學(xué)”理論指出，人的學(xué)習(xí)關(guān)鍵在經(jīng)歷過程。生物力學(xué)有很強(qiáng)的應(yīng)用特性，因此，課程將解決具體問題的實(shí)例貫穿始終，強(qiáng)調(diào)學(xué)生自己動手解決問題，并在課堂教學(xué)中加入隨堂練習(xí)、討論和測試。在隨堂練習(xí)中，教師走到學(xué)生中與學(xué)生交流，獲得直接的反饋。例如在介紹扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的概念時(shí)，與學(xué)生一同討論：為什么人的骨頭是空心的？在相同最大剪應(yīng)力條件下，推導(dǎo)空心骨的質(zhì)量是實(shí)心骨的1/3，讓學(xué)生在觀摩解決問題的過程中獲得直觀感受，同時(shí)自己探索、體驗(yàn)解決問題的過程，加強(qiáng)學(xué)習(xí)經(jīng)歷的體驗(yàn)。

面向應(yīng)用的學(xué)習(xí)?！皩W(xué)習(xí)科學(xué)”基本原理表明：理解與使用是同時(shí)發(fā)生的。課程設(shè)計(jì)了兩次大作業(yè)，分別針對主要知識點(diǎn)結(jié)合實(shí)際問題開展，讓學(xué)生在應(yīng)用中建構(gòu)和內(nèi)化理論知識。第一次大作業(yè)“頭部運(yùn)動控制設(shè)備設(shè)計(jì)”，要求設(shè)計(jì)一個在磁共振成像設(shè)備中控制頭部運(yùn)動的裝置，學(xué)生需綜合應(yīng)用靜力學(xué)、動力學(xué)、運(yùn)動學(xué)相關(guān)知識，解決實(shí)際問題。第二次大作業(yè)“板孔應(yīng)力集中的COMSOL仿真實(shí)驗(yàn)”，主要考察應(yīng)力應(yīng)變基本概念，學(xué)生需應(yīng)用課堂教學(xué)演示的COMSOL仿真軟件，通過對板孔應(yīng)力集中的分析，自己動手體驗(yàn)材料變形過程中的應(yīng)力狀態(tài)。

集體學(xué)習(xí)是最有效的方法。學(xué)生自由組隊(duì)、集體討論完成課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目。為保證每個人都有足夠的工作量，以2人為一組，在集體作業(yè)的完成中充分學(xué)習(xí)。

（三）研究方法

前-后測法。在學(xué)期初摸底測試中設(shè)置生物力學(xué)相關(guān)的前序知識考題，了解課前學(xué)生知識和技能的掌握情況。在學(xué)期中的小測試中，保留全部摸底題，通過答題正確率對學(xué)生在知識技能上的收獲進(jìn)行評估并調(diào)整教學(xué)方法。

比較法。采用與往屆難易度相近的期末試卷（按學(xué)校試卷命題要求，試題與前三年的重復(fù)率少于20%），比較總成績，通過答題情況，部分說明新教學(xué)法的效果。

調(diào)查法。采用問卷對學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)、獲得感開展調(diào)查。首先，課前摸底調(diào)查了解學(xué)生的知識基礎(chǔ)背景。其次，在課程開展1個月和2個月后，收集學(xué)生對課程的教學(xué)反饋，在第7周邀請教學(xué)發(fā)展中心開展中期學(xué)生反饋服務(wù)。在課間與學(xué)生開展面對面的交流，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)。基于書面反饋和平時(shí)交流的結(jié)果，對課程教學(xué)進(jìn)行有針對性的改進(jìn)。此外，課程結(jié)束半年后，還開展了回顧性調(diào)查。

二、結(jié)果與結(jié)論

通過與學(xué)生的交流及問卷調(diào)查，獲得了大部分學(xué)生選修課程的學(xué)習(xí)動機(jī)（見表1）。想通過課程了解力學(xué)知識的學(xué)生最多，且集中在生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)生中。為滿足跨平臺選課需要的學(xué)生都是外專業(yè)的學(xué)生?？傮w來說，選修學(xué)生主要考慮對課程內(nèi)容的興趣，并綜合考慮了學(xué)分和課程難易程度。

對比學(xué)期初和學(xué)期中的測試成績，以此對學(xué)期中的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行了評估。期初測試的前三題包括大學(xué)物理中與本課程相關(guān)的前序基礎(chǔ)內(nèi)容，后三題包括高等數(shù)學(xué)中與本課程相關(guān)的前序基礎(chǔ)內(nèi)容。為保證測試客觀反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，測試沒有提前通知學(xué)生準(zhǔn)備，也不納入課程最終成績。剔除未交卷和試卷未署名的情況，兩次都參加的有效測試份數(shù)為21份。結(jié)果表明，經(jīng)過半學(xué)期的學(xué)習(xí)，學(xué)生總體表現(xiàn)均優(yōu)于學(xué)期初（見圖2）。課程學(xué)習(xí)有助于學(xué)生掌握知識和提高能力。

為檢驗(yàn)基于“學(xué)習(xí)科學(xué)”理論所開展的生物力學(xué)實(shí)踐效果，本研究對比了2020年和2021年生物力學(xué)課程的期末考試成績。兩次授課學(xué)生總數(shù)相近，學(xué)生群體特征相似，試卷難易度相當(dāng)，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)采用新教學(xué)法后，平均成績提高近9分（學(xué)生t檢驗(yàn)，p<0.05），總分超過80的人數(shù)比例提高了近2倍，不及格人數(shù)比例下降了近一半，最高分和最低分分別提高了5分和10分（見表2）。

經(jīng)過半學(xué)期的學(xué)習(xí)，學(xué)生總分和前三題的總分均顯著高于摸底測試總分（學(xué)生t檢驗(yàn)，p<0.05），其中總分滿分120分，前三題滿分60分。

本研究的回顧性調(diào)查收回匿名有效問卷24份。其中，87.5%的學(xué)生表示課程基本或完全實(shí)現(xiàn)了當(dāng)初的選課動機(jī)。95.8%的學(xué)生表示課程照顧到了個體需求、學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和個體對課程的反饋。100%的學(xué)生表示課堂中的隨堂練習(xí)有幫助（見圖3a）；95.8%的學(xué)生表示課程兩次大作業(yè)有幫助（見圖3b）；近80%的學(xué)生對小組討論和集體學(xué)習(xí)表示有幫助（見圖3c）。

綜合以上分析結(jié)果，本研究主要實(shí)現(xiàn)了三個目的：

1. 基于“個體特性”理論，通過課前、課間和課后與學(xué)生交流，及時(shí)獲得教學(xué)內(nèi)容與形式的反饋并動態(tài)調(diào)整，充分考慮學(xué)生個體的需求，解決學(xué)生差異性大的問題。

2. 基于“經(jīng)歷特性”和“面向應(yīng)用”的原理，建立了以關(guān)鍵知識點(diǎn)為中心開展隨堂練習(xí)的教學(xué)方法。通過課上解決生物力學(xué)問題和包含實(shí)例的課程大作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了課內(nèi)有針對性的知識點(diǎn)傳授，以及解決問題能力的培養(yǎng)。

3. 基于“集體學(xué)習(xí)”的原理，通過隨堂練習(xí)、集體討論、課程大作業(yè)的分組研究，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，增強(qiáng)了獲得感。

三、總結(jié)與反思

自2018年秋季至今4輪授課，前兩次講授主要集中在線彈性力學(xué)的基礎(chǔ)和應(yīng)用，屬于材料力學(xué)的進(jìn)一步延伸。由于生物醫(yī)學(xué)工程本科生力學(xué)基礎(chǔ)較為薄弱，前序選修理論力學(xué)、材料力學(xué)或工程力學(xué)的學(xué)生較少，導(dǎo)致學(xué)生對課程的接受度較低，普遍反映難以理解和接受。自2020年起，課程啟用了基于工程力學(xué)的教學(xué)。將工程力學(xué)中的理論力學(xué)和材料力學(xué)部分作為先導(dǎo)理論做講解，在此基礎(chǔ)上結(jié)合生物力學(xué)的應(yīng)用開展教學(xué)。經(jīng)兩次教學(xué)實(shí)踐后，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對課程的接受程度穩(wěn)步提升，各個學(xué)院不同背景、不同層次的學(xué)生都表示可以較好地接受課程內(nèi)容。采用基于“學(xué)習(xí)科學(xué)”理論對教學(xué)開展改革后，取得的經(jīng)驗(yàn)如下：

1. 課堂中進(jìn)行知識點(diǎn)的強(qiáng)化，能較好地補(bǔ)足學(xué)生課后時(shí)間分配困難的問題，并增強(qiáng)課程內(nèi)容的接受度。

2. 理論結(jié)合實(shí)際的課程大作業(yè)，能發(fā)展學(xué)生的動手解決問題能力，較好地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

3. 多次、多方式的學(xué)生反饋，有助于調(diào)整教學(xué)。

本研究基于“學(xué)習(xí)科學(xué)”理論中學(xué)習(xí)的個體特性、經(jīng)歷過程、強(qiáng)調(diào)應(yīng)用和集體學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容、設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，對生物力學(xué)課程或類似專業(yè)課程的教學(xué)有如下貢獻(xiàn)和借鑒意義：

首先，須了解學(xué)生。對知識基礎(chǔ)和動機(jī)差異大的學(xué)生群體在課前對他們的知識背景和學(xué)習(xí)動機(jī)進(jìn)行充分調(diào)查，有針對性地開展教學(xué)內(nèi)容安排，讓學(xué)生的個體獲得感最大化。

其次，應(yīng)增強(qiáng)學(xué)習(xí)經(jīng)歷。充分利用生物力學(xué)課程理論與實(shí)際聯(lián)系的特點(diǎn)，發(fā)掘廣泛存在于日常生活中的生物力學(xué)現(xiàn)象、原理與應(yīng)用，在課堂上以實(shí)際問題的分析和解決為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生開展理論學(xué)習(xí)，掌握分析方法。

最后，應(yīng)面向應(yīng)用。設(shè)置有挑戰(zhàn)性的開放式大作業(yè)，學(xué)生組成小團(tuán)隊(duì)集體學(xué)習(xí)、共同探究，建構(gòu)及內(nèi)化關(guān)鍵知識與理論，并能解決實(shí)際生物醫(yī)學(xué)工程問題。

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（責(zé)任編輯：石子靜）