差異化教學(xué)在材料力學(xué)課程中的應(yīng)用研究

李志軍　李雪華　王霞　張文榮　楊帆

摘? 要：該文分析工程教育認(rèn)證下普通高等院校材料力學(xué)課程教學(xué)中存在的問題，基于差異化教學(xué)體系提出與材料力學(xué)課程相適應(yīng)的教學(xué)改革方案。建議通過教學(xué)目標(biāo)、過程和考核差異化特點(diǎn)建立材料力學(xué)課程差異化教學(xué)體系?；谡n前、課中和課后，提出相應(yīng)的差異化教學(xué)方法，提出3模塊和3層次的差異化仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，構(gòu)建差異化課程考核方法。

關(guān)鍵詞：差異化教學(xué)；工程教育認(rèn)證；OBE；材料力學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類號：G640? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）18-0029-04

Abstract： The paper analyzing the existing problems in the process of course teaching of Mechanics of Materials for regular higher educational institutions under engineering education certification， in this paper， the teaching reform project of the course is presented on the basis of the differentiated teaching system which consists of teaching target， teaching process and teaching assessment. In the project， the corresponding differentiated teaching methods are presented according to three class stage （before class， in class and after class）. The simulating experiment teaching based on three modules and three hierarchical structures are proposed， and the differentiated course assessment modes of mechanics of materials are constructed.

Keywords： differentiated teaching; engineering education certification; OBE; mechanics of materials; teaching reform

差異化教學(xué)是指在教育體系中，教師要根據(jù)學(xué)生的興趣導(dǎo)向和天賦差別的不同，所組織的人才培養(yǎng)教學(xué)活動。通過這種活動，教師有目的、有計劃、有組織地引導(dǎo)學(xué)生積極自覺地學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生特殊才能迅速提高，使他們成為社會所需要的專業(yè)人才。差異化教學(xué)要求教師能夠基于學(xué)生存在的多方面差異，提出不同的教學(xué)方案，實(shí)施不同的教學(xué)要求，從而做到“因材施教”。學(xué)生存在初始能力、學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)能力和未來預(yù)期等方面的差異，采取差異化的教學(xué)以滿足學(xué)生個性化的學(xué)習(xí)需求是與“促進(jìn)每個學(xué)生發(fā)展，提高每一個人的生命質(zhì)量和價值”的教育本質(zhì)一致的，是以“學(xué)習(xí)者為中心”的教育范式下的必然要求，也是我國推進(jìn)教育現(xiàn)代化的重要方向之一[1]。

基礎(chǔ)力學(xué)課程是多數(shù)工科類專業(yè)教育的基礎(chǔ)，是提高力學(xué)技能、培養(yǎng)各類合格工科類人才的奠基工程，其在創(chuàng)新人才的培養(yǎng)中起著重要的啟蒙和基礎(chǔ)性作用，沒有好的基礎(chǔ)力學(xué)教育，很多工科類專業(yè)后續(xù)教育與創(chuàng)新將受到制約與影響[2-3]。材料力學(xué)作為重要的一門基礎(chǔ)力學(xué)課程，主要面向西安工業(yè)大學(xué)國家一流專業(yè)機(jī)械設(shè)計制造及自動化和土木工程開設(shè)，通過本課程的學(xué)習(xí)，可以增強(qiáng)大學(xué)生的工程意識，掌握解決工程問題的基本理論及方法，培養(yǎng)學(xué)生一定的解決工程實(shí)際問題的能力，是提高學(xué)生科學(xué)研究能力的起點(diǎn)。以一流專業(yè)土木工程為例，材料力學(xué)課程畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)分別為：掌握力學(xué)原理和方法，具備工程建模研究能力，能將這些力學(xué)原理和方法用于土木工程專業(yè)復(fù)雜工程問題的建模、分析與計算；能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)與力學(xué)知識的基本原理，識別土木工程專業(yè)復(fù)雜工程問題本質(zhì)特征，建立恰當(dāng)?shù)墓こ谭治瞿Ｐ?；能夠?yīng)用工程科學(xué)的基本原理，通過文獻(xiàn)調(diào)研，結(jié)合實(shí)際工程建設(shè)的基本特點(diǎn)，系統(tǒng)分析并充分表達(dá)土木工程專業(yè)復(fù)雜工程問題，給出可行的解決方案。

材料力學(xué)課程的傳統(tǒng)教學(xué)模式是以教師在課堂教學(xué)過程中采用理論講授方式為主，并通過課堂上的具體例題講解向?qū)W生闡明材料力學(xué)基本概念和原理，并詳細(xì)展示計算公式的具體推導(dǎo)過程，而后通過課后的習(xí)題作業(yè)環(huán)節(jié)強(qiáng)化學(xué)生對本課程基本概念和原理的理解，增強(qiáng)學(xué)生應(yīng)用基本計算公式的能力[3]。在工程教育認(rèn)證導(dǎo)向的工程類專業(yè)寬口徑培養(yǎng)模式下，材料力學(xué)課程呈現(xiàn)出內(nèi)容多、難度大、學(xué)時少的特點(diǎn)，且一般都為大班教學(xué)，采用傳統(tǒng)教學(xué)模式的教學(xué)效果難以滿足工程教育認(rèn)證下的課程目標(biāo)要求。結(jié)合2020—2022年西安工業(yè)大學(xué)（以下簡稱“我校”）土木工程和機(jī)械設(shè)計制造及自動化一流專業(yè)的材料力學(xué)課程總評考核數(shù)據(jù)分析結(jié)果，由于學(xué)生個體初始能力、學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)能力等方面的差異化問題未引起足夠的重視并采取有效的應(yīng)對措施，使得該門力學(xué)課程的持續(xù)改進(jìn)措施不夠有效，突出表現(xiàn)為我校土木工程和機(jī)械設(shè)計制造及自動化一流專業(yè)學(xué)生力學(xué)基礎(chǔ)能力整體性偏低，優(yōu)秀學(xué)生的力學(xué)創(chuàng)新性能力略顯不足，亟需研究新的改進(jìn)措施。本文在已有研究的基礎(chǔ)上堅持“以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出（成果）為導(dǎo)向，以持續(xù)改進(jìn)為推動力”的OBE （Outcome based education）教育理念，深入研究學(xué)生個體差異，找準(zhǔn)切入點(diǎn)，并融合科學(xué)計算相關(guān)技術(shù)作為有效教學(xué)方案，提出我校材料力學(xué)課程的差異化教學(xué)改革及實(shí)踐方案，全面提升我校一流工科專業(yè)學(xué)生力學(xué)基礎(chǔ)能力水平和更高的創(chuàng)新性目標(biāo)需求。

本文基于我校土木工程專業(yè)畢業(yè)要求對應(yīng)的課程分解指標(biāo)點(diǎn)以及材料力學(xué)課程的目標(biāo)要求，考慮不同學(xué)生的層次特點(diǎn)將其歸并為不同的組別，而后針對相應(yīng)組別提出的不同教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)要求，并選取不同的教學(xué)內(nèi)容，采用不同的教學(xué)手段和考核指標(biāo)以實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的，形成該課程差異化教學(xué)體系，具體如圖1所示。差異化教學(xué)體系有利于鞏固“以學(xué)生為中心”的教育指導(dǎo)思想，使得教師能夠在教學(xué)過程中充分考慮到每個學(xué)生對于該門課程個性化目標(biāo)需求，努力做到因材施教，從而通過教學(xué)服務(wù)的不斷改善有效提升教學(xué)質(zhì)量。結(jié)合已有研究基礎(chǔ)，本文提出的材料力學(xué)課程差異化教學(xué)體系主要基于教學(xué)目標(biāo)、過程和考核差異化進(jìn)行構(gòu)建[4]。

一? 教學(xué)目標(biāo)差異化

目前我校土木和機(jī)械類一流專業(yè)均根據(jù)學(xué)生的個體情況，形成了“卓越工程師”試驗(yàn)班和普通班兩種班型，考慮到兩種班型的學(xué)生在基礎(chǔ)能力、學(xué)習(xí)興趣和能力存在差異，基于已有的相同教學(xué)方案難以滿足存在差異學(xué)生對于該課程的目標(biāo)需求，需要了解每位學(xué)生自身對于材料力學(xué)課程的總評成績目標(biāo)要求（按照優(yōu)、良、中和及格幾個層次區(qū)分），同時搜集學(xué)生差異化分析數(shù)據(jù)并對學(xué)生學(xué)情進(jìn)行分析，學(xué)生學(xué)情分析的差異化數(shù)據(jù)基于表1獲取[1]。在材料力學(xué)課程目標(biāo)的基礎(chǔ)上，依據(jù)學(xué)生差異化分析數(shù)據(jù)和自身的課程成績目標(biāo)將學(xué)生劃分為不同需求的學(xué)習(xí)層次。

依據(jù)不同需求層次的學(xué)生設(shè)定差異化的教學(xué)目標(biāo)，即普及型、提高型和探究型三個層次。對于普及型學(xué)生，要求其理解和掌握材料力學(xué)課程應(yīng)知應(yīng)會的基礎(chǔ)知識與基本技能；對于探究型學(xué)生，可以設(shè)計一些工程性較強(qiáng)的探究類學(xué)習(xí)任務(wù)，通過參與相關(guān)研究課題、項(xiàng)目帶動等活動培養(yǎng)其創(chuàng)新思維能力；而對于提高型學(xué)生，其課程目標(biāo)要求基于二者之間制定。

二? 教學(xué)過程差異化

在材料力學(xué)課程教學(xué)活動中，具體不同能力和課程目標(biāo)層次特點(diǎn)的學(xué)生顯然是教學(xué)活動的主體，而教師如何有效地組織多層次的課堂教學(xué)活動，指導(dǎo)不同層次學(xué)生在課堂中提出的具體問題，以及在有限的課堂時間中如何協(xié)調(diào)不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度是材料力學(xué)課程差異化教學(xué)活動能夠?qū)崿F(xiàn)的重要方面。組織策略方面，將分層設(shè)計與靈活分組結(jié)合起來提升學(xué)習(xí)效果。指導(dǎo)策略方面，有針對性地與不同學(xué)生進(jìn)行不同問題的交流，可以達(dá)到對不同學(xué)生的差異化關(guān)注、指導(dǎo)，同時建立學(xué)生之間的互助關(guān)系。調(diào)控策略方面，要兼顧所有層次的學(xué)生，學(xué)習(xí)活動應(yīng)該是一種非線性的安排。課后作業(yè)環(huán)節(jié)根據(jù)教學(xué)目標(biāo)設(shè)計滿足學(xué)生多樣化需求，對于普及型學(xué)生要求其完成課程目標(biāo)要求的最低作業(yè)量，而對于探究型學(xué)生應(yīng)當(dāng)布置一定數(shù)量綜合性更強(qiáng)，創(chuàng)新能力要求更高的擴(kuò)張性題目，從而保證不同層次的學(xué)生能夠通過不同層級的循環(huán)性練習(xí)達(dá)到各自的課程目標(biāo)要求。具體的差異化教學(xué)過程設(shè)計如圖2所示。

多元化教學(xué)資源庫是實(shí)現(xiàn)差異化教學(xué)過程的重要保障。我們主要通過加強(qiáng)線上和線下資源庫的建設(shè)不斷豐富材料力學(xué)課程的教學(xué)資源庫。通過建立具有本校特色的材料力學(xué)線上課程并選取國家級教學(xué)資源庫中經(jīng)典的材料力學(xué)線上課程完善該課程線上資源庫的建設(shè)。采用現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)對材料力學(xué)課本知識進(jìn)行深化處理，例如學(xué)生可以掃描書上的二維碼即可鏈接相關(guān)的數(shù)字資源觀看學(xué)習(xí)；同時進(jìn)一步完善標(biāo)準(zhǔn)化練習(xí)冊、試題庫、工程案例庫和課程答疑網(wǎng)上平臺等多元化教學(xué)資源庫，為有潛力的學(xué)生留有深入學(xué)習(xí)的余地。同時設(shè)計材料力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)方案，將力學(xué)、數(shù)學(xué)、計算機(jī)科學(xué)交叉融合，充分發(fā)揮計算機(jī)在材料力學(xué)教學(xué)中的作用。基礎(chǔ)力學(xué)課程實(shí)際就是根據(jù)不同假設(shè)建立不同數(shù)學(xué)模型的過程。所以在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中就要培養(yǎng)學(xué)生建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型并能求解的能力。將國際先進(jìn)科學(xué)計算核心有限元技術(shù)用于材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，讓學(xué)生利用相關(guān)語言編寫特定程序文件與有限元結(jié)合解決實(shí)際問題，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[5]。采用三重驗(yàn)證的教學(xué)方法，首先以力學(xué)分析計算理論解，接著通過有限元分析的方法，藉數(shù)學(xué)分析軟件進(jìn)行理論驗(yàn)證與計算，最后以有限元軟件包執(zhí)行分析，三者互相驗(yàn)證，同時體現(xiàn)力學(xué)分析、有限元理論與軟件包之間的交互關(guān)聯(lián)。按照3模塊和3層次建立材料力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)體系以滿足不同層次學(xué)生的教學(xué)需求。其中3模塊是必做實(shí)驗(yàn)、課內(nèi)選做實(shí)驗(yàn)和課外選做實(shí)驗(yàn)；3個層次為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合訓(xùn)練性實(shí)驗(yàn)和工程創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。

全國周培源大學(xué)生力學(xué)競賽主要考察理論力學(xué)和材料力學(xué)兩門課程的基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)知識的綜合運(yùn)用，著重考核靈活運(yùn)用基礎(chǔ)知識、分析和解決問題的能力[6]。由于力學(xué)競賽的題目相比于課內(nèi)的習(xí)題而言，對于學(xué)生的綜合能力會有很高的要求，所以在OBE教學(xué)理念的指導(dǎo)下，對于競賽題目的訓(xùn)練我們是以探究型學(xué)生的需求為主，鼓勵提高型學(xué)生積極參與。如何豐富力學(xué)競賽輔導(dǎo)模式，不斷提高相應(yīng)層次學(xué)生的創(chuàng)新能力是我們后續(xù)重點(diǎn)要考慮的一個方面。例如，我們通過創(chuàng)辦建立網(wǎng)絡(luò)媒體平臺，定期開展力學(xué)競賽歷年真題講解活動等形式，有效提升了探究型層次學(xué)生的創(chuàng)新能力。

三教學(xué)考核差異化

在工程教育認(rèn)證背景下，傳統(tǒng)的教學(xué)考核方法已難以滿足不同層次學(xué)生的差異化課程目標(biāo)需求，需要建立基于差異化材料課程目標(biāo)需求同時滿足工程教育認(rèn)證課程目標(biāo)要求的綜合性考核方法。學(xué)生對材料力學(xué)課程基本概念的理解程度和基本知識的掌握程度可以通過課堂與學(xué)生的交流情況、課堂小測驗(yàn)、學(xué)生線上課程預(yù)習(xí)情況以及階段性閉卷考試等形式進(jìn)行考核評定，基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰赏ㄟ^材料力學(xué)課程線下實(shí)驗(yàn)的具體操作和實(shí)驗(yàn)作業(yè)的完成情況予以考核，基于材料力學(xué)基本理論和方法解決實(shí)際工程問題的綜合分析能力通過階段性閉卷考試難以有效地進(jìn)行全方位考核。此外，考核辦法還需要考察學(xué)生學(xué)習(xí)過程的持續(xù)反饋，需要研究基于OBE的材料力學(xué)課程差異化考核方法。

基于全過程性、持續(xù)性、多元化原則建立材料力學(xué)課程差異化考核方法，主要基于以下四個方面建立相應(yīng)的考核指標(biāo)體系。①階段性總結(jié)，該部分主要通過課堂小測驗(yàn)、期中和期末閉卷考試等方式考核不同層次學(xué)生對于材料力學(xué)課程基本概念、原理的掌握程度，并且在一定程度上可以考核學(xué)生對于實(shí)際工程問題的綜合分析能力。②基于課前、課中和課后學(xué)習(xí)過程的效果反饋，這部分重點(diǎn)考察不同層次學(xué)生的課堂表現(xiàn)，如與教師及學(xué)生間的互動情況等，課后作業(yè)完成情況，其他實(shí)踐性學(xué)習(xí)活動參與情況等。③線下課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的完成情況，這部分重點(diǎn)考核不同層次學(xué)生實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)完成情況，如實(shí)驗(yàn)中的操作能力、團(tuán)結(jié)協(xié)作能力及報告完成情況等。④利用材料力學(xué)基本理論和方法解決工程問題的綜合分析能力，這部分主要通過綜合性和創(chuàng)新性仿真試驗(yàn)、課后探究型作業(yè)和期末閉卷考試等形式予以評測，仿真試驗(yàn)和探究型作業(yè)主要針對提高型及以上層次的學(xué)生的課程目標(biāo)需求而設(shè)置，學(xué)生通過分析相關(guān)工程案例力學(xué)特點(diǎn)，利用材料力學(xué)基本知識通過小組研究討論的形式完成。

針對我?！白吭焦こ處煛痹囼?yàn)班和普通班兩種班型，其差異化考核方法為以下幾種形式。

對于“卓越工程師”試驗(yàn)班，期末考試占比為60%，線下實(shí)驗(yàn)占比為10%，線上資源課程學(xué)習(xí)及課后小測驗(yàn)占比為5%，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)占比為5%，探究性題目研究報告占比為5%，平時作業(yè)成績占比為15%。

對于普通班，期末考試占比為60%，線下實(shí)驗(yàn)占比為10%，線上資源課程學(xué)習(xí)及課后小測驗(yàn)占比為10%，平時作業(yè)成績占比為20%。

四結(jié)束語

在工程教育認(rèn)證導(dǎo)向的工程類專業(yè)寬口徑培養(yǎng)模式下，材料力學(xué)課程呈現(xiàn)出內(nèi)容多、難度大、學(xué)時少的特點(diǎn)，且一般都為大班教學(xué)，由于學(xué)生個體初始能力、學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)能力等方面的差異化問題未引起足夠的重視并采取有效的應(yīng)對措施，使得該門課程的持續(xù)改進(jìn)措施不夠有效，突出表現(xiàn)為學(xué)生學(xué)習(xí)自主性不強(qiáng)，力學(xué)基礎(chǔ)能力整體性偏低，優(yōu)秀學(xué)生的力學(xué)創(chuàng)新性能力不足，教學(xué)效果難以滿足工程教育認(rèn)證下課程目標(biāo)要求。在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，較之傳統(tǒng)的教學(xué)模式，本文考慮學(xué)生在初始能力、學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)能力方面的差異，基于學(xué)習(xí)者差異的分析和分層、學(xué)習(xí)目標(biāo)的層次化制定、學(xué)習(xí)過程的差異化設(shè)計、教學(xué)考核的差異化設(shè)計建立我校土木、機(jī)械類一流工科專業(yè)材料力學(xué)課程差異化教學(xué)體系，系統(tǒng)提出材料力學(xué)課程差異化教學(xué)方法。

針對傳統(tǒng)材料力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)難以滿足我校土木、機(jī)械類一流工科專業(yè)課程教學(xué)目標(biāo)的實(shí)際情況和特殊需要，通過引進(jìn)大型通用有限元分析軟件和相關(guān)數(shù)學(xué)分析軟件等計算機(jī)仿真技術(shù)，初步形成基于OBE的材料學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，重構(gòu)基礎(chǔ)力學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。同時，進(jìn)行“以賽促教”教學(xué)模式改革，通過調(diào)整教學(xué)例題內(nèi)容、增加例題的趣味性、強(qiáng)化全國大學(xué)生力學(xué)競賽等試題在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力和力學(xué)建模能力方面的作用，初步形成“專業(yè)學(xué)習(xí)+學(xué)科競賽+創(chuàng)新能力”的新型教學(xué)模式。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉美鳳，劉文輝，梁越，等.差異化教學(xué)何以施行：班內(nèi)多層次教學(xué)方案的設(shè)計與實(shí)施[J].中國電化教育，2022（1）：124-133.

[2] 張樹翠，趙衛(wèi)兵.以工程教育認(rèn)證為導(dǎo)向的工程力學(xué)教學(xué)改革研究[J].教育教學(xué)論壇，2020（3）：104-105.

[3] 劉德軍，左建平，周宏偉，等.OBE理念下的材料力學(xué)教學(xué)方法改革與實(shí)踐[J].力學(xué)與實(shí)踐，2021，43（1）：112-119.

[4] 盧加元.智能時代的差異化教學(xué)模式及其實(shí)現(xiàn)條件研究[J].職業(yè)技術(shù)，2021，20（1）：8-12.

[5] 周曉敏，孫政.將ANSYS引入材料力學(xué)課堂的教學(xué)實(shí)踐[J].力學(xué)與實(shí)踐，2019，41（2）：222-226.

[6] 常利武，杜亞志.“以賽促教”模式在工程力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].力學(xué)與實(shí)踐，2020，42（4）：495-498.

基金項(xiàng)目：西安工業(yè)大學(xué)教學(xué)改革研究重點(diǎn)項(xiàng)目“工程教育認(rèn)證下基于OBE的力學(xué)類課程教學(xué)改革研究與實(shí)踐——以土木、機(jī)械類一流專業(yè)為例”（22JGZ06）；西安工業(yè)大學(xué)思想政治教育研究會重點(diǎn)課題“工程教育認(rèn)證下人民兵工精神融入基礎(chǔ)力學(xué)課程思政研究”（XGSZ2023005）；西安工業(yè)大學(xué)教學(xué)改革研究一般項(xiàng)目“案例導(dǎo)向型教學(xué)模式在《工程力學(xué)》中的探索與實(shí)踐”（２２ＪＧＹ３２）

第一作者簡介：李志軍（1975-），男，漢族，山西萬榮人，工學(xué)博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師，系主任。研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)振動控制及健康監(jiān)測。