基于BOPPPS模式的材料力學研究性教學改革與實踐

摘 要：在新工科背景下，從研究性思維和跨學科思維兩個維度出發(fā)，進行材料力學案例庫建設(shè)。同時，基于BOPPPS教學模型，構(gòu)建材料力學研究性教學設(shè)計的一般流程，并將案例融入課程，引入和參與性學習環(huán)節(jié)。通過“案例式+討論式”教學手段，提高學生課程參與度和學習積極性，并順利達成了研究性教學目標。此次教學改革得到了學生較好的反饋，他們的專業(yè)邏輯思維、創(chuàng)新精神和學習能力得到了進一步強化。

關(guān)鍵詞：新工科；材料力學；BOPPPS教學模型；研究性教學

材料力學是土木、機械、航空航天等傳統(tǒng)工科的專業(yè)基礎(chǔ)課，是一門研究物體受力和變形情況的學科。課程要求學生掌握基本的力學理論知識，能夠解決構(gòu)件在載荷作用下的強度、剛度和穩(wěn)定性問題，培養(yǎng)學生的邏輯思維、力學建模、力學計算與實驗操作以及工程應(yīng)用能力。在新工科建設(shè)背景下，材料力學的學時被大幅縮減，以河南工業(yè)大學材料力學課程為例，理論課程學時由原來的56個壓縮至50個。同時，傳統(tǒng)課堂中“滿堂灌”的教學方式已無法滿足新工科背景下創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)需求。因此，如何在有限的學時內(nèi)激發(fā)學生學習材料力學的積極性，并培養(yǎng)出研究型人才，成為一個值得研究的課題。

BOPPPS教學模型以有效的教學設(shè)計著稱，其最早由北美地區(qū)高校教學技能培訓機構(gòu)Instructional Skills Workshop提出。它將課堂教學分解為課程引入（Bridge-in）、課程目標（Objective）、課前測試（Pre-assessment）、參與式學習（Participatory）、課后測驗（Post-assessment）和總結(jié)（Summary）六個部分，并以上述六部分對應(yīng)的英文首字母B、O、P、P、P、S命名。該模型強調(diào)學生的參與和反饋，為研究性教學改革提供了切實可行的實施方法。河南工業(yè)大學的工程力學教學團隊原為國家級教學團隊，其材料力學課程為國家級精品在線課程。近年，該團隊將BOPPPS教學模型引入材料力學課程改革之中，在教學案例庫建設(shè)、教學設(shè)計以及教學評價等方面進行了創(chuàng)新，用于新工科背景下研究型人才的培養(yǎng)，并取得了良好的教學效果。

一、材料力學案例庫建設(shè)

材料力學案例庫建設(shè)是研究性教學改革的關(guān)鍵所在。傳統(tǒng)材料力學教學過程中，案例數(shù)量不足且內(nèi)容陳舊。在新工科背景下，學科之間的相互滲透、交叉融合已成為學科發(fā)展的主要趨勢。因此，材料力學案例庫建設(shè)要打破學科壁壘，積極融入學科交叉理念。教學團隊主要圍繞力學與數(shù)學、材料科學、生物學等交叉領(lǐng)域進行案例庫的構(gòu)建。同時，案例庫建設(shè)要著重培養(yǎng)學生在學術(shù)研究階段常用的研究性思維，如主次要矛盾論、力學建模思想、批判性思維以及團隊合作精神等?；谏鲜鼋ㄔO(shè)方向，教學團隊在歷史、文化、人物、自然、科技以及工程領(lǐng)域篩選并設(shè)計教學案例。

例如，在講解圣維南原理的發(fā)展歷程時，指出力學與數(shù)學的緊密聯(lián)系。該原理是通過大膽假設(shè)和實驗驗證的方法提出的，并成功用于解決工程問題，而其對應(yīng)嚴格意義上的數(shù)學證明則在一百年后才得以解決。在講解泊松比概念、彎曲正應(yīng)力以及壓桿穩(wěn)定公式時可以引入泊松、伯努利、歐拉等人的歷史故事，以此展現(xiàn)科學規(guī)律是“實踐—理論—實踐”的發(fā)展歷程。在講解應(yīng)力圓時，通過講述莫爾提出應(yīng)力圓的故事，引入科學與工程的區(qū)別與聯(lián)系，并進一步給學生指出科學家與工程師在解決問題時思維邏輯的區(qū)別。同時，在案例庫中引入材料力學的前沿科技，如超輕超硬微桁架結(jié)構(gòu)材料、負泊松比材料等，培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)，激發(fā)他們的學習興趣。此外，在力學與生物學交叉領(lǐng)域也可以構(gòu)建相關(guān)案例，如在講解扭轉(zhuǎn)和彎曲時，引入植物莖稈和動物骨骼空心化的合理性，以及通過荷花亭亭玉立、高達百米的紅杉樹為什么不倒、植物表皮為什么要比內(nèi)部更加堅韌等自然現(xiàn)象，引出對應(yīng)的力學原理。這些案例不僅拓寬了學生的知識面，豐富了他們的知識體系，還激發(fā)了他們對跨學科知識的學習興趣，使其形成跨學科和研究性學習的思維模式。

二、基于BOPPPS模式的材料力學研究性教學設(shè)計

教學團隊將BOPPPS模式引入材料力學的教學設(shè)計之中，以常規(guī)1學時的授課內(nèi)容為例，其課堂實施過程可通過以下六個環(huán)節(jié)進行展示。

（一）課程引入

課程伊始，教師從前期建立的案例庫中選擇與本節(jié)課程內(nèi)容相關(guān)的案例進行引入，形式可以是視頻、圖片、故事或者3D打印的實物模型等。課程引入需生動有趣，旨在營造積極的學習氛圍，激發(fā)學生的求知欲。例如，在講授軸向拉壓桿時，可先介紹同學們身邊的桁架結(jié)構(gòu)工程案例，以及材料科學領(lǐng)域的微桁架結(jié)構(gòu)概念，讓學生觀察3D打印的桁架結(jié)構(gòu)模型，以此引出教學主題，吸引學生的注意力。此外，課程引入環(huán)節(jié)應(yīng)簡短有效，時間控制在3～5分鐘，避免過度占用課堂時間，從而導致學生注意力分散。

（二）學習目標

在該階段給出課程學習目標是為了讓學生更加明確本節(jié)課的學習方向和重點，提高其學習效率。課程學習目標通常分為知識目標、能力目標和情感目標。其中，知識目標要求學生理解相應(yīng)的力學概念和計算流程；能力目標旨在為學生提高力學建模和研究性學習能力奠定基礎(chǔ)；情感目標則較為復(fù)雜，其要求通過課堂學習進一步激發(fā)學生的學習熱情，獲得思想啟迪，如培養(yǎng)民族文化自信、團體合作意識等。該部分內(nèi)容可以通過板書或PPT展示，占用時長約為2～3分鐘。

（三）課前測試

課前測試的主要目的是了解學生在課程開始前的知識儲備和受訓能力，以便讓學生回憶和鞏固相應(yīng)教學內(nèi)容所需的基礎(chǔ)知識。測試形式可以是現(xiàn)場問答、“學習通”的隨堂練習或集體討論等，時間控制在2～3分鐘。

（四）參與式學習

參與式學習是BOPPPS教學模型中最關(guān)鍵的一環(huán)，也是其最為核心的理念，強調(diào)學生要參與課堂教學，體現(xiàn)以學生為主體的教學思想。該階段分為兩部分。第一部分是教師授課環(huán)節(jié)，任課教師需要講清楚基本概念和課程的重點、難點等內(nèi)容，時間約為10～15分鐘。第二部分為學生參與環(huán)節(jié)，通過分組討論、個人PPT報告、專題研討、案例分析、動手演練等方式進行，引導學生主動思考，積極參與學習活動。同時，這也有助于提升學生的語言組織能力和溝通協(xié)調(diào)、團隊合作等綜合素養(yǎng)。

例如，在講授薄壁圓筒受扭時，在講述完薄壁圓筒切應(yīng)力的計算公式后，通過引入柳哨制作中需要老嫩適中、粗細適度的柳樹枝這一案例，讓學生分組討論并給出原因，從而加深其對公式的理解。此外，傳統(tǒng)的材料力學在授課過程中重推理演算、輕力學建模，因此需進一步對學生強化力學建模思想，引導學生探討解題所用力學模型在實際工程中代表的意義，并認識到力學建模涉及的邏輯思維，從而培養(yǎng)研究性學習能力。也可以讓學生親自演算推理公式，在動手分析中強化力學概念。學生參與上述環(huán)節(jié)的時間約為15～20分鐘。

（五）課后測驗

課后測驗是在學生學習完本節(jié)知識點后，對其掌握情況進行驗收的重要環(huán)節(jié)。該階段可以讓學生對重要的知識點進行回顧和強化記憶，并基于現(xiàn)場回答、“學習通”隨堂測驗等方式開展測驗，計入平時成績。通過實測成績觀察學生的課程學習效果是否達到教學目標，時間占比在3～5分鐘。

（六）總結(jié)

課程總結(jié)旨在通過系統(tǒng)梳理本節(jié)課所學的知識點，進一步加深學生對所學知識的印象。不同于傳統(tǒng)課堂上以教師為主的總結(jié)模式，BOPPPS模型更強調(diào)學生的參與性和互動性。通過隨機提問的方式讓學生總結(jié)補充，再由任課教師進行強化、鞏固和提升，時間約為3～5分鐘。

三、課程評價體系改革

一門課程的考試評價模式對學生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)起著重要的導向作用。在新工科背景下，應(yīng)由傳統(tǒng)的結(jié)果評價為主向過程性考核為主進行轉(zhuǎn)變，優(yōu)化考核方法，構(gòu)建結(jié)構(gòu)化考評體系。近年，教學團隊針對材料力學課程的綜合評價方法進行修正，將學生期末總成績分解為課堂互動（占20%）、課后作業(yè)（占5%）、團體作業(yè)（占5%）、期中測評（占10%）、實驗報告（占10%）和期末測評（占50%）六大部分，以全面體現(xiàn)學生的課堂參與度、學習主動性、團隊協(xié)作和動手實驗等方面的研究性能力。這一課程體系改革促使學生更加注重日常學習的積累，積極參與BOPPPS課程授課的各個環(huán)節(jié)，有效減輕了學生期末考試的壓力。同時，教師通過對學生上述各部分成績的綜合分析，進一步優(yōu)化了課程設(shè)計，提升了授課效果。

四、結(jié)語

在新工科背景下，教學團隊將BOPPPS教學模型融入材料力學課程教學，并對教學案例庫、教學課程設(shè)計和考核體系進行優(yōu)化，這一系列舉措顯著提升了學生的課堂參與度。課堂學習氛圍日漸濃厚，學生平均成績顯著提升，課程不及格率從最高的30%降至10%以下。力學競賽是檢驗力學創(chuàng)新人才的“試金石”，河南工業(yè)大學在周培源全國大學生力學競賽和河南省大學生力學競賽等各項力學賽事的參賽人數(shù)和獲獎比例逐年攀升，這進一步體現(xiàn)了課程改革所取得的顯著教學效果。

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責編：應(yīng) 圖