新工科背景下地方高校材料力学金课建设路径与探索1)

2020-05-18许晨光

力学与实践 2020年2期

徐锋范剑许晨光

∗(台州学院航空工程学院，浙江台州318000)

†(浙江大学宁波理工学院，浙江宁波315000)

过往的很长时间里，高等教育中“三重三轻”现象普遍存在，即“重教书、轻育人，重智育、轻德育，重科研、轻教学”[1]，造成的结果之一是低阶、陈旧、灌输、封闭和不用心的“水课”蔓延，使人才培养离既定目标渐行渐远，也造成了高校教学资源的极大浪费[2]。2018 年11 月教育部高等教育司司长吴岩在第11 届大学教学论坛上明确表示应率先在新工科等“四新”建设中打造“金课”，把“金课”作为“四新”建设的重要内容抓出成效。而且特别申明了国家级“金课”中要包含相当比例的地方高校“金课”，“金课”不是只为部属院校而设，中国高等院校所有的好课都可以选作国家级“金课”[3]。

1 存在问题

“金课”课堂之“金”在于：高阶开放、对话质疑、知行合一、学思结合。特别是在新工科建设背景之下，培养多元化、创新型的卓越工程人才更需要“金课”作为基础支撑。而地方高校作为直接服务地方经济社会发展的区域与行业科技服务基地和技术创新基地，在人才培养、课程设置和“金课”建设上亦应突出应用型特色，但目前仅从材料力学课程来看，教学重点仍集中在对概念的理解和公式的运用上，忽视了课程的应用性及其与工程实践的密切联系[4]，教学模式仍以知识传授为主(以教为主)，课堂状态仅能停留在回答(answer)或低质量的互动(dialogue)，很难做到质疑(critical)和辩论(debate)。而且，由于课程理论性强、力学模型抽象，学生难以与实际工程紧密联系，造成他们在学习过程中对课程重视程度不够，觉得课程枯燥乏味等现象，难以在教学中培养学生的创新意识和工程思维能力，这与地方高校的应用型培养目标和“金课”建设的内涵均存在一定差距。近年来，围绕工程教育理念，一些教学工作者就材料力学的教学改革进行了一些有益的探索，如CDIO 模式[5]、翻转课堂[6]、探究式教学法[7]、课程体系建设[8]、团队建设[9]等，但对标“金课”内涵的具体实效性的讨论，特别是反应地方院校特色的材料力学教学改革的高质量研究尚不多见，因此，能够因地制宜、因材施教的可借鉴方法不多，但构建主义理论认为环境和学习者的个体特性对学习结果具有决定性作用[10]，抛开地方高校的具体环境和学习者个体特性来讨论材料力学“金课”建设也很难有实质性效果。

目前，地方高校材料力学课程面临的具体问题主要集中于以下三个方面。

(1) 教学环境变化。随着新工科和卓越计划的推进、地方高校转型升级，课程设置、教学目标及培养定位等变化明显，但基础力学课程的教学大纲、内容和目标，教学方法、形式和手段更新及应对速度缓慢，造成“教”与“学”不匹配；

(2)教学过程困难。受到课程内容理论性强、工程模型抽象、课时压缩、理论与实验错位等因素影响，学生学习过程中常遇到机构看不懂、原理弄不清、公式不理解等问题，多数学生对课程有畏难厌学情绪；

(3)教学结果不理想。课内外实践环节缺失，课程考评指标和方法陈旧，以至于教学双方在利用基础力学解决实际问题的工程思维和创新能力的培养上均动力不足。

材料力学课程作为工科学生接触到的最早涉及工程问题的专业技术基础课程，承担着培养学生的逻辑思维、力学建模和解决复杂工程问题能力的任务和目标，课程承前启后，地位举足轻重，课程质量的“水”或“金”直接影响后续的机械原理、结构力学、课程设计乃至毕业设计等重要课程和实践环节。如何在夯实学生力学理论的基础上培养他们的工程思维和实践创新能力，激发学生的学习动力和专业志趣，建设有深度、有难度、有挑战度的“金课”[11]已成为新工科背景下地方高校打造材料力学“金课”亟待解决的问题。

2 应对策略

基于上述存在的问题，总结下来，材料力学课程要达到“金课”内涵需要转变传统的教学观念，改革教学内容、方法和评价策略。前者是认识的关键，后者是实践的关键。

2.1 教学内容改革

教学内容之改革应致力于从主要取决于教什么向主要取决于学什么转变。前者基于课程导向教育理念，后者基于成果导向教育理念[12]。地方高校正在紧跟步伐尝试走工程认证的路子，以课程目标、毕业要求和培养目标为导向反向设计材料力学的教学内容，即遵循着“社会需求→培养目标→毕业要求→课程体系→课程目标→教学内容”的逻辑关系来重组材料力学的知识模块(如表1)，在新工科建设和卓越工程2.0 的推动下，能够契合地方产业特色的多元化和创新型人才的培养是材料力学课程内容模块设置的主要依据。根据逻辑目标的递进关系，材料力学课程把内容分成了由易到难的四个模块，即基本概念、宏观分析、微观分析和综合训练，培养学生利用材料力学知识凝练问题、分析问题并综合解决复杂工程问题的能力(图1)。对于应用型的地方院校来说，要明确复杂工程问题的内涵，根据学校定位和学生层次确定“复杂”是意味着综合而不是仅指繁琐、困难之意。

表1 基于成果导向的知识模块重组

图1 课程多元化教学方法的实施策略

在实际教学过程中，(1) 基本概念讲解要抓住本质和细节，注重知识之间的逻辑关系，譬如：不仅要讲好应力是什么，还要讲好应力与平均应力的区别，更要让学生明白为何要引入应力参数；不但要能梳理基本变形的知识体系，还要讲清楚引入单元体和应力应变状态分析的原因，让学生在学习的过程中体会知识内在的逻辑和连贯性，而非孤立被动的接受知识；(2) 对于学生分析问题能力的培养，要引导学生总结材料力学解决问题的逻辑思路，譬如：宏观分析模块的基本变形问题都可以由“外力→内力(图)→应力(变)→校核”的思路解决问题；而微观分析模块则在培养学生分析能力的基础上更要强调对综合知识的运用，为综合训练模块打好基础；(3) 对学生综合能力的培养，要根据学生能力水平和学习定位来确定工程问题的难度，重在综合知识的融会贯通，而非仅强调难度的增加，而综合能力亦不仅局限于知识的运用能力，还有协作和交流能力，阐述和表达能力等等，譬如：可以通过课内外实践环节，如分组讨论、调研和汇报的方式加强综合能力的锻炼。

2.2 教学方法改革

教学方法之改革应致力于从主要取决于怎么教向主要取决于怎么学转变。前者是以教为中心的教学模式，后者是以学为中心的教学模式。注重学生特质和水平，改变以教师、课堂和教材为中心的传统模式，让学生成为教学的主体，主动求知，积极探索，勇于质疑，学思结合。

为了有效促进学生对材料力学课程学习的志趣，我们做了“多微”素材的探索，譬如：(1) 对于工程模型抽象的示意图、原理图采用微视频形式展现，利用启发引导或专题形式展开课堂讨论，从“理论→模型→工程→模型→理论→计算”的循环路径中让学生掌握基础力学与工程问题之间的关系，培养他们的工程思维和解决实际复杂工程问题的能力。(2) 让学生对某些运动机构仿制简单模型，在“微实践”中培养他们相互协作和沟通能力，并从实践中体验基础力学课程对后续专业课程的重要支撑作用，从而提高他们学习材料力学课程的动力和兴趣。(3) 考虑到目前课后作业因抄袭现象严重已无法了解学生的真实学习状况，可以通过对重点知识模块进行课堂“微测试”，阶段性考核学生对知识的掌握程度，并及时做出教学调整。但在课时已经压缩的情况下利用课堂时间进行测试，要求教师能够把握知识模块的“精讲”原则，充分利用以“教”为主向以“学”为主转变的教学理念。(4) 对于重、难点知识在章节结束时可以利用“微课堂”模式进行翻转课堂，让学生形成“教学小组”制定“微教案”，走上讲台讲述其对该知识的理解，分享学习经验。多微素材的创建真正实现了让学生在“做中学、学中做”，不仅“学知识”，而且“长能力”。

同时，为了丰富教学手段，充分利用线上教学资源，为课堂教学提供有效补充，我们还尝试了譬如：(1) 建设精品在线开放课程，创建云班课，让学生摆脱时间和空间制约，随时拿起手机，学习知识难点，开展线上头脑风暴；(2) 开发新形态教材和云教材，让书本变成可立体交互的多媒体平台，让自主学习更轻松有趣；(3) 开发虚拟实验教学平台，让学生通过虚拟“微实验”系统搭建构件的载荷和变形形式，观察结构基本变形的实验现象，以虚补实、虚实结合，解决理论与实验课程错位问题。等等诸如此类的因地制宜、因材施教的教学过程建设希望能够让学生充分认识基础力学课程的本质是“重要的、有用的、有趣的”，从而改变学生学习过程中的畏难和厌学情绪。

2.3 教学评价改革

教学评价之改革应致力于，从主要取决于教得怎么样向主要取决于学得怎么样转变。前者是投入导向的评价，后者是产出导向的评价。限于现有考评机制导向，教与学双方仍把重点放在了考试结果上，而考试结果并非教学根本之“产出”，和地方高校的培养目标也并不一致。适当降低笔试分值比例，增加“非笔试”环节在考评中的比重，注重过程性考核和评价可以有效激发教学双方在课内外实践的主动性。

因此，制定灵活柔性的考评策略，并注重以产出为导向的持续改进，可以不断激发学生创新与实践热情，譬如：(1) 现有综合测评方法往往采用“平时＋期中＋期末＋实验”模式，只有平时这一项为“非笔试成绩”，以往的平时成绩基本由“课后作业＋点名”来确定，由于课后作业抄袭严重，点名的强制性引起学生反感等，平时成绩已很难客观反映学习情况，而且无法激发学习兴趣，更难以培养学生参与实践的热情，图2 中列举了一部分“非笔试”的实践形式(但不仅限于此)，由学生根据个人能力和兴趣爱好选择其中一种(但不限于此)的方式完成实践项目，对于能够体现创新能力和工程思维能力的项目还可以通过“微课堂”形式由学生亲自上台讲解，并在平时成绩中给予较大分值比例；(2) 各环节的具体比重需要体现柔性机制，柔性不是任意，既可以对某一类别的非笔试项目规定分值，也可以根据学生的整体表现对各环节的比重做调整；(3) 柔性考评中已基本忽略了传统的课后作业，取而代之的是不定期课堂测试环节，教师布置课后作业由学生课下自觉完成，而以课堂测试来检验教学效果，作者从过去两个学期的实施情况来看，一定程度上实现了教学双赢；(4) 强调学生在新的考评机制中的主体作用，注重以产出为导向的柔性考评机制的持续改进，不断提高教学效果对培养目标的达成度，让柔性考评机制形成良性闭环系统。

图2 灵活柔性的考评策略

3 实践效果

经过近两年的教学实践，学生对材料力学课程的认知和态度从“闻风色变”到逐步改观，学生反馈和评价集中在“课程与专业关系密切，实践性强，老师认真负责，上课充满激情，教学方法适合”等。在理论课时不断压缩的情况下，通过知识模块调整、精讲多练和线上课堂等手段，从深度和难度接近的期末测试结果分析来看，学生的卷面及格率仍稳定在70%以上(72.81%/2016年，70.73%/2017年)，相比过去多年60%以下的卷面及格率而言，提升10%以上。而通过加强非笔试环节的考评和师生双方的重视和努力，学生在撰写报告、力学竞赛、模型制作等能力方面也有了较大提升，共获得省级大学生力学竞赛一等奖1项、二等奖3项，三等奖5项，实现学校在此项赛事的重大突破。在全国大学生包装结构设计大赛中，以有限元法分析包装结构力学性能的参赛作品“植物秸秆包装容器结构设计及有限元分析”获全国二等奖。在课程对专业培养目标的达成度分析中，分析工程问题、清晰表达设计目标、实施机械领域相关实验等方面表现良好(当量值分别为0.86/0.82/0.90)，学生在知识和能力上的全面提升也为“高水平、应用型”培养目标和专业认证做出一定贡献。另外，经过多年努力和摸索，课程组的青年教师的教学水平也得到了大幅度提升，多位教师获得省、校级教学技能大赛奖项。2016 年，作者获得了浙江省第九届青年教师教学技能竞赛一等奖。材料力学课程也通过学生反馈，专家听课以及现场会评等环节最终被评为校首届“魅力课堂”，多年课程建设成果也获得了校、市级教学成果二、三等奖。青年教师的快速成长是对课程教学不断摸索的成果之一，也更高效地反哺着课程教学。