理论力学挑战性学习教学设计改革初探

盛鹰，张玉奇，贾彬，刘筱玲

（西南科技大学 土木工程与建筑学院，四川 绵阳）

当今我国经济的高质量发展和国家战略改革的深入实施，对高等教育事业提出了新的挑战。为了使新形势下的人才具有更好地适应当今和未来社会、经济发展所需的综合能力，这就要求大学生在课程学习中必须要经历求知探索、实践动手、创新创造、心理抗压、综合素质等多方面的磨练与提升。而目前的高校课程挑战度不足，成为了制约本科教育发展的一大瓶颈[1-2]。

基于此，教育部于2018年提出了“金课”概念和“两性一度”的金课标准，即高阶性、创新性、挑战度。而建设挑战性学习课程是落实教育部“以本为本，回归常识，建设一流本科”要求的重要举措，是打造金课的重要途径。“挑战性学习课程”就是以挑战性问题为核心，以知识的综合应用为支撑，让学生“痛并快乐着”，通过激发自我，调动自身潜力，积极思考，主动探究，促进创新思维与创新能力培养，不断提高挑战问题和战胜困难的勇气与能力，最后享受成功的喜悦[3-4]。目前我国已先后在清华大学、复旦大学、南京大学、电子科技大学等高等学校进行了挑战性学习课程的示范建设，从以前的关注“教”转为更多地关注“学”，从以前的知识传授型的人才培养模式逐步转变为能力提升型的训练模式[5-6]。

著名教育家苏霍姆林斯基曾说过：“在人的内心深处，都有一种根深蒂固的需要，那就是希望自己是一个发现者、研究者和探索者。”因此，挑战性学习课程改革的基本内涵就是：在教师的引导下，让学生探究性的学习行为能够真正发生[7]。理论力学是一门重要的工科专业基础课，在机械、土木建筑、航空航天等工程技术领域中有广泛的应用。但该课程具有理论性强、应用面广、知识量大、不易理解等特点，是学生公认的一门难课[8]。本文拟以理论力学课程为例，提出开展挑战性学习教学设计改革的思路和方法。

一 理论力学挑战性课程设计的基本模式

传统的理论力学课程教学普遍存在以下五个教学痛点问题，如图1所示。其中，最突出的是课程挑战度不足，学生学习兴趣不足，不能学以致用。

图1 传统理论力学课程的教学痛点问题

针对上述问题，我校理论力学课程建设团队已开展了相关改革，在创新型教学组织模式、挑战性案例与问题研讨、多元化课程考核方式等方面积累了一定的经验。在挑战性学习课程与金课建设潮流的引领下，为进一步提升“新工科”背景下应用型技术人才的培养质量，提升学生学习兴趣和课程挑战度，需要开展基于金课标准的理论力学挑战性学习课程改革。

理论力学挑战性课程设计的总体思路如图2所示。

图2 理论力学挑战性课程设计总体思路

在理论力学课程挑战性学习教学设计中，对案例选择、教学组织模式、教学活动设计、教改成果评价等关键环节遵循的原则及采取的举措如下：

1.挑战性案例与问题的选择、研究、评价和比选。结合校情与学生学情，突出工科学生对知识的应用实践，选择科学发展史的力学问题、工程中的力学问题、新闻中的力学问题、身边的力学问题、与认知相悖的力学问题、科研案例与社会实践等作为挑战性案例，选择的案例既要能吸引学生兴趣，又要具有让学生“跳一跳”能够解决的适度的挑战性。换言之，案例的选择要着眼于学生的现有水平和可能的发展水平，通过开展适度高于学生现有水平的学习和训练，促使其发挥潜能、实现超越，不断提升学生的应用能力、创新能力和专业素养。

2.挑战性课程教学组织模式和教学活动的设计。践行“以学生学习和发展为中心”的教学理念，设计多样化教学组织模式。在课堂教学环节，开展研讨式教学、小组制互动研讨、问题研讨、案例研讨、翻转课堂设计等创新教学方法，将最新的学术研究和科技发展前沿成果引入课程，营造生生互动、生师互动的良好课堂氛围，提高教学时效性和课程挑战性，实现“1＋1＞2”的互动效果；在课外探究环节，指导学生围绕挑战性问题开展探究学习，通过制定任务卡、团队合作、集智攻关、试验设计、答辩、比赛等方式，提升学生挑战自我、学以致用的能力；在课程考核环节，以提升教学质量、利于学生学习、提高教学效果为出发点，结合过程考评和试卷考评，制定合理有效的过程评估标准，包括评价评分量表的设计、课堂参与度与讨论活跃度的合理评估等，充分发挥考核的评价和导向作用，保证挑战性课程改革效果。

3.挑战性课程教改成果推广与“金课”建设。在课程结束之际，通过反馈性调查评估挑战性课程的教学效果。不断总结、反思挑战性课程在体现“新工科”教学理念、实现“两性一度”内涵与外延中的不足，探讨影响挑战性课程教学的主要驱动因素和主要限制因素，持续优化改进，最终形成一整套可操作性的运行机制和管理机制。在理论力学挑战性课程建设过程中，同步推进“金课”建设，把理论力学打造为适合学生特点和人才培养需要的“金课”。

二 理论力学教学中加强课程挑战性训练的实践举例

下面举例说明在理论力学课程中如何选取具有挑战性的案例，如何引导学生将在案例探究中深化对知识的理解，化知识为能力。

理论力学分为静力学、运动学、动力学三部分。静力学研究力的性质、力系的简化方法和力系的平衡理论；运动学从几何的角度研究物体的运动规律而不考虑产生运动的原因；动力学研究物体的运动变化与作用力之间的关系。每部分讲完后，把学生分成若干个小组，每个小组抽签选取一个与该部分知识相关的工程实例进行开展调研分析并作展示。所有案例无唯一标准答案，鼓励同学们通过查阅资料、组内讨论、发散联想等方式找到言之成理的解释。

比如，静力学内容讲完后，给同学们布置的代表性挑战性案例作业有：

1.在山西省浑源县有一座“悬空寺”，距今已有1500年的历史，如图3所示。整座寺院就像悬挂在悬崖上，以如临深渊的险峻而著称，素有“悬空寺，半天高，三根马尾空中吊”的说法。请分析悬空寺是如何“悬空”的？该案例将静力学约束中抽象的“固定端”具体化，引导学生结合具体案例分析“固定端”是如何构造的。

图3 “悬空寺”外观图

2.直升飞机提升重物时有“单点”和“双点”两种悬挂方式，如图4所示。请分析两种悬挂方式的利与弊。该案例考查的是直升飞机在提升重物时，在上升、前进、转向、下降、急停等多种工况下的受力平衡分析。

图4 直升飞机“单点”和“双点”悬挂方式

又比如，在动力学部分“质点动力学的基本方程”一章讲完后，给学生布置了一道极具挑战性的实践作业：通过对张衡地震仪的古文献记载“外有八龙，首衔铜丸，下有蟾蜍，张口承之。其牙机巧制，皆隐在尊中，覆盖周密无际。如有地动，尊则振龙机发吐丸，而蟾蜍衔之。振声激扬，伺者因此觉知。虽一龙发机，而七首不动，寻其方面，乃知震之所在。”请查阅文献并结合所学知识推断张衡地震仪的内部结构并说明其实现原理。关于张衡地震仪真实的详细结构，至今未现对其准确记载的古文献，故该案例的答案是丰富多彩的。各小组学生通过查阅文献并结合自己的思考，用3D打印机复原了不同的张衡地震仪，并在课堂上当场实验验证了测震效果，有效地训练了学生的创新创造思维和知识综合应用能力。再比如，在讲完动力学部分后，给学生布置了一道紧贴生活、又具有挑战性的分析案例：如图5所示，请分析车辆过减速坎中的动力学问题。学生需综合考虑减速坎高度、汽车通过减速坎的速度、汽车车轮及其减震结构构造、减速坎对汽车寿命的影响等因素，得出有益的结论。

图5 车辆过减速坎中的动力学问题

三 理论力学开展挑战性课程设计创新和改革的建议

开展理论力学挑战性学习教学设计是一项创新工程，需要对传统教学模式进行全方位改革。主要改革途径和创新点如下：

1.课程首先要从教学理念、教学大纲开始改革，秉承“德育为先、学生中心、研学融合、持续改进”的理念，从课程的第一步开始规划，在大纲中融入“以学生为中心”的“建构性教学观”，根据课程总体特点与学生学情，重新优化课程结构，把重难点知识化抽象为形象，讲“有血有肉”的理论力学，即需要从课程根源进行创新和改革。

2.对课程教学设计进行全方位创新，教学设计细化到每一节课、每一分钟，把每一节课采用的教学组织模式、教学方法、教学案例、挑战性问题设计、教学效果预估、实际教学效果评价与反思等详细写入教学设计中，让每一节课都是充满创新和富有挑战性的设计，按照金课标准建设课程，这需要对传统教学方式在课堂教学环节的全过程进行创新和改革。

3.把教学分为第一课堂和第二课堂，让课程的挑战性从课堂延续到课外，并注重对学生课外开展挑战性问题探究的指导，对学生的优秀探讨成果鼓励发表论文、参加竞赛、申报专利等，进一步拓展挑战性课程价值的延展性，这需要对课程在第二课堂开展创新和改革。

4.对课程考核方式进行改革，采用过程考评和试卷考评相结合的多元化考核方式，建立多元化课程考核量表，细化课程学习过程的考核衡量标准。这就打破了传统“一考定乾坤”的单一评价模式，有助于激励学生认真对待每一节课，进而保证挑战性课程改革效果，这需要对考核评价和导向机制进行创新和改革。

四 结语

本科生教育是高等教育的重中之重，提高高校课程挑战度是提高本科教育发展的重要途径。本文以理论力学课程为例，提出了基于金课标准开展挑战性学习课程教学设计改革的探索与实践方法，体现了对传统教学方式的全方位创新和改革。对教学理念、教学大纲的改革是重要基石，对课堂教学环节的创新设计是核心途径，对第二课堂的创新改革是推广延伸，对课程考核方式的改革是根本保障。