新工科背景下基于WACOM 与雨课堂的基础力学课程教学改革实践

李 勇，王 琛，戴 峰

（1.山东大学 齐鲁交通学院，山东 济南 250000；2.山东大学 土建与水利学院，山东 济南 250000）

结合新时代发展形势、国家重大发展战略以及应对新的科技与产业革命，教育部于2017 年开始推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”。2017 年2 月，教育部发布的《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》中强调，新工科研究和实践要围绕工程教育改革的新理念、新结构、新模式、新质量和新体系开展。新工科建设是全局考量，是在新科技、产业革命和新经济背景下工程教育改革的重大战略选择，是今后我国工程教育发展的新思维和新方式。相比于传统工科教育，新工科在强调人才培养的新模式和教育教学的新质量的基础上，更加强调学科的实用性、延续性、交叉性以及综合性，要求新工科人才具备更强的实践能力、创新能力和国际竞争力。为了探索新的中国工科人才的培养模式，我国于2016 年6 月成为国际本科工程学位互认协议——《华盛顿协议》的正式会员。加入《华盛顿协议》是促进中国工程类人才培养迈入国际标准、提高工程技术人才培养质量的重要举措，对中国工程技术领域应对国际竞争、走向世界具有重要意义。由此可见，新工科背景下对人才的培养模式及培养方式提出了更高的要求。

基础力学课程是土木工程、交通工程、道路桥梁与渡河工程、城市地下空间工程、航空航天工程、机械工程、建筑环境与能源应用工程、给排水科学与工程、建筑学和工程管理等诸多理工科专业的基础课，是大部分学生在本科阶段较早接触的专业基础课程，具有非常强的理论性与实践性。同时力学也是现代工程应用技术的坚实基础，是基础学科与应用学科相结合的复合型学科，其既作为土木、机械制造和材料科学等的基础，又作为应用学科解决相关专业的力学工具，是工科类人才今后从事相关研究及工作的基础，同时也是新时代建设新工科的重要抓手。因此，在新工科背景下对基础力学课程进行教育教学改革具有鲜明的时代及实践意义。

随着互联网、大数据等信息技术以及计算机技术的快速发展，以智慧教学手段为代表的混合式教学不断涌现并不断丰富。同时微课、MOOC 等多种形式的教学手段和方式不断完善发展，智慧教育的开放、共享、交互、协作和泛在等特性越发明显。以智慧教学手段为代表的混合式教学手段一方面以教师本身为主导，继承传统课堂教学能够充分对学生进行引导、较好完成教学过程的优势；另一方面，该教学模式可以发挥学生作为学习主体的中心作用，实现以学生为中心，尽可能充分地调动学生学习的自主性、积极性和创造性的目标。混合式教学能够更好地适应新时代新工科背景下对工科类人才培养的新的更高要求，是新工科背景下教育教学改革的重要手段和有力工具。

雨课堂是由清华大学在线教育办公室组织研发的智慧教学工具及教学平台，其已被广泛应用于计算机、临床医学教学、物理以及物联网等课堂教育及教学改革实践中，并取得了良好的教育教学效果。本文基于智慧教学工具雨课堂和WACOM 智能手写板对基础力学课程教学进行探索、改革与实践，旨在新工科对工科人才新的更高要求的背景下进一步提高基础力学课程教学质量，夯实学生基础力学理论知识素养，同时探索新的课程教学方式。

一、基础力学课程教学现状及问题分析

山东大学工科类基础力学课程主要有理论力学、材料力学和结构力学等，涵盖土木工程、材料和机械等多个学院的数千名本科生教学，后续准专业课程如弹性力学、岩石力学和流体力学等则涵盖各个学科的本科生、硕士研究生及博士教学。基础力学课程及后续专业力学课程所阐述的基本原理、方法和理论知识是工科类人才熟悉、理解和掌握其相关领域工程技术的基础，也是今后从事相关科研工作的基石。“九层之台起于垒土”，在新工科强调人才具备更强实践能力和创新能力的背景下，“厚基础”是实现这一目标的重要出发点。

结合基础力学课程特点，综合其教学现状分析可以发现，一方面在授课模式上，基础力学课程理论性强，传统教学模式未能充分调动学生学习积极性，教师过度依赖传统多媒体教学工具，课件展示成为“课件领读”，未能发挥教师在课程教学中的引导作用。此外，课堂上学生的反馈是教师评估及评价学生对课程内容理解、接受及掌握程度一个重要指标，而传统教学模式缺少相关的评价或评估途径；另一方面在课程评价体系上，基础力学课程多为课后作业和期末考试相结合的评价标准，对于学生在课前的准备阶段、课堂上的具体表现以及课程参与度，由于教学手段的不足而未能合理评价，难以调动学生学习积极性，导致基础力学课程教学效果不佳。

1.“教”“学”枯燥，课程效果不佳。基础力学课程授课形式多以多媒体为工具(如PPT 结合投影仪)，教师采取口头讲授结合部分板书进行教学，课程内容中涉及的推导公式过程烦琐、枯燥，重复性、机械性工作较多，教师授课及学生学习效率较低。

2.课堂授课效果不佳。近年来，随着学科分类不断细化，基础力学课程的授课学时相对削减。而基础力学课程内容理论性很强，课程内容前后联系紧密，学生如对某节内容把握不牢，可能会对后续课程学习造成影响。但是传统教学模式未能充分调动学生学习积极性，教师的“教”大于学生的“学”，学生对于知识的理解及掌握程度落后于教师的授课进度，同时课堂及课下师生之间互动较少，导致教师对学生掌握知识点的程度了解不足。

3.课程评价体系不完善。传统的基础力学课程评价主要依赖于学生课后作业的完成程度和期末考试所得分数，评价标准过于单一，忽视了学生在课前及课程授课期间的参与程度，缺乏对学生课程参与的评价，造成学生课堂注意力不集中，学习效率低下的问题。

4.疫情常态化对传统授课的新要求。疫情防控常态化对教学方式提出了新的要求。通过对疫情期间线上教学课程总结分析可以发现，传统的线上授课方式过于强调教师的“教”，师生互动严重不足，学生在线上教学过程中的参与度相较传统的线下教学更低，甚至会出现学生“挂课”的现象。

因此，针对基础力学课程教育教学过程中存在的问题，亟需对现有基础力学课程的授课方式、内容呈现形式及课程考核评价方式进行探索、改革与实践，一方面增加师生课堂互动程度、提高课堂教学及学习效率，实现课前、课上及课下的全过程师生互动及课程考核；另一方面，将教师从传统的教学方式中“解放”出来，激发教师的教学主动性，完善线上线下相结合的教学方法与手段。

二、基于WACOM 和雨课堂的教学改革实践

(一)WACOM 手写板及雨课堂简介

1.WACOM 手写板。WACOM 手写板是一款直觉式输入设备。教师准备教案时，可以直接在手写板上书写、修改或批注PPT 教案。教师授课时，手写板与教学电脑连接（图1），教师可以使用手写板进行板书、批改和笔记等功能。WACOM 手写板更加符合教师的书写习惯，可以有效避免粉笔粉尘对师生健康的危害，同时手写板强大的呈现功能(如不同颜色的批注、图画等)及用户交互功能可以有效提高教学于课堂的教学效率，同时也可以有效集中学生的注意力，提高学生学习效率。

图1 手写板与教学媒体嵌合使用示意图

2.雨课堂。雨课堂是清华大学和学堂在线共同推出的新型智慧教学平台，它将信息技术手段融入到PowerPoint 和微信中，实现了课外预习与课堂教学之间的联通。教师可在课前将带有视频、习题和语音的预习课件推送到学生手机，课堂上可实现实时答题、弹幕互动等，科学覆盖了课前-课后-课上的整个教学环节。以雨课堂为代表的智慧教学平台的出现极大程度地解决了教学过程集中于线下课堂的问题，使得教学过程得到了较大的扩展（从课堂到课前和课后的延伸）。

（二）基础力学课程教学改革内容

针对现有基础力学课程授课方式与课程评价方法存在的不足，在充分考虑并利用WACOM 和雨课堂的突出优势的基础上，依据笔者较为丰富的基础力学课程教育教学经验，针对基础力学课程教育教学基本流程（图2）及改革主要内容如下。

图2 基于WACOM 和雨课堂的基础力学课程教学改革流程图

1.制定教学改革方案

（1）教学改革目标。通过引入新的教学工具WACOM及教育教学平台雨课堂，改变原有基础力学课程授课方式，完善课程评价机制，提高学生学习积极性和学习效率以及教师授课质量，夯实学生基础。根据基础力学课程的学时安排，制定适用于基础力学课程的教育教学方案。

（2）依据基础力学课程的教学重难点、知识结构体系及学生掌握程度等要求，结合雨课堂智慧教学平台优势，充分发挥WACOM 手写板的功能优势，对已有的多媒体基础力学课件进行相应的再设计、再排版，突出基础力学具体课程重点，设计并确定课堂互动点及评分标准。

（3）针对新工科更加强调工科人才实践及动手能力的背景，在课程设计过程中增加相关实例及实际工程案例（如针对理论力学课程理论性及高度抽象化特点，授课中多加入图片和小实例以帮助学生理解相关内容；针对结构力学课程，其主要研究工程结构受力和传力的规律的特点，在授课课件中增加具体工程实例及案例分析），寓学于实际；在授课过程中增加小组讨论及结果呈现环节，学生在呈现个人观点的过程中引导学生独立思考。

（4）建立全过程（课前-课堂-课后）课程考核机制。充分发挥雨课堂在线教学的强大优势（如在线签到、随机抽签、线上答题和弹幕互动等），对学生课前预习与准备、课堂参与度和课堂提问反馈情况以及课后习题完成情况分别进行量化评价，综合考虑学生具体情况，告别以往传统教学考勤+考试成绩的单一的课程考核机制。

2.教育教学改革的实施

（1）课前阶段。教师于课前（提前一天）将本次课程预习内容和要求及相关课件上传至雨课堂平台，要求学生根据课件内容进行预习，同时反馈疑问。教师明确、掌握学生学习困难之处，学生及教师均带着问题进入课堂，可以极大地提高课上学习效率。

（2）互动式的授课模式。课堂上进行教师授课、课上提问（雨课堂平台）、WACOM 手写板展示、雨课堂弹幕讨论和单元内容线上答题等穿插互动式教学，提高学生课堂注意力及学习效率。针对课前学生对于所学内容的反馈情况，教师有针对性地对学生难以理解、掌握的相关内容进行着重讲解，可以在很大程度上提高授课效率。同时，学生课堂参与度及雨课堂后台学生答题情况将作为考核指标计入平时成绩。

（3）课后总结阶段。课后教师根据课上情况总结问题并据此对课件展示及课程内容进行调整，同时将课堂上学生反馈的难重点部分进行细化总结后通过雨课堂平台发送给学生，便于学生加强对课程内容薄弱环节的学习，提高并夯实学习效果。教师根据课后习题批改情况，再将课程难点及易错点通过雨课堂反馈给学生，同时征集学生对教学改革方式的意见及建议，形成“教”与“学”闭环，促进教学质量的提高。

（4）课前-课上-课后全过程课程考核机制。有效且全面的考核方式是促进学生学习，提高学生积极性及全面反映学生对课程掌握情况的重要途径。采用课前考核（预习与预习反馈情况）占比20%、课堂考核（课上参与度、讨论及线上答题情况）占比40%和课程考试占比40%相结合的课程考核形式。

（5）教学反馈形成闭环（图2）。教师通过实际教学过程的体验以及学生的反馈意见不断调整教学方法和过程、评价机制及指标，完善教学方式方法，逐步实现基础力学课程教育教学改革目标。

三、教学改革实践总结

通过对基础力学课程改革实践，在传统教学方式的基础上引入WACOM 和雨课堂等新型的教学工具及智慧教学平台，一方面突破了传统教学过程中时空和地域的限制，加强了学生与老师之间的互动和联系，尤其是雨课堂与微信的深度融合，更加拉近了课堂与学生的距离，学生在“聊天”中即可学习；另一方面，新型授课方式和授课内容的呈现形式增加了基础力学授课的趣味性，学生课堂参与程度明显提高，课堂氛围更加活跃，学生自主学习的兴趣及能力以及授课效果显著提高。同时，轻松且高效的教学方式减轻了教师负担，学生在课堂上参与程度的提高及对教师授课的积极反馈，也提高了教师的教学积极性，对学生和教师是一个双向促进的过程。其次，课程考核体系更加完善，学期课程全过程、课内课外同时考核的考核方式受到学生们的热烈欢迎，同时对于夯实学习效果、提高学习效率具有十分重要的引导作用。最后，新兴教具及平台的使用有助于丰富、扩展教育教学方式。在基于WACOM 和雨课堂的基础力学课程教学改革实践过程中，笔者发现，该混合式教学手段不再过分依赖传统的课堂教学方式，老师和学生可以做到异地“教”“学”、线上“教”“学”，同时由于学生课程、课堂参与程度的提高，其教学效果明显好于传统的线上授课方式。

“十年树木，百年树人”，教育是一个长期工程，而教育教学改革同样也非一日之功。必须看到，对于传统的基础力学课程以及各个学科的教育教学改革是一个庞大的系统工程，需要广大教育工作者以及各个学段学生的共同努力。在应用新的教学方式过程中，前期需要教师付出大量的精力与努力，同时也需要在授课过程中与学生不断地交流沟通，不断地反馈调整，才能得到新的成熟有效的教育教学方式，才能实现教育教学改革的目标，为国家培养更多更优秀的人才。

四、结束语

新工科背景下国家和社会以及行业对工科人才提出了新的更高的要求，这就要求工科人才培养的前沿阵地——高校必须顺应时代要求，不断变革教育教学方式，以培养更多符合时代要求的高素质工科人才。本文以基础力学课程改革为出发点，借助WACOM 手写板和雨课堂智慧教学平台，探索出基础力学课程新的、更加高效的教育教学方式，提高了学生的学习兴趣、课程参与度以及课程教学质量。但是，更多不同学科、更多新型教学工具与现有的教学平台的结合，更加全面、更具有针对性的课程评价体系的建立等方面还需要广大教育工作者作进一步的探索、完善及实践。