新工科背景下地方院校“材料力学”混合式教学模式的探索＊

陆 静，袁丽芸

（广西科技大学机械与汽车工程学院，广西 柳州 545001）

为主动应对新形势下的科学创新与技术变革，2017年起教育部积极推进新工科建设，并于2020年启动了第二批新工科研究与实践课题，新工科已经成为中国未来高等工程教育改革的指导方针。新工科旨在培养具有创新创业能力、跨界整合能力、高素质交叉复合型卓越工程科技人才[1]，因此，更加宽厚的基础知识和灵活的科学思维就成了新工科人才培养的必然要求。力学是科学与技术的桥梁，是现代工程技术的坚实基础，同时，力学思维是“从工程到数学，再从数学到工程双向互馈的思维方式”[2]，由此可见，力学类课程是新工科应用型人才创新思维和创新能力培养的重要基础。

“材料力学”课程是工科学生接触到的第一门与工程问题紧密相关的专业基础课，也是数理基础课和专业课的重要衔接课程，这门课程的教学效果不仅对后续课程的学习有重要的影响，对学生创新意识和工程思维能力的培养也起到举足轻重的作用。根据新工科对人才培养提出的新要求，多数地方院校都对教学计划进行了修订，大幅增加了实践类课程，相应地减少了理论课的学时，“材料力学”课程的课时数也持续收缩。一方面，新工科对学生的工程素质和能力提出了更高的要求；另一方面，“材料力学”课程的学时不断减少，因此，如何更新教学理念和教学方式，推进“材料力学”教学与信息技术的深度融合，切实提高教学的质量和效率，成为“材料力学”课程改革的主要内容。袁圆[3]分析了各类线上教学平台和智慧教学模式的特点。张志强等[4]对“材料力学”的远程教学、线上教学、线上资源建设和线上远程教学测试等进行了探讨。黄丽华等[5]总结了大连理工大学“材料力学”课程的MOOC建设和应用成果。杨旭娟等[6]介绍了疫情期间综合运用中国大学MOOC、QQ、慕课堂和在线直播等方式实施“材料力学”多通道在线教学的具体实践和教学效果。徐锋等[7]通过云教材、多微素材等现代教学手段，培养学生的学习兴趣和工程意识，为新工科背景下地方高校“材料力学”金课建设提供了参考。

1 “材料力学”线下课程建设

地方高校作为直接服务地方经济社会发展的科技服务基地和人才培养基地，在课程设置和教学内容中应突显应用型特色。“材料力学”对数学和物理相关知识有较高的要求，且内容抽象、知识点零散，是一门“教师难教、学生难学”的课程，在学时缩减的情况下传统的线上教学很难满足应用型人才的培养目标。随着互联网的普及，线上线下混合式教学模式逐渐成为新形势下地方院校课程改革的主要趋势[8]。

由于“材料力学”课程的理论性较强，课堂教学仍是学生获取知识和能力培养的主要途径。但是，目前“材料力学”教学多数仍以教师为主体，采用单向灌输的方式将知识传授给学生，注重理论的逻辑性和完整性，教学重点在于概念的讲解以及公式的推导和应用，且在教学中忽视课程与实践的联系，因此，学生容易产生畏难和厌学情绪。为了在有限课时内达到课程的教学目标，教师应主动改变教学理念和教学方法，以培养学生综合能力和创新能力为目的精心组织教学，将课堂教学转变为学生为中心，教师为主导，通过探究式、启发式和互动式等教学方法充分调动学生学习的主动性和积极性；通过精心设计授课形式、合理质疑引导学生主动思考，并根据学习反馈及时调整教学内容，使学生在有限的时间和空间内实现学习效果的最大化。同时，在课程导入、例题讲解等环节应重视工程背景的介绍，以工程实例、社会热点、学科前沿等激发学生探索和学习的兴趣。

随着有限元等数值计算工具在工程中的广泛应用，手算在工程设计中的地位逐渐下降，“材料力学”的部分内容和计算技巧就显得陈旧烦琐，需要对教学内容和结构进行重塑，以提高课堂教学的效率。例如，在讲解超静定问题时，重点应在于基本概念和统一的解题原理，可适当弱化和删减不同变形结构的求解方法和步骤，将过去注重培养定量计算能力，转化为培养定性分析软件计算结果正确性的能力。由于知识传授的平台由单一的课堂转化为了线上和线下结合，因此，也应对“材料力学”的知识点进行分类和梳理，并安排在不同的教学环节讲授。但是，将教学内容分别安排在线上和线下会导致知识点产生相对的割裂，因此，在混合式教学中应更注重教学内容的关联性，根据学生线上线下的学习效果反馈及时总结和归纳，通过课堂总结和习题课帮助学生构建完整、连贯的力学理论体系。以4种基本变形为例，可以引导学生以受力特点、内力分布、应力和位移计算、强度和刚度设计为主线，将知识点组成一个有序的知识体系。然后，通过对拉伸、扭转、弯曲杆件强度和刚度影响因素的讨论，帮助学生更系统地内化知识。

2 “材料力学”线上课程建设

近年来，中国大学MOOC、雨课堂、云班课、超星等信息教学平台的出现为各高校教学提供了便利的辅助教学工具，使传统的大学课堂教学变得灵活、开放、高效、智能，极大地助推了线上、线下“混合式”教学模式的广泛兴起，促进了信息时代高等教育全新教学模式的改革和建设[5]。

线上资料库的建设是线上课程建设的核心内容。互联网和中国大学MOOC中有大量的优质教学资源，通过精心选择和组织后可以方便地将教学内容推送给学生，指导学生进行线上的自主学习。“材料力学”课程还应开发具有自身特色的自建线上资源，如针对知识点的微视频、典型例题和习题的讲解视频、电子教案、工程实例库、课程网站等。由于线上资料没有时间的限制，在制作过程中可以详尽地讲解知识点的具体内容及其相互关系、复杂公式的推导及论证、典型例题求解及相关的知识点和细节等，知识的容量和拓展程度优于线下的课堂教学内容。利用多媒体的优势，还可以采用动画、视频等方式生动地展示材料力学在工程中的应用，让学生对材料力学的工程意义具有直接的感性认识。学生通过反复多次线上资料的学习和练习可以加深对知识点的理解。由此可见，线上教学能同时兼顾知识的深度、广度以及学生的个性化学习，这些优势在传统课堂教学中是无法实现的。

课程考核是“材料力学”课程教学中重要的一环，以往的考核多是通过期末考试一锤定音，学生往往通过期末的突击来应付考试，无法体现教学考核与教学过程的相互促进作用。线上考核方式可以有效弥补这一问题，通过建立课前测试、课中测试、课后测试、单元测试和综合测试相结合的多元线上题库对学生各环节的知识掌握情况进行检查，不仅可以帮助教师对学生的课程学习进行全方位评估，还可为教师的教学提供实时的反馈，便于教师调整教学内容和节奏，进一步提高教学质量。在线上题库内容的选择上，应注意其内容与工程背景的结合，利用线上题库可以方便地引入各类图片和动画，使试题的内容更贴近工程实践。例如，可直接给出汽车减速箱的实体图，或工作时的视频和动图，引导学生建立相应的力学模型并进行设计和校核，以培养学生的工程素养。在线上题库的形式上，由于在雨课堂等平台上客观题可以通过系统实时高效地总结学生的答题情况，在课前和课中测试中应尽可能地采用客观题。而现有线上教学平台对于主观题的批改和统计仍有一定的不足，因此，在一些解题步骤较复杂的问题时，教师可以将其拆分成几个易于考察的知识点，更利于教师在课堂教学中及时了解学生对知识点的掌握情况。

3 线上线下混合式教学实践

弯扭组合变形在工程中广泛存在，如各种传动轴等。由于涉及的知识点较多，对学生综合应用知识的要求较高，加上在讲解这节内容时教师多数采用PPT和黑板进行例题讲解的方式，通常以一个例题作为单元讲解，学生练习时通常也以一道题为单元进行考核，很难了解学生对每个知识的掌握情况并做到教学时有的放矢。因此，在传统的线下教学时，这节内容一直是“材料力学”教学中的重点和难点。

弯扭组合问题是一个综合性的问题，它的求解与弯曲变形、扭转变形、拉伸变形、强度理论息息相关，若前面的基础理论掌握得不够牢固，在学习这节内容时会感到非常困难。因此，将上述章节中的相关内容整理成短小精悍的预习课件，并在课件中对本节课的主要内容和重点、难点进行了简要的说明。在上课前通过线上平台将课件预先发布给学生，督促学生进行适当的复习和预习，并设置一些简单的题目对学生的掌握情况进行考核。通过引入线上预习，可以有效扩充学习的时长并能分解相关的知识点，督促学生进行复习和预习，找到新知和旧识的结合点，以克服学生畏难的情绪，提高学习的积极性和效率。在上课前，利用线上平台进行签到，并分析和总结学生的答题情况，了解学生在知识结构中的薄弱环节。课堂教学时，教师可以根据学生预习情况有针对性地组织教学，对于预习课件中学生通过自学可以掌握的简单内容，可以少讲甚至不讲，而对于学生普遍感觉很难的内容，则进行细讲和精讲，以提高课堂教学的效率。

在“材料力学”教学中，学生通常反映教师讲解时能听懂，但自己做题时就不会，体现出在综合应用上有一定的不足，需要进行大量的练习。但是，由于课时和上课人数的限制，教师很难在课堂上对学生进行个性化的指导，线上教学为这个问题的解决提供了一些新的方法。由于课前的线上预习，教师在课堂上有更多的时间让学生练习。以往传统的教学中教师是将一个例题从头到尾作为一个整体来进行讲解，大量知识点的堆积令学生很难消化。因此，可以将弯扭组合变形的求解分解为支座反力的计算、弯矩的计算、扭矩的计算、相当应力的计算、强度设计等几个步骤，并将这些知识点设置为独立的单元，通过合适的题型利用现代技术手段及时考核学生的掌握情况，并通过线下教学中教师的总结快速地形成本节课的知识结构。由于每道题的知识点是单一的，学生在求解时的难度降低，且不会因为前一知识点的不足影响后一个知识点的答题，能够更加准确地反映出课堂教学的效果。教师也可根据学生的反馈进行知识点的复习和巩固，课堂教学的效果明显提升。课后，通过作业的批改和线上的解惑，可以进一步帮助学生理解消化课堂教学的内容。由此可见，通过课前、课中、课后线上线下教学方式的融合，不仅可以充分调动学生积极性、主动性和创造性，还可以在有限的学时内拓展课程的深度和广度。

4 结论

新工科对“材料力学”教学提出了更高更迫切的要求，促进了信息时代“材料力学”全新教学模式的改革和建设。“材料力学”课程的课堂教学者应主动转变教学观念，以学生能力培养为目的重构教学内容，突出课程的工程应用价值，并改革教学方法，增加师生的有效互动，培养学生的质疑和创新意识。同时，结合互联网资源和自建线上资料库，向学生提供丰富的线上学习资料，并根据学生的学习规律建设多元立体的线上测试题库，对教学的各个环节进行过程评价。通过线上线下结合的测试方法对学生的学习效果进行全面评价，不仅能在教学的全过程促进学生的主动学习，还能及时反馈学生对知识点的掌握情况，便于教师有的放矢地安排授课内容和节奏。由此可见，线上线下混合教学模式在“材料力学”课程的应用不仅能提高教学的质量和效率、打破传统教学在时空和空间的限制，还有利于培养具有工程素养和创新思维的新型工程科技人才。