双线模式下的理论力学教学改革与实践

2022-12-17卢龙彬桑国庆刘玉玉

科教导刊·电子版 2022年31期

王海，卢龙彬，桑国庆，郭谦，刘玉玉

（济南大学，山东济南 250024）

进入21世纪以来，随着我国土木、水利工程技术的飞速发展，国家对能够适应技术革新、引领行业进步的新型工科人才的需求更加迫切。以我国2016年成为《华盛顿协议》会员为契机，国内掀起了工程教育专业认证的浪潮。在新工科建设工作的推动下，高等学校作为培养工科专业人才的摇篮，势必成为教育改革的前沿阵地[1-3]。各大高校先后开展了本科教育教学与课程体系改革的探索，而重点工作之一即是基础力学类课程的改革。

理论力学作为描述物体受力与机械运动规律的科学，具有系统完善、独立发展等特点，是土木、水利、机械、航空等学科领域的重要理论奠基石。然而，由于其所研究问题涉及最基本的力学理论与一般方法，多对研究对象及条件进行高度抽象与假设，加之其系统而严密的知识体系所带来的逻辑推理特性和数学应用的抽象性，该课程与其他力学课程相比存在工程关联偏弱、理论性偏强等特点，与当下学生群体的“务实”学习倾向、过度压缩的课时等现状产生直接冲突，教师授课与学生学习质量岌岌可危[4-5]。

鉴此，在新工科建设的大形势下，将线上与线下结合的“双线”模式引入理论力学教学活动，促进课程体系创新成为理论力学教学改革大势所趋。本文基于理论力学教学与实践探索的经验，围绕教学内容、教学方法与考核体系方面阐述相关改革措施、效果与思考。

1 理论力学教学现状及问题

1.1 课时压缩与教学容量矛盾

目前理论力学常用教材为哈尔滨工业大学理论力学教研室编制的《理论力学》。完成全部内容所需学时数一般不应少于70学时。然而目前多数高校的理论力学学时安排为64学时，部分高校理论课为48学时。因此在学习容量不变的情况下，课时的高度压缩使得教学节奏过快、重点知识讲不透、作业任务繁重、学生不能接受等问题逐渐显现。此外，课时压缩导致动力学部分略讲的部分内容（如达朗贝尔原理等）是前面知识之集大成，对学生思维的拓宽与后续课程衔接造成影响。

1.2 知识结构与教学模式陈旧

鉴于理论力学是一门发展时间较长，知识体系相对完整的学科，其教材编排上依然沿用了20世纪50年代的架构，难以推陈出新，且部分知识与先修课程（大学物理等）内容存在重复或方法相左。加之教材范例内容的过度简化，与现阶段飞速发展的工程技术问题存在断档。而当代大学生是置身于飞速发展的科技与极其便捷的互联网、大数据洪流中的一代，过于陈旧的知识体系与教学内容安排、以教师为主的授课模式与他们活跃、追求实效、追求前沿探索的思维方式存在矛盾，导致学生在学习时无法保持高涨的兴趣。

1.3 教学质量评价体系不完善

新工科建设促使线上线下混合式教学成为多个专业基础类课程改革的首选模式，很多高校顺势将教学模式转为全线上教学。鉴于教学模式的被迫转变，很多高校在线上教学系统建设、经验等方面没有足够准备，加之原本线下授课的现场约束力消失，使得无论线上听课还是线下自学过程主要依靠学生自制力，学生听课效果与课后学习质量更加难以把握。虽然有诸多线上过程监控手段，但学情控制效果也不尽如人意。同时，传统的学习评价指标体系过于简单，且期末成绩权重较大，无法满足现阶段教学过程与结果质量双把控的要求。

2 基于双线模式的教学改革

鉴于上述现状与问题的存在，笔者在不摒弃传统教学优势的前提下，坚持以学生为教学主体的原则，根据授课内容性质、对应培养目标与学时安排，借助现代教育技术与理念，合理选用教学手段，通过线上授课与线下学习的“双线”教学模式，对传统理论力学教学内容、形式与考核评价体系进行改革，以实现知识接受程度的最大化。

2.1 教学内容调整

首先，静力学部分作为后续专业课程的衔接知识点，在线上授课部分得到系统保留；而运动学与动力学部分仅保留简单运动、合成运动与三大定理的核心知识点，其余部分略讲或安排为线下拓展自学。其次，充分考虑初高中及大学物理相同知识的剔除与做题习惯的更正，例如静力学部分强调学生摒弃大学物理平衡力系绘制习惯，受力图应严格按照理论力学平衡力系表示形式绘制，略讲摩擦部分重复知识点；运动学与动力学部分将位移、速度、加速度、动能定理、重力势能与弹性势能等重复内容略讲，重点讲述合成运动、转动惯量等新知识点。再次，吸取西方教材工程应用案例的优势，添加水工与土木相关教学案例（如图1），并强化学生通过工程实例凝练核心知识与简化模型的能力。同时尽可能在授课过程中融入思政元素，如科学家精神、大国工程等，培养学生树立家国情怀、工匠精神与行业自豪感。最后，基于中国大学慕课、爱课程与超星学习通等线上平台建立自学库，利用双线模式转换的灵活优势，在线上主导授课期间，主讲知识于线上传授，线下主导授课期间，主讲知识转为课堂教学，而课下拓展内容均留给学生通过自学库学习。

图1 工程实例与抽象模型

2.2 教学手段革新

首先，将知识归纳权归还给学生。班级以每4人为一个学习小组，依次在课前通过PPT、思维导图等形式带领大家回顾知识点，并形成期末复习纲要，并要求一学期上传三次预习报告，与平时成绩挂钩。其次，将学习渠道选择权交给学生。针对部分同学线上，部分同学线下的学习情况，利用双线教学优势，使用教室多媒体与摄像监控系统，联合腾讯会议、雨课堂软件实现线上线下同步授课。同时，将非课上讲授内容以及相关视频上传至自学平台供学生课后复习之用。再次，针对不同类型知识点选取最优教学手段。例如对于重点公式的推导过程，依然选取PPT+板书的形式，而对于部分结构、机构等复杂结构的受力和运动状态需借助abqus、SMSolver或UG等CAE软件进行形象化讲解，一并激起学生对数值模拟的兴趣。

最后，将出题主动权分给学生，让同学课后通过学习资料查找相关习题，并建立试题库。老师对学生提交试题库进行检查与整理，并根据题目知识点涵盖量、难易程度、整理格式等因素进行评分，记做平时成绩加分项。对学生来说，期末考试出题权与平时成绩加分的“双赢”选项极具吸引力。

2.3 考核体系变化

充分利用线上平台功能，改变学情监测内容，围绕学生课前、课上、课后与期末几部分学习过程建立相应评价指标，形成双线教学模式下的考评系统架构如表1所示。平时成绩占期末总成绩40%，包括课前、课上、课后三部分；期末成绩占比60%，考核形式为考试。

表1 理论力学考核评价体系

3 教学改革实践效果

本次教学改革的实验对象为水工2020级（64人），采用改革后教学模式与考核规则。对照组为水工2019级（65人），采用传统授课模式与考核规则。水工2020级平台资料观看与下载数量均超过班级总人数，说明线上资料总体利用率较高。对两届学生期末总成绩进行统计对比结果如图2（P152）所示。由图可知，实验组不及格人数下降39%，良好人数增长60%，中等人数增长57%，及格人数增长13%。