面向应用注重体验的生物力学教学实践

冯原 邱意弘

摘  要：生物力学是具有显著交叉特性的课程，包含工程力学的基础理论和应用，以及生物体的分析和建模，是生物医学工程专业中常见的专业课程。由于生物力学的理论和应用性较强，而选修学生往往专业背景差异较大，给课程教学带来很大挑战。文章基于“学习科学”中“个体特性”“经历特性”“面向应用”和“集体学习”的理论开展课程教学实践，通过广泛了解学生背景、采用随堂练习、充分结合应用实例并开展分组练习的方式，调动学生积极性，更好地改进教学效果。通过前－后测评，问卷调查和学期间量化对比的方式，发现面向应用、注重体验的教学方法能显著提高学生的获得感和学业表现。

关键词：学习科学；生物力学；面向应用；教学改革

中图分类号：G640    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2023）08-0140-04

基金项目：上海交通大学教学发展中心基金项目“基于‘学习科学基本原理的生物力学教学实践”（项目编号：CTLD21J 0018）。

作者简介：冯原（1985—），男，博士，上海交通大学生物医学工程学院副教授，研究方向为脑生物力学和磁共振成像；邱意弘（1970—），女，博士，上海交通大学教学发展中心副教授，研究方向为教师教学发展与学习评估。

生物力学是一门基础性和应用性都较强的课程，主要内容包含工程力学的基础理论及生物体中的应用。生物力学一般在生物医学工程学院开设，为生物医学工程专业学生讲授基础力学知识，培养学生掌握力学分析和建模的基本方法，为未来应用生物力学知识和方法解决实际问题打下基础。

根据授课者的教学实践，总结生物力学课程的特点和挑战如下：

1. 课程内容具挑战性。学生力学基础较为薄弱，而生物力学基础理论包括一般工科专业的理论力学和材料力学内容，因此给课程的理论教学带来了较大挑战。其中，材料力学部分概念抽象、数理基础要求高，学生接受有一定困难。如偏重于理论推导与力学原理的分析，大部分学生接受度不高。课程强调力学理论在生物体中的应用，对应用力学理论分析和解决问题的能力要求高。

2. 学生差异性大。作为综合性较强的课程，往往还吸引其他专业的学生选修。学生知识背景差异较大，学习动机各异，给课程教学的展开提出了很大挑战。

3. 部分学生动力不足。作为专业选修课，大部分学生不愿意投入太多时间，存在凑学分的想法，缺乏足够学习动力。这与力学理论内容难度较大，需要较多的时间进行学习产生了矛盾。

为应对以上教学挑战，本研究以“学习科学”（Learning Science）为理论指导开展了教学改革实践。“学习科学”是整合了脑科学、心理学、认知神经科学和教育学等多学科内容的系统科学，旨在沟通心智、脑与教育。美国卡内基梅隆大学的苏珊·A·安布罗斯在其专著中，总结了学习科学的七条原理［1］，并指出七原理可以适用于各个学科领域、不同经验水平、不同文化背景的教师和学生。约翰·D·布兰思福特等汇集了“学习科学”出现以来的重要思想和理论，将学习者与学习、教师与教学、学习科学未来发展方向做了系统的阐述。这些为基于“学习科学”的教学方法设计提供了重要的理论基础和创新教学的方向［2］，基于“学习科学”相关理论开展教学活动、推广教学改革是高校教学的一个趋势。

基于“学习科学”开展相关的教学研究已有许多前期工作。北京大学的尚俊杰开展了相关教育研究［3］，并对“学习科学”的理论溯源和发展现状做了分析和总结［4］。香港大学的程介明将“学习科学”原理作為指导当前教学和师生关系新常态的理论基础，提出教师从授课者转为学生学习设计者的观点，并指出学习的个体性、经历性、应用性、综合性和集体性的重要特征。“学习科学”理论还被应用于中小学的教学设计中［5］。

综上，让力学基础薄弱、背景动机差异大、选修课不愿投入过多的学生群体很好地学习并掌握生物力学知识和建模技能，是本项目的主要目标。基于“学习科学”原理，本项目的研究假设：（1）符合“个体特性”能应对学生差异性大的挑战；（2）“经历特性”“面向应用”能增强学生对生物力学知识的理解和应用；（3）“集体学习”能增强学生学习动机。

一、研究设计

（一）研究对象

本研究的研究对象为2021年秋季学期选修生物力学课程的30名本科生，以生物医学工程专业大三学生为主，还有机动、船建、电院、材料等学院不同专业背景的学生，以及1名留学生。作为本硕博贯通的专业选修课，教学班还包括博士研究生4人；另外，常有不同学院的本科生、研究生和博士后旁听。本研究的统计只针对选修本课程的本科生开展。

（二）基于“学习科学”的教学设计

基于“学习科学”的基本原理，生物力学课程安排与教学设计如图1所示。

学习的个体特性。学生背景差异大，部分同学没有修过力学相关基础课程，只学过大学物理。因此，在课程的内容上，讲解了理论力学和材料力学的基础部分，以满足不同基础学生的需求。

基于经历的学习。“学习科学”理论指出，人的学习关键在经历过程。生物力学有很强的应用特性，因此，课程将解决具体问题的实例贯穿始终，强调学生自己动手解决问题，并在课堂教学中加入随堂练习、讨论和测试。在随堂练习中，教师走到学生中与学生交流，获得直接的反馈。例如在介绍扭转强度的概念时，与学生一同讨论：为什么人的骨头是空心的？在相同最大剪应力条件下，推导空心骨的质量是实心骨的1/3，让学生在观摩解决问题的过程中获得直观感受，同时自己探索、体验解决问题的过程，加强学习经历的体验。

面向应用的学习。“学习科学”基本原理表明：理解与使用是同时发生的。课程设计了两次大作业，分别针对主要知识点结合实际问题开展，让学生在应用中建构和内化理论知识。第一次大作业“头部运动控制设备设计”，要求设计一个在磁共振成像设备中控制头部运动的装置，学生需综合应用静力学、动力学、运动学相关知识，解决实际问题。第二次大作业“板孔应力集中的COMSOL仿真实验”，主要考察应力应变基本概念，学生需应用课堂教学演示的COMSOL仿真软件，通过对板孔应力集中的分析，自己动手体验材料变形过程中的应力状态。

集体学习是最有效的方法。学生自由组队、集体讨论完成课程设计项目。为保证每个人都有足够的工作量，以2人为一组，在集体作业的完成中充分学习。

（三）研究方法

前-后测法。在学期初摸底测试中设置生物力学相关的前序知识考题，了解课前学生知识和技能的掌握情况。在学期中的小测试中，保留全部摸底题，通过答题正确率对学生在知识技能上的收获进行评估并调整教学方法。

比较法。采用与往届难易度相近的期末试卷（按学校试卷命题要求，试题与前三年的重复率少于20%），比较总成绩，通过答题情况，部分说明新教学法的效果。

调查法。采用问卷对学生的学习动机、获得感开展调查。首先，课前摸底调查了解学生的知识基础背景。其次，在课程开展1个月和2个月后，收集学生对课程的教学反馈，在第7周邀请教学发展中心开展中期学生反馈服务。在课间与学生开展面对面的交流，了解学生的学习动机。基于书面反馈和平时交流的结果，对课程教学进行有针对性的改进。此外，课程结束半年后，还开展了回顾性调查。

二、结果与结论

通过与学生的交流及问卷调查，获得了大部分学生选修课程的学习动机（见表1）。想通过课程了解力学知识的学生最多，且集中在生物医学工程学生中。为满足跨平台选课需要的学生都是外专业的学生。总体来说，选修学生主要考虑对课程内容的兴趣，并综合考虑了学分和课程难易程度。

对比学期初和学期中的测试成绩，以此对学期中的学习效果进行了评估。期初测试的前三题包括大学物理中与本课程相关的前序基础内容，后三题包括高等数学中与本课程相关的前序基础内容。为保证测试客观反映学生的学习效果，测试没有提前通知学生准备，也不纳入课程最终成绩。剔除未交卷和试卷未署名的情况，两次都参加的有效测试份数为21份。结果表明，经过半学期的学习，学生总体表现均优于学期初（见图2）。课程学习有助于学生掌握知识和提高能力。

为检验基于“学习科学”理论所开展的生物力学实践效果，本研究对比了2020年和2021年生物力学课程的期末考试成绩。两次授课学生总数相近，学生群体特征相似，试卷难易度相当，统计发现采用新教学法后，平均成绩提高近9分（学生t检验，p<0.05），总分超过80的人数比例提高了近2倍，不及格人数比例下降了近一半，最高分和最低分分别提高了5分和10分（见表2）。

经过半学期的学习，学生总分和前三题的总分均显著高于摸底测试总分（学生t检验，p<0.05），其中总分满分120分，前三题满分60分。

本研究的回顾性调查收回匿名有效问卷24份。其中，87.5%的学生表示课程基本或完全实现了当初的选课动机。95.8%的学生表示课程照顾到了个体需求、学习基础和个体对课程的反馈。100%的学生表示课堂中的随堂练习有帮助（见图3a）；95.8%的学生表示课程两次大作业有帮助（见图3b）；近80%的学生对小组讨论和集体学习表示有帮助（见图3c）。

综合以上分析结果，本研究主要实现了三个目的：

1. 基于“个体特性”理论，通过课前、课间和课后与学生交流，及时获得教学内容与形式的反馈并动态调整，充分考虑学生个体的需求，解决学生差异性大的问题。

2. 基于“经历特性”和“面向应用”的原理，建立了以关键知识点为中心开展随堂练习的教学方法。通过课上解决生物力学问题和包含实例的课程大作业，实现了课内有针对性的知识点传授，以及解决问题能力的培养。

3. 基于“集体学习”的原理，通过随堂练习、集体讨论、课程大作业的分组研究，提高了学生的学习积极性，增强了获得感。

三、总结与反思

自2018年秋季至今4轮授课，前两次讲授主要集中在线弹性力学的基础和应用，属于材料力学的进一步延伸。由于生物医学工程本科生力学基础较为薄弱，前序选修理论力学、材料力学或工程力学的学生较少，导致学生对课程的接受度较低，普遍反映难以理解和接受。自2020年起，课程启用了基于工程力学的教学。将工程力学中的理论力学和材料力学部分作为先导理论做讲解，在此基础上结合生物力学的应用开展教学。经两次教学实践后，发现学生对课程的接受程度稳步提升，各个学院不同背景、不同层次的学生都表示可以较好地接受课程内容。采用基于“学习科学”理论对教学开展改革后，取得的经验如下：

1. 课堂中进行知识点的强化，能较好地补足学生课后时间分配困难的问题，并增强课程内容的接受度。

2. 理论结合实际的课程大作业，能发展学生的动手解决问题能力，较好地提高了学生的学习积极性。

3. 多次、多方式的学生反馈，有助于调整教学。

本研究基于“学习科学”理论中学习的个体特性、经历过程、强调应用和集体学习的特点，重构教学内容、设计教学环节，对生物力学课程或类似专业课程的教学有如下贡献和借鉴意义：

首先，须了解学生。对知识基础和动机差异大的学生群体在课前对他们的知识背景和学习动机进行充分调查，有针对性地开展教学内容安排，让学生的个体获得感最大化。

其次，应增强学习经历。充分利用生物力学课程理论与实际联系的特点，发掘广泛存在于日常生活中的生物力学现象、原理与应用，在课堂上以实际问题的分析和解决为导向，引导学生开展理论学习，掌握分析方法。

最后，应面向应用。设置有挑战性的开放式大作业，学生组成小团队集体学习、共同探究，建构及内化关键知识与理论，并能解决实际生物医学工程问题。

参考文献：

［1］ 苏珊·A·安布罗斯. 聪明教学7原理：基于学习科学的教学策略［M］. 庞维国，译. 上海：华东师范大学出版社：2012.

［2］ 约翰·D·布兰思福特. 人是如何学习的：大脑、心理、经验及学校［M］. 程可拉，孙亚玲，王旭卿，译. 上海：华东师范大学出版社：2013.

［3］ 尚俊杰，庄绍勇，陈高伟. 学习科学：推动教育的深层变革［J］. 中国电化教育，2015（01）：6-13.

［4］ 尚俊杰，裴蕾絲，吴善超. 学习科学的历史溯源、研究热点及未来发展［J］. 教育研究，2018，39（03）：136-145+159.

［5］ 梁慧姣. 创设教学情境 问题驱动教学——学习科学理论指导下的“聚落与环境”教学设计［J］. 中小学信息技术教育，2021（Z1）：24-26.

（责任编辑：石子静）