新工科视角下工程力学课程混构教学模式研究与实践

2023-07-20宋明杜劲王力李安庆

高教学刊 2023年19期

宋明杜劲王力李安庆

摘要：该文针对新工科视角下工程力学课程教学中存在的问题，提出工程力学课程混构教学模式。该模式以真实工程案例为导入背景，以开放性问题为教学模块主体，进行没有唯一答案的开放式设计，以封闭性问题为学习辅助支撑资源，为学生提供学习支持和引导，构建开放与封闭相协调、自由与限制相统一的教学模式。教学实践结果表明，该模式可以理顺新工科视角下工程力学教学设计思维，提高学生参与课程学习的质量，促进工程力学课程教学成效不断提升。

关键词：混构教学模式；开放性问题；封闭性问题；工程力学；混合式教学

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2023）19-0126-04

Abstract： Aiming at the problems in the teaching of engineering mechanics from the perspective of emerging engineering education， this paper proposes a mixed teaching mode of engineering mechanics. This mode takes real engineering projects as import cases， takes open questions as the main body， and uses closed questions as an auxiliary to construct a teaching mode that coordinates openness and closure， and unifies freedom and restriction. Through teaching practice， it is proved that this model can extend the teaching design thinking of engineering mechanics from the perspective of emerging engineering education， stimulate students' enthusiasm for learning， and promote the improvement of the teaching quality of engineering mechanics courses.

Keywords： mixed teaching mode; open question; closed question; engineering mechanics course; blended learning

我国新工科建设持续推进，着力培养未来多元化、创新型的卓越工程人才[1-3]。这对高等学校工科类专业建设和人才培养提出了新的要求，也为传统工科类课程的发展指明了方向。

工程力学课程是很多工科类专业的基础性课程[4-5]，其向前承接高等数学、大学物理等理论性课程教学成果，向后为机械设计、零件加工工艺等工程性课程传递基础知识体系，起到了关键的桥梁性作用。

一工程力学课程现状

工程力学课程主要面向工业设计、高分子材料、林化工程等工科类专业开设。知识层面上，课程主要包括静力学模型分析、静力学方程求解、构件强度、刚度、稳定性设计及校核等方面内容。能力层面上，课程主要锻炼学生的初步工程实践能力、逻辑思维能力、团队合作能力。价值观层面上，课程要求学生能够贯彻系统化思维方式，执行工程伦理要求，将家国情怀、使命担当映射到实际行动之中。

传统工程力学课程教学中，还存在着一些问题。

1）对学生的力学建模能力关注不够。在工程力学课程教学中，需要让学生掌握常见构件的计算公式、方法、思路，具备使用力学知识分析、设计、解决工程问题的能力。因此，课程需要为学生提供一定量的计算性问题，帮助学生锻炼分析和计算过程。碍于各种因素，传统工程力学课程教学中往往直接给学生提供经过抽象的力学模型进行理论学习、分析计算、应用探索[6]。这种题目距离工程实际环境较远，其省略了将复杂工程问题转化为简单力学模型的分析和建模过程，导致学生在面对真实工程问题时不知所措，难以进行有效力学分析和建模，更难以提出实用性的解决方案。

2）课程资源与混合式教学形式不匹配。为了提高工程力学课程教学中的高阶性和挑战度，更好地开展教学活动，很多工程力学课程在实践中引入了混合式教学方法[7-10]。这种教学方法以线上线下两种教学形式交替运行：在线上教学阶段中，学生通过各种教学平台学习课程配套学习资源，开展题目练习；在线下教学阶段中，学生通过教师提供的练习题，进行课程训练，帮助学生解决线上教学的问题，夯实知识体系，锻炼解决问题的能力。但是，课程相关的配套资源并没有针对混合式教学形式进行相应的优化，依然采用传统的力学问题进行计算训练，没有充分利用混合式教学形式所带来的教学便利，没有使线下教学活动导向更具高阶性、更具挑战性、更具创新性。导致学生依然在学习时抓不住重点，在接触真实问题时无所适从，不知道如何开始工作，不清楚以什么角度进行分析，更不熟悉怎么協调小组设计思路，推进设计进程。这种现状未能充分发挥混合式教学的潜力，在很大程度上影响了学生的工程实践能力发展，制约着以工程力学课程为代表的工科类课程的进步。

二混构教学模式

（一）混构教学模式整体设计

针对上述问题，教学团队提出了“混构”教学模式。该模式基于课程教学原有知识体系，以开放性问题构建教学模块核心，以封闭性问题组成相应模块的学习支架，设计思路如图1所示。“开放性问题”，即具有多种分析视角和最终结论的计算或设计性问题，为学生提供自由的设计和研究情景。“封闭性问题”，即具有唯一视角或答案的计算或设计性问题，为学生提供明确的“对与错”的判断标准，帮助学生练习概念和公式的基本使用方法。学生既能通过研究开放性问题，锻炼知识应用、环境评价、影响分析和完成设计等方面的能力，又能通过封闭性问题获得合理适度的学习支撑，保证学习活动顺利进行。

（二）开放性问题

开放性问题是教学活动的主线，关注课程和学生专业相关领域的知识、方法、思路和应用。其内容来源于真实工程问题，要求学生利用课程中学到的知识和能力决定构件结构、设计零件尺寸及评价设计方案，锻炼学生的工程实践能力。开放性问题还可以延伸到相关的社会应用领域：分享科研的最新前沿、讨论热点社会工程问题及分析行业领域的发展问题等。引入开放性问题不仅解决了学生力学建模能力不足、分析计算能力不佳的问题，还将教学活动延伸到了课程教材之外更广阔的空间，为学生带来了更多、更广、更深层的思考。其具有多种可以评价的解决方案和分析视角供学生自主选择，如水平较高的学生可以选择挑战度较高的设计方案；水平中等的学生可以选择拓展应用型的设计方案；有待提高的学生采用夯实基础类型的设计方案。

（三）封闭性问题

封闭性问题是教学活动的辅助手段，包括两种类型。一种是按照课程知识体系依次构建的知识性题目，强化学生掌握的相关概念和知识，保证学生具有充分的练习机会。另一种是根据开放性问题构建的支持性题目，为其提供边界控制、研究支撑、程度判断等支持。“边界控制”，即构建明确的研究限制条件，限制开放性题目的研究范围，让学生的研究主线聚焦在教师设计的研究目标点上。“研究支撑”，即为学生提供具体公式的分析和应用案例，在开展开放性问题研究过程中，帮助学生解决难点问题，将研究和设计进行下去。“程度判断”，即提供往届学生作品中的优秀案例，引导学生思考优秀设计的特征，帮助学生提高分析和设计水平。

三混构教学模式的教学实践

教学团队在大二年级的工业设计专业工程力学课程教学班中进行了教学实践，课程以线上线下混合式教学形式展开，使用以“混构”教学模式设计的关键环节和相关配套资源。教学团队构建了由12个开放性问题和110个封闭性问题组成的案例库，覆盖了课程的全部重要章节。在课程教学中，针对一个教学节段，在线上教学阶段中，在线上教学平台上提供教学团队开发的教学视频、练习题库、课外拓展资源，让学生按照时间要求完成相关线上学习环节。然后为学生布置线下见面课的预习环节，讲解开放性问题的内容、要求及配套资源，帮助线下学生理清学习任务。然后为学生提供充分的小组研究机会和时间：针对内容较多的开放性题目，要求学生课下就开展小组研究活动；针对内容较少的开放性题目，在线下见面课上进行小组研究活动。在此过程中，通过线上教学平台提供支持性题目，帮助学生完成研究活动，教师积极跟进小组运行进度，提供相应的指引。然后开展小组结果分享活动，促进高阶思维活动的成果固化，为学生提供学习评价，完成学生工程实践能力发展闭环。

以教学中的“拉压杆问题”章节为例，改革前和改革后实施过程对比见表1。在课程线上教学阶段，学生按照要求学习拉压杆相关知识点，并完成配套练习题，打下深入研究的知识基础。在线下课程中，教师参照线上学习数据，强化课程的重点和难点问题。然后提出引导性案例——振华重工龙门吊的设计示例，帮助学生理解真实工程上拉压杆的常用形态和分析思路。之后为学生讲解经过适当简化的开放性问题“倾斜支撑结构设计”，并要求学生以小组为单位研究实现结构并提出最终的设计方案。

在小组研究中，学生先学习教师提供的具有明确“优与劣”判断的设计示例（封闭性问题），建立设计研究的边界。然后开展小组内的头脑风暴，创建多种可能实现需求功能的结构。之后参照配套给与的代表性计算示例（封闭性问题），分析和计算上述设计方案，提出关键零件的设计参数，并提出小组最终设计方案。在见面课上以小组为单位进行分享，其他小组对其设计结果进行现场分析和评价。每位学生在课后进行纸面设计总结，促进高阶学习经验的固化。

经过了4个学期的教学实践，相关教学数据和反馈信息表明，混构教学模式提高了课程配套资源与混合式教学形式的匹配程度，提升了学生针对工程问题的力学建模能力，深化了混合式教学形式中的线下见面课互动层级，提高了课程的高阶性、创新性、挑战度，改善了混合式教学中小组项目运行情况。经过一段时间的教学实践，教师发现学生到课率明显提升，参与课程互动的积极性明显提高，小组设计方案更加完善，有的小组甚至使用了有限元仿真等技术手段对设计结果进行了更深层次的分析和优化。整体上看，经过教学改革之后，学生针对工程问题的分析和计算能力显著增强，课程教学质量明显提升。

四结束语

本研究基于新工科视角下人才培养需求，构建了工程力学课程混构教学模式。该模式以真实工程项目作为引导案例，构筑了工程案例分析情景，以开放性问题为主体，建立了具有多种分析视角和设计方案的小组研究题目，以封闭性问题为支撑辅助资源，设置了符合学生学习习惯和水平的教学支架。该模式提出了针对混合式教学形式下相关课程配套资源的建设思路，构建了既具有充分自由度又具有合理支撑性的工程力学课程环境。4个学期的教学实践结果表明，该模式可以适应新工科视角下人才培养需求，拓宽课程设计思路，回应学生学习需求，提高工程力学课程教学质量，可以为工科类课程教学改革提供有益的参考。

参考文献：

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[10] 朱娟.基于BOPPPS教學模式的线上线下混合式教学方法研究——以“电子线路CAD”课程为例[J].工业和信息化教育，2023（5）：64-69.

基金项目：山东省高等教育本科教学改革研究项目“工科专业线上课程思政低致敏性‘混构教学模式研究与实践”（M2020086）；齐鲁工业大学（山东省科学院）2020年度教学改革和教学研究线上教育专项招标项目“基于混沌理论的自适应性线上混构教学方法研究”（无编号）