“二中心、三阶段、四层次”的结构力学一流课程改革与实践

曹艳梅　于桂兰　贾影　徐艳秋

［摘 要］北京交通大学结构力学I获批2020年首批国家级线下一流课程。课程组针对一流课程建设过程中遇到的问题和难点进行了有效的教学改革和实践。以立德树人为根本任务，采用“以学生为中心”与“以工程为中心”同频共振的结构力学教学改革理念，提出了“三阶段、四层次”的教学设计，并以此开展了线上线下混合式教学，取得了较好的效果。通过教学实践证明，以工程案例为载体，将对分课堂、小组讨论、同伴教学、雨课堂等方法合理地融入教学，不仅能激发学生的学习兴趣，强化学生的参与式学习，而且能有效地锻炼学生对知识的应用、分析和创新能力，为国家一流课程的建设提供了一条有益途径。

［关键词］结构力学；一流课程；混合式教学；“三阶段、四层次”教学设计

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）07-0036-05

如果把土木类专业比作一幢大厦的话，那么结构力学这门课程无疑是这座大厦的基石。该门课程是联系基础课和专业课之间的一座桥梁，对学生专业技能的培养和学术思维的形成具有极为重要的作用。

对于结构力学的课程建设，国内许多高校的教研人员从教学理论、教学模式、教学方法、教学手段等多个方面进行了大胆的改革和探索，取得了卓有成效的建设成果[1-7]。笔者在多年的教学过程中发现，传统结构力学教学多采取课堂讲授、布置作业、习题讲解“三步走”的循环模式。该教学模式“以教为中心”，注重课后的习题训练，这不利于培养学生的自主学习能力，而且这种重理论轻应用、重题目训练轻能力培养、重内容传授轻思维训练的方式容易使学生感觉课程枯燥，让学生学而不知所用，进而对学习失去兴趣。如何对课程教学进行改革以提高学生学习的参与度？这就需要将教师的“传道、授业、解惑”与学生的“悟道、求业、生惑”[8]相结合，提高课程的高阶性、创新性和挑战度，培养知识、能力、素质全方位发展的土木工程卓越人才，这是结构力学所有任课教师面临的一项迫切任务。

北京交通大学结构力学课程组践行“以学生为中心”与“以工程为中心”同频共振的结构力学教学改革理念，提出了“三阶段、四层次”的教学设计方案，并基于此开展了线上线下混合式教学，最终取得了较好的效果。

一、“二中心”教学改革理念

2019年，教育部发布了《关于一流本科课程建设的实施意见》，明确提出了以理念新起来、课程优起来、教师强起来、课堂活起来、学生忙起来、教学热起来为主要内容建设国家一流课程[9]。根据一流课程在“两性一度”、融合创新、课程效果、持续改进4个方面的基本建设要求，课程组在教学过程中首先需要解决以下重点问题：一是如何将结构力学经典理论进行传承与创新，激发学生的学习兴趣；二是如何增加课上和课下的师生互动、生生互动，使学生由被动学习变为主动学习；三是如何将线上课程和线下课程有机结合起来，提高课程的高阶性、创新性和挑战度。

基于改革重点和结构力学课程的特点，课程组确立了“以学生为中心”与“以工程为中心”同频共振的“二中心”教学改革理念。

“以学生为中心”，即围绕学生开展备课、教案、课堂教学、课后拓展等多个教学活动（见图1）。在备课环节，不仅要开展课前备课，还要根据学生每堂课的学习反馈和表现进行课后备课，对教学进行及时改进，对教案进行同步完善。在课堂教学的过程中，增加学生参与式学习设计，注重知识和能力的培养，使教师从“知识的传授者”转变为“知识的引导者”，使学生从“被动学习者”转变为“乐于学习的探索者”。同时，在课后不再单纯地布置各种习题训练，而是结合行业发展和科研成果适当布置拓展型作业。这不仅能够提高课程的高阶性、创新性和挑战度，而且能够提升学生对知识的应用和探索能力。除了对学生进行知识输送和能力培养，还要充分发挥课程思政的引领作用，培养学生的家国情怀和文化自信、职业精神、哲学思维等方面的素养。

课程组坚持“以学生为中心”的教学改革理念，根据结构力学“来源工程”这一课程特点，建立与知识点相对应的工程案例库，以工程教学为载体，回归其“指导工程”的初心，将“以学生为中心”与“以工程为中心”进行结合，实现“二中心”的同频共振。

法国著名思想家卢梭曾经说过，问题不在于教他各种学问，而在于培养他有爱好学问的兴趣，而且在这种兴趣充分增长起来的时候，教他以研究学问的方法。因此，整个教学设计要以激发学生的学习兴趣为突破口，以培养学生的知识、思维、能力、素质、精神、情怀为落脚点，形成“以工程为中心”的递进式“6E”教学理念（见图2）。通过工程问题的导入，激发学生的学习兴趣（Exciting）；采用启发式教学，带领学生逐步分析工程现象所隐含的本质（Enlightening）；将分析过程进行提炼总结（Extracting），进而引出结构力学的基本原理和基本方法。这三个阶段弘扬了茅以升老先生“习而学”的工程教育思想[10]，不仅能够有效解决重理论、轻应用的弊端，而且能够培养学生初步的工程思维。

然而，如果课程的教学止步于此，就会造成学生对知识掌握得不够牢固，也会存在课程的深度和广度不够的问题。因此，课程组进一步对基本概念、基本理论和基本方法进行了夯实和巩固（Enhancing）；通过将基本原理和基本方法等进行凝練和拓展延伸（Extension），培养学生的定性分析能力；结合行业发展和学科前沿知识激发学生对知识的探索（Exploration）热情。这三个阶段重点强化的是学生运用基础理论分析和解决实际工程问题的能力，也是贯彻“以学生为中心”的教育理念的体现。

二、“三阶段、四层次”混合式教学实施

（一）混合式教学设计的理论基础

邦克（Bonk）和 格拉汉姆（Graham）于2006年首次提出了混合式教学的定义，即面对面教学和计算机辅助在线学习的混合[11]。在进行混合式教学设计时，课程组根据布鲁姆关于教育目标的六个层级分类[12]，对课程知识点所对应的学习目标和教学目标进行了重新梳理和优化，将记忆和浅层理解设定为初级目标，将深度理解、应用、简单分析设定为中级目标，将复杂分析、评价、创新设定为高级目标，分别通过课前的SPOC在线自主学习、课中的参与式学习、课后的拓展学习三个阶段来实现（见图3）。而在整个教学实施过程中，除三级目标外，思政目标也是重要的教学目标，它“如盐入水”，“润物细无声”地渗透在每个教学环节中。

（二）“三阶段、四层次”混合式教学实施策略

在教学实施过程中，课程组结合“6E”教学理念，制定了教学实施策略（见图4）。本文以结构力学课程中温度变化引起的超静定结构内力计算这一知识点为例，详细介绍了线上线下混合式教学的课堂实践。由于学生已经学习了超静定结构内力计算的基本方法——力法以及温度变化引起的静定结构的内力计算，因此，学生完全有能力对该知识点进行初步自学，基于此，可结合该知识点开展线上线下混合式教学，该知识点的教学主要通过以下三个阶段来完成。

1.课前阶段：线上自学及反思——自主学习能力及批判性思维的训练

教师基于MOOC/SPOC课程给学生布置学习任务，让学生观看MOOC/SPOC视频，完成MOOC/SPOC平台上的随堂测试和自学任务，并完成“亮考帮”上的反思型作业，于上课前一天拍照发给教师。“亮考帮”作业的形式是根据对分课堂[13]的教学方法而提出的。“亮”即“亮闪闪”，要求学生写下本人在对知识点进行自学后的收获，以及理解较为透彻的地方；“考”即“考考你”，要求学生根据知识点出题来考考其他同学；“帮”即“帮帮我”，要求学生记录下在学习过程中的疑问或需要同学和教师协助解决的问题。而教师则根据学生在完成作业过程中遇到的问题进行有针对性的备课。

同时，教师需要对“亮考帮”的作业情况进行反馈，提高学生课后自学的积极性。如果一次作业是5分，学生只要提交，无论好坏，至少可得3分（及格）；如果学生比较认真，态度良好，可得4分（良好）；如果作业有新意，与众不同，可得5分（优秀）。本阶段教学设计不过多关注学生的对错，而是重视过程，旨在重点培养学生的自学能力、思考能力以及批判性思维能力。

2.课中阶段：对分课堂+同伴教学——合作学习、对知识的应用和解决问题能力的训练

上课时，首先进行小组内自主讨论，重点讨论作业中的“考考你”和“帮帮我”两个部分，教师不参与讨论，只对各小组的讨论进行有针对性的指导，并进行时间和节奏控制。小组内部讨论结束后，在教师的指导下进行小组之间的互相答疑。教师找出学生存在的共性问题，有针对性地对重难点进行讲评。

此时学生对知识点有了基本的理解和掌握，教师可抛出深层次分析型或应用型的问题，比如启发学生进行思考：超静定结构在温度变化的作用下，杆件一般是哪侧受拉？同时借助雨课堂随堂测试的答题反馈情况，及时了解学生对基本概念的掌握情况（见图5）。教师根据学生的掌握情况，进行侧重性的引导。

学生掌握了基本知识和概念后，任课教师可结合实际工程中的“连续梁桥”案例（见图6）开展教学，这也是后期学生在进行毕业设计时最容易出现力学概念混淆的一个实际案例。针对整体升温或降温情况下连续梁桥的截面内力情况，先让各小组进行思考讨论，讨论结束后在教师的引导下，各小组将讨论结果进行展示，由教师进行总结，通过这种方式，强化学生对基本理论和基本概念的应用和分析能力，加强对学生职业道德素养和价值观的培养。本阶段采用同伴教学法[14]，结合雨课堂的随堂测试功能，旨在重点培养学生对知识的应用能力以及分析问题和解决问题的能力。

3.课后阶段：反思总结和拓展应用——挑战能力和创新能力的训练

任课教师根据学生的学习情况选择具有一定挑战度的题目作为学生课后拓展思考题，比如温度变化对结构有何影响？让学生对工程中的“连续梁桥”结构在不同温度变化时的截面内力进行计算，进而分析思考在不同温度变化作用下，结构都是温度变化较低的一侧受拉吗？存在什么样的特殊情况？再比如，提出探究性问题：我国高速铁路轨道采用无缝线路，如何考虑温度变化引起的轨道位移？让学生通过小组讨论完成教师布置的课后拓展思考题，学会举一反三，并通过作业训练进行反思总结。设置探究性问题能够提高课程的创新性和挑战度，培养学生的挑战能力和创新精神。

（三）课堂实践效果评价

通过调查发现，在结构力学中采取线上线下混合式教学得到了学生的一致好评（见图7）。

2018年春季学期至2021年春季学期连续4个学期的学生最终成绩在各个分数段的占比统计结果如图8所示。从图中可以看出，除了2020年春季学期（疫情的特殊时期），结构力学课程的不及格率基本在25%～30%，进一步反映出该课程具有一定的挑战度，同时还可以看出课程教学改革能够有效提高成绩中等及偏上学生的成绩，但是对于学习主动性差、学业困难的学生来说效果不太明显。

三、结语

2020年，北京交通大学结构力学I获批首批国家级线下一流课程，课程组以立德树人为根本任务，采用“以学生为中心”与“以工程为中心”同频共振的结构力学教学改革理念，提出了“三阶段、四层次”的教学设计，并基于此开展了线上线下混合式教学。通过教学实践发现：

首先，在“智能+”的时代背景下，针对“00后”的大学生开展有效的线上线下混合式教学，贯彻“以學生为中心”与“以工程为中心”的教学改革理念，可产生较好的教学效果。

其次，“三阶段、四层次”的方法能够为教学活动提供一个思路清晰的教学设计，在课中阶段，尤其注重学生的参与式学习。将对分教学、小组讨论、案例分析、启发式引导、雨课堂等新型教学方法和手段合理地融入教学设计，加强学生的参与式学习和课堂互动，有效实现一流课程的高阶性、创新性和挑战度。

最后，一流课程的建设不仅对学生提出了较高的要求，而且对任课教师提出了前所未有的挑战。任课教师必须走出“舒适区”，对每一个教学环节进行精心的设计。用“方法”去教导学生，用“爱”去浇灌学生，用“情怀”去引导学生，才能真正实现一流课程的高效建设。

［ 参 考 文 献 ］

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[11] BONK C J， GRAHAM C R .The handbook of blended learning： global perspectives， local designs [M]. San Francisco： Pfeiffer， 2012.

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[14] 埃里克·马祖尔. 同伴教学法：大学物理教学指南 [M].朱敏，陈险峰，译. 北京：机械工业出版社， 2011.

［责任编辑：苏祎颖］