支架式教學(xué)在材料力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究

張效忠 孫國民

摘 要：材料力學(xué)課程是工程類學(xué)生的核心基礎(chǔ)課程，對地方本科院校的學(xué)生來講是比較難學(xué)的一門課程。學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和課堂上經(jīng)歷的體驗(yàn)有很大關(guān)系，因此，在課堂學(xué)習(xí)過程中需要更加強(qiáng)調(diào)使用以學(xué)生為中心的方法和支架教學(xué)法將科學(xué)與生活聯(lián)系起來的創(chuàng)新方法。本研究旨在深入了解以學(xué)生為中心的教學(xué)的作用，特別是將支架教學(xué)法實(shí)施到材料力學(xué)課程中。這項(xiàng)研究還試圖改變學(xué)生使其從被動學(xué)習(xí)到主動學(xué)習(xí)。研究結(jié)果表明，應(yīng)用支架教學(xué)法能夠在材料力學(xué)教學(xué)過程中提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，以學(xué)生為中心的教學(xué)方法比傳統(tǒng)以教師為中心的教學(xué)方法更能調(diào)動學(xué)生的主動性，取得了更好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：支架式教學(xué)；材料力學(xué)；以學(xué)生為中心；主動學(xué)習(xí)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）02-0081-03

Abstract： Material mechanics is a core basic course for engineering students， and it is a difficult course for local undergraduate students. Students' learning effect is closely related to their experience in class. Therefore， more emphasis should be placed on the use of student-centered methods and scaffolding teaching methods to link science with life. The purpose of this study is to understand the role of student-centered teaching， especially the application of scaffolding teaching method in the course of material mechanics. The study also attempts to change students from passive learning to active learning. The results show that the application of scaffolding teaching method can improve students' learning enthusiasm in the teaching process of material mechanics， and the student-centered teaching method can mobilize students' initiative better than the traditional teacher-centered teaching method， thus achieving better teaching effect.

Keywords： scaffolding instruction； material mechanics； student centered； active learning

引言

幾十年來，國內(nèi)外高校教師對材料力學(xué)課程教學(xué)范式做了大量的研究，其中涉及以課堂為中心的教學(xué)方法的改革主要有兩種范式：以教師為中心的學(xué)習(xí)和以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)；以教師為中心的范式涉及從傳播信息的教師到被動接收信息的學(xué)生，該范式是傳統(tǒng)上知識傳播方式。在知識傳播過程中，教師作為核心，起到傳授知識，評定學(xué)生接受程度，并采取措施來促進(jìn)教學(xué)效果。在以教師為中心的范例中，重點(diǎn)是獲得正確的答案，學(xué)習(xí)過程具有競爭性和個(gè)性化。而以學(xué)生為中心的范式積極地讓學(xué)生構(gòu)建知識，學(xué)習(xí)過程以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)提出問題并積極尋找解決問題方法，嘗試從錯(cuò)誤中學(xué)習(xí)，診斷學(xué)習(xí)效果也是以學(xué)生為中心。以學(xué)生為中心的方法中教師和學(xué)生之間是合作關(guān)系、協(xié)作關(guān)系和相互支持關(guān)系。幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者對以學(xué)習(xí)為中心的社區(qū)的新范式做了大量實(shí)驗(yàn)，但是教學(xué)效果都或多或少的存在系列問題，不能達(dá)到理想的教學(xué)效果。特別對于地方高校，學(xué)生基礎(chǔ)不是很好的情況下，教學(xué)改革更是舉步維艱[1]。本研究通過把支架式教學(xué)應(yīng)用到力學(xué)教學(xué)中，探索針對地方高校學(xué)生的力學(xué)類課程教學(xué)新方法，為地方高校的力學(xué)教學(xué)提供新的途徑。

一、教學(xué)中的腳手架

近年來腳手架的概念已經(jīng)成為教育工作者討論的主題，也是工程教育研究的新重點(diǎn)[2]。教育工作者開始采用新的視角來理解腳手架的性質(zhì)和重要性以及它如何與以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)聯(lián)系起來。腳手架指的是學(xué)習(xí)支持和輔助工具，以便讓學(xué)生更容易掌握新的課程材料，否則這些材料太復(fù)雜而不易理解。腳手架的工作原理是減少學(xué)生學(xué)習(xí)材料所需的認(rèn)知努力量；通過事先向?qū)W生提供概念，學(xué)生的注意力過程可以集中在問題而不是知識獲取上。

二、新的以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)方法

講座是學(xué)術(shù)界最常用的教學(xué)方法，如果在力學(xué)課程中加以應(yīng)用，將在力學(xué)課程中起到重要作用。在力學(xué)課程學(xué)習(xí)過程中適當(dāng)使用主題講座，解釋課程中涉及的復(fù)雜概念和思想，并為這些概念的提出背景以及人物背景和成就加以細(xì)化，對該主題的核心形象化的進(jìn)行分享并對該主題相關(guān)的人物進(jìn)行選擇性講解，當(dāng)然講座準(zhǔn)備過程也需要教師反復(fù)反思課程內(nèi)容。講授教學(xué)模式有其固有的優(yōu)勢，一直是傳統(tǒng)的力學(xué)課程教學(xué)方式，與積極合作的教學(xué)模式相比，雖然需要更多的講授時(shí)間，但能夠覆蓋更多的信息。以學(xué)生為中心的教學(xué)支持者對講座式學(xué)習(xí)方法提供過多的信息而加以批評，他們強(qiáng)調(diào)更深入地涵蓋學(xué)科的重要性。

目前，合作學(xué)習(xí)模型在力學(xué)課程教學(xué)中應(yīng)用成為國內(nèi)外力學(xué)教師關(guān)注的焦點(diǎn)，合作學(xué)習(xí)是一種生態(tài)模式，強(qiáng)調(diào)建立一種開放的、信任的、相互依賴的氣氛。合作學(xué)習(xí)的概念具有強(qiáng)大的理論基礎(chǔ)，該理論核心是為了建立積極的探究氛圍，參與者必須帶有目的性并以某種方式進(jìn)行互動。學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中被動地傾聽和記憶，學(xué)習(xí)的主動性明顯不足。對于工程教育者來說，開展合作學(xué)習(xí)非常困難。因?yàn)樗枰獜V泛的培訓(xùn)，練習(xí)，并需要花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)備。特別對于新進(jìn)教師來說，這可能非常耗時(shí)。除此之外，合作學(xué)習(xí)要求個(gè)人觀點(diǎn)發(fā)生重大變化，不能采用自身學(xué)習(xí)過程的學(xué)習(xí)方法。教師不再是教學(xué)的中心地位，而是教學(xué)行為的推動者，資源提供者和過程評估者。因此，在材料力學(xué)課程中應(yīng)用合作學(xué)習(xí)時(shí)，教師必須認(rèn)識到五個(gè)建議的元素[3-4]：

1. 學(xué)習(xí)者必須培養(yǎng)歸屬感，并學(xué)習(xí)協(xié)作努力所需的社交技能，如領(lǐng)導(dǎo)力和解決沖突能力。

2. 學(xué)習(xí)者必須進(jìn)行面對面的互動。如果學(xué)生們沒有對結(jié)果或方法進(jìn)行達(dá)成共識，那么合作學(xué)習(xí)的絕對積極的認(rèn)知和情感結(jié)果將無法實(shí)現(xiàn)。

3. 每個(gè)參與者都必須加強(qiáng)自己的責(zé)任感。來自教師和同伴的任務(wù)分配，評估和反饋必須確保每個(gè)學(xué)生的個(gè)人責(zé)任。

4. 學(xué)習(xí)者必須及時(shí)參與他們小組的互動，這決定了他們?nèi)绾魏献饕约案倪M(jìn)。

5. 學(xué)習(xí)者必須努力實(shí)現(xiàn)積極相互依存的目標(biāo)。學(xué)生必須關(guān)心同齡人的學(xué)習(xí)表現(xiàn)，因?yàn)樗麄兪顷P(guān)于自己的。

許多學(xué)者對不同年齡學(xué)生進(jìn)行合作學(xué)習(xí)的影響研究，從學(xué)齡前兒童到大學(xué)本科生。Slavin（1991）深入研究了小學(xué)和中學(xué)的60項(xiàng)研究，其中治療和對照組研究了相同的目標(biāo)至少四周[5]。約翰遜和約翰遜（1984）在超過1000篇文章中選擇的521項(xiàng)研究中工作了12年，其中包括各級教育（學(xué)齡前兒童到大學(xué)本科生）。所有這些學(xué)術(shù)研究都表明，如果存在積極的相互依賴和個(gè)人責(zé)任的要素，合作學(xué)習(xí)必然會促進(jìn)更高的成就[6]。約翰遜和約翰遜（1984）強(qiáng)調(diào)存在相當(dāng)多的面對面互動和小組處理，以改善整體的團(tuán)隊(duì)運(yùn)作，同時(shí)對成就收益也很重要。隨著這些元素的額外存在，合作學(xué)習(xí)導(dǎo)致更頻繁地使用高質(zhì)量推理策略，更頻繁地過渡到更高層次的推理，以及更頻繁地使用元認(rèn)知策略[7]。同樣重要的是，Slavin和Johnson和Johnson一直發(fā)現(xiàn)改善人際關(guān)系，提高學(xué)習(xí)動機(jī)（特別是內(nèi)在動機(jī)）的積極效果， 更高的自尊水平和更強(qiáng)的多民族關(guān)系，參與者對其他人有不同的，動態(tài)的和現(xiàn)實(shí)的觀點(diǎn)，而不是靜態(tài)的陳規(guī)定型觀點(diǎn)[8]。

因此，本研究的主要挑戰(zhàn)之一是設(shè)計(jì)一種腳手架和合作學(xué)習(xí)策略，不僅可以提高經(jīng)驗(yàn)和效果，而且還可以應(yīng)用在常規(guī)課堂時(shí)間內(nèi)。腳手架如何影響學(xué)生的學(xué)習(xí)以及如何將腳手架和合作學(xué)習(xí)概念納入材料力學(xué)課程，而不需要從傳統(tǒng)教學(xué)方法的巨大轉(zhuǎn)變中解決這個(gè)問題。

三、課程設(shè)計(jì)和程序

這項(xiàng)研究的對象是貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院的工科學(xué)生，從中抽取受訪者是從2015年到2018年參加工程力學(xué)和材料類學(xué)力學(xué)的學(xué)生。樣本共有500名學(xué)生，其中440名（88.0%）是男性，60名（12.0%）是女性。具體的學(xué)生學(xué)者見表1所示。所選學(xué)生的專業(yè)分別是機(jī)械工程、土木工程、安全工程和建筑工程技術(shù)。本研究使用以教師為中心的教學(xué)法和以學(xué)生為中心的教學(xué)法在材料力學(xué)課程中進(jìn)行比較，對教學(xué)效果進(jìn)行分析。使用以教師為中心的教學(xué)法的被動教學(xué)方法是傳統(tǒng)的50分鐘，每周二次的課程，使用以學(xué)生為中心的教學(xué)法的主動教學(xué)方法是一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的50分鐘，一周二次的課程，涉及干預(yù)和腳手架方法，包括補(bǔ)充視頻和互動教學(xué)風(fēng)格。該比較旨在關(guān)注學(xué)生的最終成績。

本研究中的被動學(xué)習(xí)是典型的傳統(tǒng)上課形式，教師和學(xué)生之間的互動往往顯得僵硬，僅限于問題和答案。典型的講座形式限制了學(xué)生在課堂上的互動。另一方面，正如其標(biāo)題所暗示的那樣，主動學(xué)習(xí)是“除了”傳統(tǒng)講座形式之外的東西。本研究中主動學(xué)習(xí)的概念很簡單，學(xué)生通過在教師（腳手架）的指導(dǎo)下探索問題和想法，在學(xué)習(xí)中發(fā)揮了積極作用。學(xué)生在課堂上學(xué)習(xí)思維方式，提問，尋找答案，并在學(xué)習(xí)小組中合作學(xué)習(xí)。

在這項(xiàng)研究中，從2015年到2018年，在四年期間對兩組參與者進(jìn)行了平行的事后研究：機(jī)械工程的本科生，他們參加了傳統(tǒng)的（被動）學(xué)習(xí)材料力學(xué)課程，以及土木工程的本科生參加實(shí)驗(yàn)（主動學(xué)習(xí)）材料力學(xué)學(xué)習(xí)。本文的作者之一（講師孫國民）從2015年到2018年，每學(xué)期不斷教授實(shí)驗(yàn)，以學(xué)生為中心的材料力學(xué)教學(xué)課程。機(jī)械工程學(xué)院的兩名教師從2015年到2018年以教師為中心的材料力學(xué)教學(xué)法。上面的表1顯示了學(xué)生人數(shù)和教師數(shù)量的細(xì)分。

參與調(diào)研的班級都有相同的教學(xué)大綱，所有教師在整個(gè)學(xué)期都使用相同的教材，所有教師在學(xué)期末進(jìn)行相同的考試，所有教師使用相同的評分方案（在考試和作業(yè)期間扣除相同數(shù)量的分?jǐn)?shù)）和評分等級。此外，還進(jìn)行了方差分析，以確定10名傳統(tǒng)教師的學(xué)生表現(xiàn)是否存在實(shí)質(zhì)性差異，沒有顯著差異（p>0.05）可以提供證據(jù)來證明組內(nèi)差異很重要。

四、數(shù)據(jù)分析

本研究采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，非參數(shù)獨(dú)立樣本檢驗(yàn)和一般線性單變量模型分析，以了解學(xué)生學(xué)習(xí)有效性的結(jié)果，以學(xué)習(xí)干預(yù)措施對材料力學(xué)的影響。為了有效地調(diào)查最有成效的教授材料力學(xué)課程的方法，本研究旨在回答關(guān)于材料力學(xué)課程類型的首要問題傳統(tǒng)的45分鐘，每周兩次課程（被動，以教師為中心的學(xué)習(xí)教學(xué)法）或?qū)嶒?yàn)教學(xué)法45分鐘，每周二次課程，其中涉及包括腳手架在內(nèi)的干預(yù)措施，它是學(xué)生在材料類力學(xué)中表現(xiàn)的重要預(yù)測因素。采用定量數(shù)據(jù)收集，可以分析數(shù)據(jù)使用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件中提供的統(tǒng)計(jì)分析程序。為了保證機(jī)密性，使用學(xué)生識別號碼建立數(shù)據(jù)集；但是，一旦數(shù)據(jù)集完成，所有學(xué)生標(biāo)識符在統(tǒng)計(jì)分析之前被刪除，所有結(jié)果以匯總形式呈現(xiàn)，以便不能識別任何個(gè)體。這確保了該項(xiàng)目的調(diào)查人員無法識別數(shù)據(jù)所屬的個(gè)人。

五、結(jié)果與討論

比較表2中的大學(xué)前表現(xiàn)，可以看出，參加實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生與參加傳統(tǒng)學(xué)習(xí)的學(xué)生相比，進(jìn)入大學(xué)時(shí)略有不足。所有大學(xué)預(yù)備變量，從高考成績來看參與主動教學(xué)法的學(xué)生普遍比參加傳統(tǒng)教學(xué)法的成績略低。但在績點(diǎn)上相差僅0.03，故可以認(rèn)為兩組中的學(xué)生在進(jìn)入大學(xué)的同一水平，這在主動學(xué)習(xí)干預(yù)之前確定了兩組的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)是沒有差異的。

從表3可以看出，參加主動教學(xué)法試驗(yàn)的學(xué)生的平均成績比傳統(tǒng)教學(xué)方法逐年提高，這與教師在教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的積累有關(guān)。對應(yīng)的不及格率，以學(xué)生為中心的教學(xué)方法不及格學(xué)生幾乎為零，明顯是提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣所致。對應(yīng)的優(yōu)秀率，傳統(tǒng)的教學(xué)方法中優(yōu)秀人數(shù)機(jī)會沒有大的變換，而主動教學(xué)法的學(xué)生優(yōu)秀率逐年提高，明顯是學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和對知識掌握的程度都比傳統(tǒng)教學(xué)方法要好。

這項(xiàng)研究的結(jié)果與預(yù)期的一致，但是創(chuàng)建一個(gè)積極的，以學(xué)生為中心的課程對于教育者來說并不是一件容易的事。它需要正式的培訓(xùn)，積累大量的經(jīng)驗(yàn)。本研究中分析的工程專業(yè)的差異雖然是學(xué)生表現(xiàn)的預(yù)測因素，但并不是本文假設(shè)的一部分，因此在討論中并未進(jìn)行討論。參與者都在學(xué)習(xí)材料力學(xué)課程的內(nèi)容領(lǐng)域，其他課程有待實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

六、結(jié)論與建議

（一）結(jié)論

采用以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)教學(xué)法，運(yùn)用腳手架，補(bǔ)充視頻和互動教學(xué)風(fēng)格對學(xué)生學(xué)習(xí)材料力學(xué)成績提高有顯著影響。與傳統(tǒng)的教學(xué)方法相比，主動教學(xué)方法具有明顯的優(yōu)勢，值得地方本科院校和大專院校推廣采納。

（二）對教師和未來研究人員的建議

對于材料力學(xué)教學(xué)過程中任何有教授這些能力的教師都可以按照以學(xué)生為中心的教學(xué)方法對課程進(jìn)行重組，同時(shí)也有機(jī)會體驗(yàn)更新的教學(xué)方法。材料力學(xué)課程課堂教學(xué)應(yīng)該提供資源和支持，以學(xué)習(xí)如何在課堂上實(shí)施以學(xué)生為中心的教學(xué)法。應(yīng)鼓勵工程系教師在他們的工作中使用腳手架和合作學(xué)習(xí)教學(xué)法，以確定哪些以學(xué)生為中心的內(nèi)容達(dá)到最好的教學(xué)效果。需要進(jìn)一步研究探索以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)在入門的基礎(chǔ)課程中的相互關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉萍華.20年來我國材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革文獻(xiàn)綜述[J].力學(xué)與實(shí)踐，2009（06）.

[2]陳茹儀，孫洪軍.“材料力學(xué)”課程教學(xué)方法 教學(xué)手段的研究與改革[J].遼寧工學(xué)院學(xué)報(bào)（社會科學(xué)版），2007（03）.

[3]韋成龍，李學(xué)罡，徐飛鴻，等.材料力學(xué)教學(xué)體系改革的研究與實(shí)踐[J].中國高教研究，2001（04）.

[4]李玉蘭，張永祥，樊小龍.材料力學(xué)課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].高等建筑教育，2010（19）.

[5]Schul， J. E. . Revisiting an Old Friend： The practice and promise of cooperative learning for the twenty-first century[J]. Social Studies，2011， 102（2）：88-93.

[6]Slavin， R. . Synthesis of research on cooperative learning[J]. Educational Leadership，1991，48（5）：71-81.

[7]Slavin， R. & Oickle， E. . Effects of cooperative learning teams on student achievement and race relations：Treatment by race interactions[J].Sociology of Education， 1981，54（3）：174-180.

[8]Steif， P. S. & Dollar， A. . An interactive， cognitively，informed， web-based statics course[J].International Journal of Engineering Education， 2008，24（6）：1229-1241.