新工科背景下地方高校材料力學(xué)金課建設(shè)路徑與探索1)

徐 鋒 范 劍 許晨光

?(臺州學(xué)院航空工程學(xué)院，浙江臺州318000)

?(浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江寧波315000)

過往的很長時間里，高等教育中“三重三輕”現(xiàn)象普遍存在，即“重教書、輕育人，重智育、輕德育，重科研、輕教學(xué)”[1]，造成的結(jié)果之一是低階、陳舊、灌輸、封閉和不用心的“水課”蔓延，使人才培養(yǎng)離既定目標漸行漸遠，也造成了高校教學(xué)資源的極大浪費[2]。2018 年11 月教育部高等教育司司長吳巖在第11 屆大學(xué)教學(xué)論壇上明確表示應(yīng)率先在新工科等“四新”建設(shè)中打造“金課”，把“金課”作為“四新”建設(shè)的重要內(nèi)容抓出成效。而且特別申明了國家級“金課”中要包含相當比例的地方高?！敖鹫n”，“金課”不是只為部屬院校而設(shè)，中國高等院校所有的好課都可以選作國家級“金課”[3]。

1 存在問題

“金課”課堂之“金”在于：高階開放、對話質(zhì)疑、知行合一、學(xué)思結(jié)合。特別是在新工科建設(shè)背景之下，培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型的卓越工程人才更需要“金課”作為基礎(chǔ)支撐。而地方高校作為直接服務(wù)地方經(jīng)濟社會發(fā)展的區(qū)域與行業(yè)科技服務(wù)基地和技術(shù)創(chuàng)新基地，在人才培養(yǎng)、課程設(shè)置和“金課”建設(shè)上亦應(yīng)突出應(yīng)用型特色，但目前僅從材料力學(xué)課程來看，教學(xué)重點仍集中在對概念的理解和公式的運用上，忽視了課程的應(yīng)用性及其與工程實踐的密切聯(lián)系[4]，教學(xué)模式仍以知識傳授為主(以教為主)，課堂狀態(tài)僅能停留在回答(answer)或低質(zhì)量的互動(dialogue)，很難做到質(zhì)疑(critical)和辯論(debate)。而且，由于課程理論性強、力學(xué)模型抽象，學(xué)生難以與實際工程緊密聯(lián)系，造成他們在學(xué)習(xí)過程中對課程重視程度不夠，覺得課程枯燥乏味等現(xiàn)象，難以在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和工程思維能力，這與地方高校的應(yīng)用型培養(yǎng)目標和“金課”建設(shè)的內(nèi)涵均存在一定差距。近年來，圍繞工程教育理念，一些教學(xué)工作者就材料力學(xué)的教學(xué)改革進行了一些有益的探索，如CDIO 模式[5]、翻轉(zhuǎn)課堂[6]、探究式教學(xué)法[7]、課程體系建設(shè)[8]、團隊建設(shè)[9]等，但對標“金課”內(nèi)涵的具體實效性的討論，特別是反應(yīng)地方院校特色的材料力學(xué)教學(xué)改革的高質(zhì)量研究尚不多見，因此，能夠因地制宜、因材施教的可借鑒方法不多，但構(gòu)建主義理論認為環(huán)境和學(xué)習(xí)者的個體特性對學(xué)習(xí)結(jié)果具有決定性作用[10]，拋開地方高校的具體環(huán)境和學(xué)習(xí)者個體特性來討論材料力學(xué)“金課”建設(shè)也很難有實質(zhì)性效果。

目前，地方高校材料力學(xué)課程面臨的具體問題主要集中于以下三個方面。

(1) 教學(xué)環(huán)境變化。隨著新工科和卓越計劃的推進、地方高校轉(zhuǎn)型升級，課程設(shè)置、教學(xué)目標及培養(yǎng)定位等變化明顯，但基礎(chǔ)力學(xué)課程的教學(xué)大綱、內(nèi)容和目標，教學(xué)方法、形式和手段更新及應(yīng)對速度緩慢，造成“教”與“學(xué)”不匹配；

(2)教學(xué)過程困難。受到課程內(nèi)容理論性強、工程模型抽象、課時壓縮、理論與實驗錯位等因素影響，學(xué)生學(xué)習(xí)過程中常遇到機構(gòu)看不懂、原理弄不清、公式不理解等問題，多數(shù)學(xué)生對課程有畏難厭學(xué)情緒；

(3)教學(xué)結(jié)果不理想。課內(nèi)外實踐環(huán)節(jié)缺失，課程考評指標和方法陳舊，以至于教學(xué)雙方在利用基礎(chǔ)力學(xué)解決實際問題的工程思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)上均動力不足。

材料力學(xué)課程作為工科學(xué)生接觸到的最早涉及工程問題的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，承擔著培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維、力學(xué)建模和解決復(fù)雜工程問題能力的任務(wù)和目標，課程承前啟后，地位舉足輕重，課程質(zhì)量的“水”或“金”直接影響后續(xù)的機械原理、結(jié)構(gòu)力學(xué)、課程設(shè)計乃至畢業(yè)設(shè)計等重要課程和實踐環(huán)節(jié)。如何在夯實學(xué)生力學(xué)理論的基礎(chǔ)上培養(yǎng)他們的工程思維和實踐創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和專業(yè)志趣，建設(shè)有深度、有難度、有挑戰(zhàn)度的“金課”[11]已成為新工科背景下地方高校打造材料力學(xué)“金課”亟待解決的問題。

2 應(yīng)對策略

基于上述存在的問題，總結(jié)下來，材料力學(xué)課程要達到“金課”內(nèi)涵需要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的教學(xué)觀念，改革教學(xué)內(nèi)容、方法和評價策略。前者是認識的關(guān)鍵，后者是實踐的關(guān)鍵。

2.1 教學(xué)內(nèi)容改革

教學(xué)內(nèi)容之改革應(yīng)致力于從主要取決于教什么向主要取決于學(xué)什么轉(zhuǎn)變。前者基于課程導(dǎo)向教育理念，后者基于成果導(dǎo)向教育理念[12]。地方高校正在緊跟步伐嘗試走工程認證的路子，以課程目標、畢業(yè)要求和培養(yǎng)目標為導(dǎo)向反向設(shè)計材料力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容，即遵循著“社會需求→培養(yǎng)目標→畢業(yè)要求→課程體系→課程目標→教學(xué)內(nèi)容”的邏輯關(guān)系來重組材料力學(xué)的知識模塊(如表1)，在新工科建設(shè)和卓越工程2.0 的推動下，能夠契合地方產(chǎn)業(yè)特色的多元化和創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)是材料力學(xué)課程內(nèi)容模塊設(shè)置的主要依據(jù)。根據(jù)邏輯目標的遞進關(guān)系，材料力學(xué)課程把內(nèi)容分成了由易到難的四個模塊，即基本概念、宏觀分析、微觀分析和綜合訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生利用材料力學(xué)知識凝練問題、分析問題并綜合解決復(fù)雜工程問題的能力(圖1)。對于應(yīng)用型的地方院校來說，要明確復(fù)雜工程問題的內(nèi)涵，根據(jù)學(xué)校定位和學(xué)生層次確定“復(fù)雜”是意味著綜合而不是僅指繁瑣、困難之意。

表1 基于成果導(dǎo)向的知識模塊重組

圖1 課程多元化教學(xué)方法的實施策略

在實際教學(xué)過程中，(1) 基本概念講解要抓住本質(zhì)和細節(jié)，注重知識之間的邏輯關(guān)系，譬如：不僅要講好應(yīng)力是什么，還要講好應(yīng)力與平均應(yīng)力的區(qū)別，更要讓學(xué)生明白為何要引入應(yīng)力參數(shù)；不但要能梳理基本變形的知識體系，還要講清楚引入單元體和應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)分析的原因，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中體會知識內(nèi)在的邏輯和連貫性，而非孤立被動的接受知識；(2) 對于學(xué)生分析問題能力的培養(yǎng)，要引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)材料力學(xué)解決問題的邏輯思路，譬如：宏觀分析模塊的基本變形問題都可以由“外力→內(nèi)力(圖)→應(yīng)力(變)→校核”的思路解決問題；而微觀分析模塊則在培養(yǎng)學(xué)生分析能力的基礎(chǔ)上更要強調(diào)對綜合知識的運用，為綜合訓(xùn)練模塊打好基礎(chǔ)；(3) 對學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)，要根據(jù)學(xué)生能力水平和學(xué)習(xí)定位來確定工程問題的難度，重在綜合知識的融會貫通，而非僅強調(diào)難度的增加，而綜合能力亦不僅局限于知識的運用能力，還有協(xié)作和交流能力，闡述和表達能力等等，譬如：可以通過課內(nèi)外實踐環(huán)節(jié)，如分組討論、調(diào)研和匯報的方式加強綜合能力的鍛煉。

2.2 教學(xué)方法改革

教學(xué)方法之改革應(yīng)致力于從主要取決于怎么教向主要取決于怎么學(xué)轉(zhuǎn)變。前者是以教為中心的教學(xué)模式，后者是以學(xué)為中心的教學(xué)模式。注重學(xué)生特質(zhì)和水平，改變以教師、課堂和教材為中心的傳統(tǒng)模式，讓學(xué)生成為教學(xué)的主體，主動求知，積極探索，勇于質(zhì)疑，學(xué)思結(jié)合。

為了有效促進學(xué)生對材料力學(xué)課程學(xué)習(xí)的志趣，我們做了“多微”素材的探索，譬如：(1) 對于工程模型抽象的示意圖、原理圖采用微視頻形式展現(xiàn)，利用啟發(fā)引導(dǎo)或?qū)ｎ}形式展開課堂討論，從“理論→模型→工程→模型→理論→計算”的循環(huán)路徑中讓學(xué)生掌握基礎(chǔ)力學(xué)與工程問題之間的關(guān)系，培養(yǎng)他們的工程思維和解決實際復(fù)雜工程問題的能力。(2) 讓學(xué)生對某些運動機構(gòu)仿制簡單模型，在“微實踐”中培養(yǎng)他們相互協(xié)作和溝通能力，并從實踐中體驗基礎(chǔ)力學(xué)課程對后續(xù)專業(yè)課程的重要支撐作用，從而提高他們學(xué)習(xí)材料力學(xué)課程的動力和興趣。(3) 考慮到目前課后作業(yè)因抄襲現(xiàn)象嚴重已無法了解學(xué)生的真實學(xué)習(xí)狀況，可以通過對重點知識模塊進行課堂“微測試”，階段性考核學(xué)生對知識的掌握程度，并及時做出教學(xué)調(diào)整。但在課時已經(jīng)壓縮的情況下利用課堂時間進行測試，要求教師能夠把握知識模塊的“精講”原則，充分利用以“教”為主向以“學(xué)”為主轉(zhuǎn)變的教學(xué)理念。(4) 對于重、難點知識在章節(jié)結(jié)束時可以利用“微課堂”模式進行翻轉(zhuǎn)課堂，讓學(xué)生形成“教學(xué)小組”制定“微教案”，走上講臺講述其對該知識的理解，分享學(xué)習(xí)經(jīng)驗。多微素材的創(chuàng)建真正實現(xiàn)了讓學(xué)生在“做中學(xué)、學(xué)中做”，不僅“學(xué)知識”，而且“長能力”。

同時，為了豐富教學(xué)手段，充分利用線上教學(xué)資源，為課堂教學(xué)提供有效補充，我們還嘗試了譬如：(1) 建設(shè)精品在線開放課程，創(chuàng)建云班課，讓學(xué)生擺脫時間和空間制約，隨時拿起手機，學(xué)習(xí)知識難點，開展線上頭腦風(fēng)暴；(2) 開發(fā)新形態(tài)教材和云教材，讓書本變成可立體交互的多媒體平臺，讓自主學(xué)習(xí)更輕松有趣；(3) 開發(fā)虛擬實驗教學(xué)平臺，讓學(xué)生通過虛擬“微實驗”系統(tǒng)搭建構(gòu)件的載荷和變形形式，觀察結(jié)構(gòu)基本變形的實驗現(xiàn)象，以虛補實、虛實結(jié)合，解決理論與實驗課程錯位問題。等等諸如此類的因地制宜、因材施教的教學(xué)過程建設(shè)希望能夠讓學(xué)生充分認識基礎(chǔ)力學(xué)課程的本質(zhì)是“重要的、有用的、有趣的”，從而改變學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的畏難和厭學(xué)情緒。

2.3 教學(xué)評價改革

教學(xué)評價之改革應(yīng)致力于，從主要取決于教得怎么樣向主要取決于學(xué)得怎么樣轉(zhuǎn)變。前者是投入導(dǎo)向的評價，后者是產(chǎn)出導(dǎo)向的評價。限于現(xiàn)有考評機制導(dǎo)向，教與學(xué)雙方仍把重點放在了考試結(jié)果上，而考試結(jié)果并非教學(xué)根本之“產(chǎn)出”，和地方高校的培養(yǎng)目標也并不一致。適當降低筆試分值比例，增加“非筆試”環(huán)節(jié)在考評中的比重，注重過程性考核和評價可以有效激發(fā)教學(xué)雙方在課內(nèi)外實踐的主動性。

因此，制定靈活柔性的考評策略，并注重以產(chǎn)出為導(dǎo)向的持續(xù)改進，可以不斷激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新與實踐熱情，譬如：(1) 現(xiàn)有綜合測評方法往往采用“平時＋期中＋期末＋實驗”模式，只有平時這一項為“非筆試成績”，以往的平時成績基本由“課后作業(yè)＋點名”來確定，由于課后作業(yè)抄襲嚴重，點名的強制性引起學(xué)生反感等，平時成績已很難客觀反映學(xué)習(xí)情況，而且無法激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，更難以培養(yǎng)學(xué)生參與實踐的熱情，圖2 中列舉了一部分“非筆試”的實踐形式(但不僅限于此)，由學(xué)生根據(jù)個人能力和興趣愛好選擇其中一種(但不限于此)的方式完成實踐項目，對于能夠體現(xiàn)創(chuàng)新能力和工程思維能力的項目還可以通過“微課堂”形式由學(xué)生親自上臺講解，并在平時成績中給予較大分值比例；(2) 各環(huán)節(jié)的具體比重需要體現(xiàn)柔性機制，柔性不是任意，既可以對某一類別的非筆試項目規(guī)定分值，也可以根據(jù)學(xué)生的整體表現(xiàn)對各環(huán)節(jié)的比重做調(diào)整；(3) 柔性考評中已基本忽略了傳統(tǒng)的課后作業(yè)，取而代之的是不定期課堂測試環(huán)節(jié)，教師布置課后作業(yè)由學(xué)生課下自覺完成，而以課堂測試來檢驗教學(xué)效果，作者從過去兩個學(xué)期的實施情況來看，一定程度上實現(xiàn)了教學(xué)雙贏；(4) 強調(diào)學(xué)生在新的考評機制中的主體作用，注重以產(chǎn)出為導(dǎo)向的柔性考評機制的持續(xù)改進，不斷提高教學(xué)效果對培養(yǎng)目標的達成度，讓柔性考評機制形成良性閉環(huán)系統(tǒng)。

圖2 靈活柔性的考評策略

3 實踐效果

經(jīng)過近兩年的教學(xué)實踐，學(xué)生對材料力學(xué)課程的認知和態(tài)度從“聞風(fēng)色變”到逐步改觀，學(xué)生反饋和評價集中在“課程與專業(yè)關(guān)系密切，實踐性強，老師認真負責，上課充滿激情，教學(xué)方法適合”等。在理論課時不斷壓縮的情況下，通過知識模塊調(diào)整、精講多練和線上課堂等手段，從深度和難度接近的期末測試結(jié)果分析來看，學(xué)生的卷面及格率仍穩(wěn)定在70%以上(72.81%/2016年，70.73%/2017年)，相比過去多年60%以下的卷面及格率而言，提升10%以上。而通過加強非筆試環(huán)節(jié)的考評和師生雙方的重視和努力，學(xué)生在撰寫報告、力學(xué)競賽、模型制作等能力方面也有了較大提升，共獲得省級大學(xué)生力學(xué)競賽一等獎1項、二等獎3項，三等獎5項，實現(xiàn)學(xué)校在此項賽事的重大突破。在全國大學(xué)生包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽中，以有限元法分析包裝結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的參賽作品“植物秸稈包裝容器結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析”獲全國二等獎。在課程對專業(yè)培養(yǎng)目標的達成度分析中，分析工程問題、清晰表達設(shè)計目標、實施機械領(lǐng)域相關(guān)實驗等方面表現(xiàn)良好(當量值分別為0.86/0.82/0.90)，學(xué)生在知識和能力上的全面提升也為“高水平、應(yīng)用型”培養(yǎng)目標和專業(yè)認證做出一定貢獻。另外，經(jīng)過多年努力和摸索，課程組的青年教師的教學(xué)水平也得到了大幅度提升，多位教師獲得省、校級教學(xué)技能大賽獎項。2016 年，作者獲得了浙江省第九屆青年教師教學(xué)技能競賽一等獎。材料力學(xué)課程也通過學(xué)生反饋，專家聽課以及現(xiàn)場會評等環(huán)節(jié)最終被評為校首屆“魅力課堂”，多年課程建設(shè)成果也獲得了校、市級教學(xué)成果二、三等獎。青年教師的快速成長是對課程教學(xué)不斷摸索的成果之一，也更高效地反哺著課程教學(xué)。

4 總結(jié)

“金課”概念提出的時間雖短，但使一門課程成為金課的努力一直在進行，材料力學(xué)屬于工科專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課程，地位舉足輕重。課程建設(shè)過程中嘗試的教學(xué)內(nèi)容、方法和評價的改革措施經(jīng)過兩年多的實踐檢驗，得到了良好的反饋和成效，可為同類院校的金課建設(shè)提供參考。