材料力學(xué)課程資源建設(shè)及多種課堂教學(xué)模式的實踐和探討

安 軍 范勁松 周應(yīng)龍 李 偉 曾霞光

1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院 廣東佛山 528000

2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院工業(yè)設(shè)計與陶瓷藝術(shù)學(xué)院 廣東佛山 528000

材料力學(xué)(含工程力學(xué))作為機械工程、車輛工程以及工業(yè)設(shè)計等一些近機械類工科專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課程，用以培養(yǎng)學(xué)生在設(shè)計中特別是機械設(shè)計中有關(guān)力學(xué)方面的設(shè)計計算能力。材料力學(xué)以研究構(gòu)件正常工作所需的強度條件、剛度條件和穩(wěn)定性問題為核心，主要涉及構(gòu)件的拉壓、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲四種基本變形以及它們之間的組合變形形式。該課程在教學(xué)中起到承上啟下的作用，一些基本概念和定理與高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)等前序課程密切相關(guān)，又是機械設(shè)計基礎(chǔ)、機械設(shè)計、機械優(yōu)化設(shè)計和模具設(shè)計等課程的理論基礎(chǔ)。因此學(xué)習(xí)這門課程既可以解決一些簡單工程實際問題，同時又為后續(xù)有關(guān)課程和其他相關(guān)的科學(xué)技術(shù)提供必要的理論基礎(chǔ)[1-4]。

材料力學(xué)除了理論性強，概念比較抽象，公式多，知識點繁雜以外，同時和工程實際結(jié)合比較緊密，很多結(jié)論和計算方式都來源于實驗結(jié)果[1-4]。但課堂教學(xué)的課時在不斷縮減，教師很難在有限的時間內(nèi)講授更多更精彩的知識給學(xué)生，學(xué)生理解時較困難，教和學(xué)都有一定難度，這些都對傳統(tǒng)課堂教學(xué)提出了挑戰(zhàn)。如何有效地提高學(xué)生課堂的參與度和積極性，提高學(xué)習(xí)效果以及課后的作業(yè)質(zhì)量等問題，是每位教師必須思考的事情。因此必然從以教師為中心、傳授知識為主的傳統(tǒng)教學(xué)方式，逐漸向以學(xué)生為中心、應(yīng)用知識為主的教學(xué)方式轉(zhuǎn)變。

佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院地處廣東省佛山市，是教育部批準(zhǔn)設(shè)立的全日制普通本科院校，是廣東省高水平理工科大學(xué)建設(shè)高校，學(xué)校現(xiàn)在有9個專業(yè)按照一本進行招生，其他專業(yè)按照二本進行招生。機電工程學(xué)院下屬的二級學(xué)院，現(xiàn)有機械設(shè)計制造及其自動化(從2016年開始按照一本招生)、機械電子工程(從2018年開始招生，按照二本招生)和車輛工程(按照二本招生)。下面主要以機械設(shè)計制造及其自動化和車輛工程兩個專業(yè)這幾年在材料力學(xué)教學(xué)改革方面的心得體會為例進行說明，以起到拋磚引玉的作用。

1 課程資源建設(shè)情況及翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的應(yīng)用

1.1 課程資源建設(shè)情況

材料力學(xué)課程在2014年獲得佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院創(chuàng)新強校工程精品資源共享課程校級立項，并于2015年獲得廣東省質(zhì)量工程精品資源共享課程省級立項，經(jīng)過幾年的建設(shè)于2018年順利通過學(xué)校驗收結(jié)題，并上報申請參與廣東省質(zhì)量工程結(jié)題。其成果主要是建立了一個材料力學(xué)精品資源共享課程網(wǎng)站，該網(wǎng)站包括的主要資源見表1。

表1 資源清單

表1(續(xù))

本精品資源共享課程的主要創(chuàng)新點如下。

(1)采用知識點建立了比較完整的課程微課資源：按照相似性和類似性原則創(chuàng)新性地對課程主要內(nèi)容進行了分類，并且按照大類方式對課程內(nèi)容進行了整理，得到了一系列的知識點，制作了知識點PowerPoint，并采用錄屏的方式得到微課形式的知識點視頻(如圖1所示)，增強了內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)性，便于學(xué)生系統(tǒng)性地理解和應(yīng)用知識，并且利用知識點視頻組織學(xué)生復(fù)習(xí)和學(xué)習(xí)，這些基本工作的完成為下述的課程教學(xué)模式的改革打下了基礎(chǔ)。

圖1 知識點視頻示例

(2)有限元動畫制作：針對現(xiàn)有動畫存在的問題以及機械工程專業(yè)特點，利用本專業(yè)的一些相關(guān)三維設(shè)計軟件(SolidWorks等)的分析部分，通過對桿件在不同材料和不同載荷下的變形進行有限元分析，制作了可以直觀(通過顏色變化等方式)看出應(yīng)力變化的三維動畫(在此稱為有限元動畫，如圖2所示)，共完成了低碳鋼、合金鋼以及鑄鐵3種典型材料的軸向拉壓、彎曲以及扭轉(zhuǎn)等有限元動畫的制作，可以播放學(xué)習(xí)。

圖2 有限元動畫部分示例

1.2 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的應(yīng)用

在2014級車輛工程專業(yè)材料力學(xué)B的實際教學(xué)過程中，首次采用了翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，教學(xué)計劃48個學(xué)時，其中36個學(xué)時采用了翻轉(zhuǎn)課堂的形式進行教學(xué)。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式構(gòu)建主要包括兩個方面：課前學(xué)習(xí)教學(xué)設(shè)計和課堂活動教學(xué)設(shè)計，采用課前學(xué)習(xí)(視頻+課前思考題)、課堂學(xué)習(xí)(課前測試+重點講解+課前思考題+課前測試題講解+課堂練習(xí)+課堂測試+下一次的視頻和思考題)、課后作業(yè)的教學(xué)模式，有效減少了學(xué)生課堂打瞌睡和看手機的現(xiàn)象，提高了課堂的活躍程度。最后通過問卷調(diào)查的方式對教學(xué)效果、教學(xué)模式和課程滿意度等方面進行了調(diào)查，教學(xué)方式得到了學(xué)生的一致肯定，學(xué)生滿意度達(dá)86.5%。通過與同年級的班級和上幾屆的卷面成績進行對比，利用翻轉(zhuǎn)課堂后，學(xué)生的考試成績確實得到了普遍提高[2]。

2 對分易教學(xué)平臺的應(yīng)用及教學(xué)模式改進

2.1 對分易教學(xué)平臺的應(yīng)用

在首次采用翻轉(zhuǎn)課堂模式進行教學(xué)后，出現(xiàn)如下問題：(1)課前思考題、課前測試題和課堂測試題不能及時批改，對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況無法得到及時反饋，因此在測試題講解時不能有效做到有的放矢；(2)學(xué)生需要大量的課外時間進行學(xué)習(xí)，二年級是整個大學(xué)時期學(xué)習(xí)壓力和負(fù)擔(dān)最重的時期，學(xué)生對此意見較大；(3)視頻時間過長，網(wǎng)上收集整理的視頻主要以課堂實錄為主，視頻時間一般在40分鐘左右，學(xué)生很難堅持看完，而且也不利于學(xué)生進行片段化學(xué)習(xí)(知識點視頻的制作解決了這方面的問題)。

對分易教學(xué)平臺是一款集考勤、作業(yè)、在線教學(xué)資源、教學(xué)答疑等常規(guī)教學(xué)需求于一體的教學(xué)軟件。對分易教學(xué)平臺可以在電腦端操作，便于教師上傳教學(xué)資料，也可以在手機微信端操作，特別適合學(xué)生利用碎片化時間進行學(xué)習(xí)和測試，也便于教師及時發(fā)布學(xué)習(xí)信息[5-7]。為了解決上述問題，在教學(xué)中引入了該教學(xué)平臺，在對分易教學(xué)平臺上整理錄入判斷、選擇及填空題100余題，并組成了20～30套左右的試卷以便進行課前、課堂和課后網(wǎng)上測試(如圖3所示)，并對學(xué)生進行了測試，其測試結(jié)果分析如圖4所示。

圖3 試題庫示例

圖4 學(xué)生測試情況分析

在2015級機電專業(yè)中采用了對分易課堂的教學(xué)模式，將課程分成了兩個階段，第一階段(第一節(jié)課)主要包括：(1)評講上次課的測試題、前次作業(yè)，并回答學(xué)生在微信上提出的問題(控制在20～25分鐘)；(2)本次課程要點1～2分鐘(以提出問題為主的方式)，學(xué)生看書自學(xué)10～15分鐘。第二階段(第二次課)包括：(1)利用對分易進行課堂測試；(2)課堂測試評講，同時教師學(xué)生提問并解答，考查看書效果；(3)課程內(nèi)容講解15～20分鐘，其中例題1～2個，課堂討論；(4)小結(jié)，布置作業(yè)、預(yù)習(xí)和觀看的視頻等。

采用這種教學(xué)方式后，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對基本概念的理解特別清楚，課堂氣氛非常活躍，存在的問題得到了及時地解決，但還存在一些問題：例如做大題的效果不如翻轉(zhuǎn)課堂好，而且課堂時間看書自學(xué)占用了有限的課堂教學(xué)資源。

2.2 教學(xué)模式的改進

為了解決上述問題，在2016級機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的教學(xué)工作中，將對分易課堂和翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方法進行了引進、吸收以及改造，采用了“翻轉(zhuǎn)課堂+對分易課堂”的教學(xué)模式，應(yīng)用了材料力學(xué)精品共享資源課程中的知識點視頻對部分章節(jié)采用翻轉(zhuǎn)課堂的形式，加強了作業(yè)的評價力度、課堂討論、課堂作業(yè)等教學(xué)手段，結(jié)合實際教學(xué)情況，利用對分易教學(xué)平臺(測試題、考勤、提問和成績冊等功能)，增加了每個章節(jié)的網(wǎng)上測試、課堂作業(yè)上傳、課前測試等方式，采用紙質(zhì)試卷進行期中測試，同時修訂了成績評定方式，其具體教學(xué)過程及模式如下。

(1)課前學(xué)習(xí)知識點視頻(部分)，并完成課前測試。(2)評講上次的作業(yè)和課前測試(部分章節(jié))，并讓學(xué)生對作業(yè)中的問題提問，教師解答問題。(3)根據(jù)課前測試情況，利用20～30分鐘的時間，對該部分的重點內(nèi)容進行針對性講授，同時提問討論。(4)課堂作業(yè)評講，并上傳到對分易教學(xué)平臺。(5)布置課后作業(yè)、視頻及預(yù)習(xí)思考題或課前測試題。

3 考核方式的改革

通過幾個年級的教學(xué)實踐及應(yīng)用，并經(jīng)多次修訂，建立了相對完善的學(xué)生成績考核評定方法，改變了原有單一的平時成績(30%)、期末考試(70%)的考核方式，現(xiàn)行的成績考核方式組成情況見表2。主導(dǎo)思想是增加平時成績評定的權(quán)重和平時成績的多樣性，具體項目可以根據(jù)實際情況進行調(diào)整。

表2 成績組成表

為了鼓勵學(xué)生積極思考，對提出問題和回答問題都記比較高的分?jǐn)?shù)，并且采用不管對錯，只要主動回答問題就加分，但分值有差別分成了幾檔，見表3。上述考核方式不但有助于學(xué)生更積極主動地參與課堂教學(xué)活動，同時有利于學(xué)習(xí)效果的提高。

表3 提問及回答問題分?jǐn)?shù)計分表

4 結(jié)語

通過幾年材料力學(xué)精品資源共享課程網(wǎng)站的建設(shè)和幾個年級的材料力學(xué)教學(xué)方式改革和教學(xué)實踐，對于材料力學(xué)這門課程來說，在依托精品資源共享網(wǎng)站的基礎(chǔ)上采用“翻轉(zhuǎn)課堂+對分模式+傳統(tǒng)教學(xué)”的模式以及相應(yīng)的評分標(biāo)準(zhǔn)，能較好地解決傳統(tǒng)教學(xué)中面臨的許多問題。通過這種教學(xué)方式，能較好地解決學(xué)生在課后做作業(yè)難，抄襲作業(yè)現(xiàn)象比較嚴(yán)重的問題，大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為在課堂上及時解決問題的方式加深了理解和記憶，而且由于互動交流較多，自己動手和動腦的時間多，課堂氣氛活躍，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性較高，主動提問題和回答問題的熱情比較高，學(xué)生的自學(xué)能力和考試成績也得到了一定的提升，有效地提高了課堂教學(xué)效果、教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的自學(xué)能力。