多目標教學設計相融合的“理論力學”教學改革研究

唐雙成 程 娜 顧愛軍 顧延東

揚州大學水利科學與工程學院 江蘇揚州 225009

1 概述

在“新工科”建設和一流本科人才培養的雙重要求下，如何給傳統的“理論力學”課程賦予新的生命力是一個迫切需要解決的問題[1-2]。“理論力學”是工科類專業一門重要的專業基礎課程，承擔著基礎課和專業課承上啟下的作用，對水利水電工程專業而言，“理論力學”是后續“材料力學”“流體力學”“結構力學”的基礎，所有力學課程的概念、原理和定律等構成了嚴密的邏輯知識體系。

“理論力學”課程分為靜力學、運動學和動力學三個篇章，知識體系和邏輯結構各不相同。靜力學篇章主要研究物體受力分析的基本方法以及物體的平衡規律；運動學研究運動的軌跡、位移、速度和加速度等純幾何特性，引入向量和坐標系更加直觀地描述物體的運動規律，從簡單運動到復雜運動再到合成運動；動力學篇章是對前兩篇章知識內容的統一，將質點系運動和受力進行統一，研究物體的受力和運動之間的關系。從靜力學到運動學再到動力學，嚴密的課程邏輯結構致使相當比例的學生掌握有難度。研究表明，目前高校教師教學方法單一，需持續創新和改進[3-4]。華蕊等[5]研究表明，對分課堂設計調動了學生學習積極性，提高了學生的課堂參與度和學習能力，提升教學效果，把學習知識和探討問題培養成行為習慣。浦玉學等[6]針對“理論力學”的課程特征，研究如何進行“理論力學”課程思政元素設計，總結課程思政實施的一般流程。因此，培養具有扎實力學功底的新工科人才，需要對傳統的“理論力學”持續進行課程教學內容與教學方法改革與創新，提高“理論力學”課程的教學質量。

2 問題提出與課程改革思路

“理論力學”課程授課對象大多數為工科專業本科一年級或二年級學生，“理論力學”教學過程中存在如下的普遍問題：(1)學時較長，如何讓學生從頭到尾保持專注，保持激情；(2)章節內容分割不清楚，教師主導的“滿堂灌”教學模式，使學生缺乏學習的新鮮感和主動性；(3)與水利專業方面的工程實例聯系不夠緊密；(4)傳統的“理論力學”課程講授缺乏對課程思政和立德樹人方面內容的融入。針對以上問題展開了短期內可實現的“理論力學”課程改革研究。在當前的大背景下，結合“理論力學”課程特征，與水利工程實例緊密結合，迫切地需要研究一套融入課程思政、立德樹人的可實現教學模式。

可短期實現的多目標教學設計相融合，首先，收集國內外水利工程素材，結合具體內容與水利工程實例緊密結合；其次，結合“理論力學”的課程特征，梳理與優化課程內容，確保線上線下有效銜接；最后，在教學過程中，柔性融入課程思政、立德樹人的教學思路。梳理優化教學內容線上線下相結合，根據優化的課程內容，以每節課為單位重新進行教學設計，進行“理論力學”全課程視頻錄課，根據章節的內容特征進行線上和線下多元化混合課程教學模式。最終，經過上述教學改革，“理論力學”課程實現可落地的多教學設計相融合的目標。

3 課程改革措施與方案

3.1 教學改革內容

通過課程多目標的融合和梳理優化教學內容線上線下相結合的方式，研究一套全新的可落地的“理論力學”課程教學模式，確定了以下主要教學改革內容。

3.1.1 梳理與優化課程內容進行全方位的教學設計

梳理“理論力學”課程的組織構架，理清各章節之間的脈絡關系，重新優化課程內容，對于每一節的教學內容，從課前回顧、知識點引出、主要教學內容、工程實例應用和最后課堂總結等環節進行全方位的教學設計。

3.1.2 柔性地融入課程思政立德樹人的教學理念

結合“理論力學”的課程特征，從哲學、邏輯方法、工程案例、歷史人物等方面著手，挖掘可進行課程思政的知識點，將課程思政和立德樹人元素柔性融入“理論力學”日常教學過程。

3.1.3 錄制全課程視頻進行線上線下混合教學

基于以上兩點課程教學設計和課程思政理念的融入，進行全課程視頻錄制。根據梳理后的各節課程特征，優化知識結構，合理分配線上和線下課程的混合式教學。

3.2 教學改革方案

“理論力學”課程改革按“課程體系梳理”→“課程思政理念融入”→“工程實例結合”→“線上課程錄制”→“多目標教學設計融合”→“線上線下混合教學模式建立”六個步驟進行，具體多目標教學設計改革結構如下圖。

多目標教學設計改革結構圖

3.2.1 課程體系梳理與分割

針對“理論力學”課程特征，確定全課程概念體系的脈絡，梳理課程結構，以知識點為基本單元，重新優化課程章節分布。同時，查找不合理的教學體系或路線，或因體系陳舊而不能適應當前教學方法和理念等。對于前后重復出現的概念需重點關注，使同一概念保持統一性、連貫性、一致性，下表為靜力學篇章中靜力學公理和平面力系整合分割后的知識單元分布及建議授課時長。

而靜力學篇章共分了11講，33個知識單元，根據每個單元的內容特征，建議授課時長從6min到30min不等，平均授課時長為12.85min。單個獨立的單元授課使每個知識點更突出，同時，每個知識點講解時間相對較短，同學們注意力更集中，提高整體授課效果。“理論力學”全課程共分為30講，86個獨立知識單元，課程內容的全面梳理與分割，以及授課時長建議為后續線上錄制視頻課程提供參考。

3.2.2 課程思政元素融入

國家對于一流本科專業建設的新要求，全面落實課程思政和立德樹人教育理念。“專業教育”和“思政教育”有效結合起來，有助于在教學過程中傳播愛國精神和民族情懷，培育和踐行社會主義核心價值觀。根據“理論力學”的課程特征，針對梳理分割后的每一節知識單元，可以從哲學思維元素和工程案例元素兩方面挖掘思政元素。

3.2.2.1 哲學思維元素

緒論中講到，“理論力學”是研究物體機械運動一般規律的一門學科，研究和發展過程符合辯證唯物主義認識論，研究基于牛頓和伽利略的經典力學理論，而牛頓三大定律反映了哲學思想在自然科學中的具體化。比如，杠桿原理以及摩擦自鎖等都是通過觀察生活和生產實踐中的各種現象，經過多次的科學實驗及分析、綜合、歸納而形成的。“理論力學”的學習和研究有助于學生形成科學的辯證唯物主義認識論和方法論。比如，在講“約束”一節時，首先要介紹對立的自由體和非自由體，發現受到一定約束的非自由體才是最安全的。在此進行引申，日常做人做事也是一樣，絕對的自由是不存在的，約束和自由是相對的，自由要限制在法律和社會公德的約束范圍之內。

3.2.2.2 工程案例元素

力學作為現代自然科學的一門基礎學科，在課程的學習過程中，將力學在工程界的作用向學生展示。在講解靜力學平衡問題時，引入趙州橋的例子，趙州橋距今已有1400多年的歷史，經歷了多次水災、戰亂和地震依然屹立不倒，這是中國橋梁史上的空前創舉，我國著名的建筑學家梁思成稱贊趙州橋為中國工程界一絕，其伏拱敞肩和坦拱的設置蘊含了精妙的力學結構創新能力。近年來，我國的航天事業取得了傲人的成績，而開展航天工程力學問題研究在航天技術的發展中起到舉足輕重的作用。比如講解科氏加速度時，在完成點的加速度合成公式推導后，可以轉入我國的航天事業和國防工程，神舟系列號航天員已多次在太空漫游，每一次的發射和著落返回都要從力學角度進行綜合考慮和精確的驗算。再比如講到物體的重心，以國之重器三峽水利樞紐切入，重力壩非溢流壩段基本剖面如上圖所示呈三角形，通常背水面較緩，迎水面較陡(甚至直立)，重心偏向上游面，迎水面較陡有利于壩體抗傾覆穩定。從耳熟能詳的工程元素角度入手可以增強學生的民族自豪感，喚醒學生崇高的社會使命和社會責任感，激發學生學習熱情。

3.2.3 線上線下混合教學模式建立

線上線下混合教學是教學設計中進行多目標融合的重要部分，線上線下混合教學包括線上網絡教學和線下課堂教學，線上網絡教學又包括已錄好的課程視頻觀看和學校Eol網絡教學平臺習題練習。課程視頻錄制需精準設計每一堂課，從回顧、引出、內容、總結、應用等環節進行全方位的教學設計。項目組老師根據分工，利用學校現有智慧教室的資源，對“理論力學”全課程以知識點為單位，進行全課程網絡視頻課程錄制。教學團隊需要根據教學大綱和教學任務，提前建設網絡課程，明確學習的知識點和重點內容，合理地制訂學習計劃。

3.2.3.1 線上教學

學生可按照老師制定的教學進度線上學習，利用網絡資源提前獨立自學老師已錄制好的教學視頻，然后在線完成Eol網絡教學平臺上的習題，老師根據學生對知識點的掌握程度及時補充和調整教學計劃。線上教學主要是讓學生掌握理解各知識點的基本概念和原理，能熟練運用基本的計算方法求解簡單的工程問題。同時，網絡平臺和視頻資源的學習課促使學生自主思考，從而提升學生的學習主動性和自學能力。

3.2.3.2 線下教學

線下教學指老師和學生在教室面對面授課，其主要是對知識點的鞏固、強化和提高，線下授課不再重復講解相關的基本理論等內容。教師結合該課程中的重點與難點，調整課堂教學內容的側重點，在課堂教學過程中，重點講解學生線上學習中遇到的難點問題，介紹工程案例和典型例題，進行師生互動以及知識的綜合提升等。如講“物體的受力分析”這節課時，約束和約束力的概念介紹可以看錄像，常見的典型工程約束分析以及與工程實際相關的光滑鉸鏈、球鉸鏈、軸承等內容采用現場講解討論的形式開展。采用線上線下多元的課堂授課形式，不僅提高了學生學習的參與度和學習的主動性，而且加強了學生的團隊合作意識和創新意識。

結語

在新工科、一流本科人才培養等多方面的要求下，本科教學研究和實踐不斷深入，“理論力學”課程教學需要突出學生解決實際問題能力。本次課程改革提出多教學目標的相融合，包括柔性融入課程思政、立德樹人的教學理念，同時，結合水利專業特征，在教學過程中與水利工程實例緊密結合，梳理優化教學內容線上線下相結合的方式，研究一套短期可落地的多教學目標相融合的課程教學模式。全新的教學模式能夠提高教學質量，還可以及時應對教學模式的不確定性，培養具有扎實力學功底的新工科人才。