面向應用注重體驗的生物力學教學實踐

馮原 邱意弘

摘? 要：生物力學是具有顯著交叉特性的課程，包含工程力學的基礎理論和應用，以及生物體的分析和建模，是生物醫學工程專業中常見的專業課程。由于生物力學的理論和應用性較強，而選修學生往往專業背景差異較大，給課程教學帶來很大挑戰。文章基于“學習科學”中“個體特性”“經歷特性”“面向應用”和“集體學習”的理論開展課程教學實踐，通過廣泛了解學生背景、采用隨堂練習、充分結合應用實例并開展分組練習的方式，調動學生積極性，更好地改進教學效果。通過前－后測評，問卷調查和學期間量化對比的方式，發現面向應用、注重體驗的教學方法能顯著提高學生的獲得感和學業表現。

關鍵詞：學習科學；生物力學；面向應用；教學改革

中圖分類號：G640? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2023）08-0140-04

基金項目：上海交通大學教學發展中心基金項目“基于‘學習科學基本原理的生物力學教學實踐”（項目編號：CTLD21J 0018）。

作者簡介：馮原（1985—），男，博士，上海交通大學生物醫學工程學院副教授，研究方向為腦生物力學和磁共振成像；邱意弘（1970—），女，博士，上海交通大學教學發展中心副教授，研究方向為教師教學發展與學習評估。

生物力學是一門基礎性和應用性都較強的課程，主要內容包含工程力學的基礎理論及生物體中的應用。生物力學一般在生物醫學工程學院開設，為生物醫學工程專業學生講授基礎力學知識，培養學生掌握力學分析和建模的基本方法，為未來應用生物力學知識和方法解決實際問題打下基礎。

根據授課者的教學實踐，總結生物力學課程的特點和挑戰如下：

1. 課程內容具挑戰性。學生力學基礎較為薄弱，而生物力學基礎理論包括一般工科專業的理論力學和材料力學內容，因此給課程的理論教學帶來了較大挑戰。其中，材料力學部分概念抽象、數理基礎要求高，學生接受有一定困難。如偏重于理論推導與力學原理的分析，大部分學生接受度不高。課程強調力學理論在生物體中的應用，對應用力學理論分析和解決問題的能力要求高。

2. 學生差異性大。作為綜合性較強的課程，往往還吸引其他專業的學生選修。學生知識背景差異較大，學習動機各異，給課程教學的展開提出了很大挑戰。

3. 部分學生動力不足。作為專業選修課，大部分學生不愿意投入太多時間，存在湊學分的想法，缺乏足夠學習動力。這與力學理論內容難度較大，需要較多的時間進行學習產生了矛盾。

為應對以上教學挑戰，本研究以“學習科學”（Learning Science）為理論指導開展了教學改革實踐。“學習科學”是整合了腦科學、心理學、認知神經科學和教育學等多學科內容的系統科學，旨在溝通心智、腦與教育。美國卡內基梅隆大學的蘇珊·A·安布羅斯在其專著中，總結了學習科學的七條原理［1］，并指出七原理可以適用于各個學科領域、不同經驗水平、不同文化背景的教師和學生。約翰·D·布蘭思福特等匯集了“學習科學”出現以來的重要思想和理論，將學習者與學習、教師與教學、學習科學未來發展方向做了系統的闡述。這些為基于“學習科學”的教學方法設計提供了重要的理論基礎和創新教學的方向［2］，基于“學習科學”相關理論開展教學活動、推廣教學改革是高校教學的一個趨勢。

基于“學習科學”開展相關的教學研究已有許多前期工作。北京大學的尚俊杰開展了相關教育研究［3］，并對“學習科學”的理論溯源和發展現狀做了分析和總結［4］。香港大學的程介明將“學習科學”原理作為指導當前教學和師生關系新常態的理論基礎，提出教師從授課者轉為學生學習設計者的觀點，并指出學習的個體性、經歷性、應用性、綜合性和集體性的重要特征。“學習科學”理論還被應用于中小學的教學設計中［5］。

綜上，讓力學基礎薄弱、背景動機差異大、選修課不愿投入過多的學生群體很好地學習并掌握生物力學知識和建模技能，是本項目的主要目標。基于“學習科學”原理，本項目的研究假設：（1）符合“個體特性”能應對學生差異性大的挑戰；（2）“經歷特性”“面向應用”能增強學生對生物力學知識的理解和應用；（3）“集體學習”能增強學生學習動機。

一、研究設計

（一）研究對象

本研究的研究對象為2021年秋季學期選修生物力學課程的30名本科生，以生物醫學工程專業大三學生為主，還有機動、船建、電院、材料等學院不同專業背景的學生，以及1名留學生。作為本碩博貫通的專業選修課，教學班還包括博士研究生4人；另外，常有不同學院的本科生、研究生和博士后旁聽。本研究的統計只針對選修本課程的本科生開展。

（二）基于“學習科學”的教學設計

基于“學習科學”的基本原理，生物力學課程安排與教學設計如圖1所示。

學習的個體特性。學生背景差異大，部分同學沒有修過力學相關基礎課程，只學過大學物理。因此，在課程的內容上，講解了理論力學和材料力學的基礎部分，以滿足不同基礎學生的需求。

基于經歷的學習。“學習科學”理論指出，人的學習關鍵在經歷過程。生物力學有很強的應用特性，因此，課程將解決具體問題的實例貫穿始終，強調學生自己動手解決問題，并在課堂教學中加入隨堂練習、討論和測試。在隨堂練習中，教師走到學生中與學生交流，獲得直接的反饋。例如在介紹扭轉強度的概念時，與學生一同討論：為什么人的骨頭是空心的？在相同最大剪應力條件下，推導空心骨的質量是實心骨的1/3，讓學生在觀摩解決問題的過程中獲得直觀感受，同時自己探索、體驗解決問題的過程，加強學習經歷的體驗。

面向應用的學習。“學習科學”基本原理表明：理解與使用是同時發生的。課程設計了兩次大作業，分別針對主要知識點結合實際問題開展，讓學生在應用中建構和內化理論知識。第一次大作業“頭部運動控制設備設計”，要求設計一個在磁共振成像設備中控制頭部運動的裝置，學生需綜合應用靜力學、動力學、運動學相關知識，解決實際問題。第二次大作業“板孔應力集中的COMSOL仿真實驗”，主要考察應力應變基本概念，學生需應用課堂教學演示的COMSOL仿真軟件，通過對板孔應力集中的分析，自己動手體驗材料變形過程中的應力狀態。

集體學習是最有效的方法。學生自由組隊、集體討論完成課程設計項目。為保證每個人都有足夠的工作量，以2人為一組，在集體作業的完成中充分學習。

（三）研究方法

前-后測法。在學期初摸底測試中設置生物力學相關的前序知識考題，了解課前學生知識和技能的掌握情況。在學期中的小測試中，保留全部摸底題，通過答題正確率對學生在知識技能上的收獲進行評估并調整教學方法。

比較法。采用與往屆難易度相近的期末試卷（按學校試卷命題要求，試題與前三年的重復率少于20%），比較總成績，通過答題情況，部分說明新教學法的效果。

調查法。采用問卷對學生的學習動機、獲得感開展調查。首先，課前摸底調查了解學生的知識基礎背景。其次，在課程開展1個月和2個月后，收集學生對課程的教學反饋，在第7周邀請教學發展中心開展中期學生反饋服務。在課間與學生開展面對面的交流，了解學生的學習動機。基于書面反饋和平時交流的結果，對課程教學進行有針對性的改進。此外，課程結束半年后，還開展了回顧性調查。

二、結果與結論

通過與學生的交流及問卷調查，獲得了大部分學生選修課程的學習動機（見表1）。想通過課程了解力學知識的學生最多，且集中在生物醫學工程學生中。為滿足跨平臺選課需要的學生都是外專業的學生。總體來說，選修學生主要考慮對課程內容的興趣，并綜合考慮了學分和課程難易程度。

對比學期初和學期中的測試成績，以此對學期中的學習效果進行了評估。期初測試的前三題包括大學物理中與本課程相關的前序基礎內容，后三題包括高等數學中與本課程相關的前序基礎內容。為保證測試客觀反映學生的學習效果，測試沒有提前通知學生準備，也不納入課程最終成績。剔除未交卷和試卷未署名的情況，兩次都參加的有效測試份數為21份。結果表明，經過半學期的學習，學生總體表現均優于學期初（見圖2）。課程學習有助于學生掌握知識和提高能力。

為檢驗基于“學習科學”理論所開展的生物力學實踐效果，本研究對比了2020年和2021年生物力學課程的期末考試成績。兩次授課學生總數相近，學生群體特征相似，試卷難易度相當，統計發現采用新教學法后，平均成績提高近9分（學生t檢驗，p<0.05），總分超過80的人數比例提高了近2倍，不及格人數比例下降了近一半，最高分和最低分分別提高了5分和10分（見表2）。

經過半學期的學習，學生總分和前三題的總分均顯著高于摸底測試總分（學生t檢驗，p<0.05），其中總分滿分120分，前三題滿分60分。

本研究的回顧性調查收回匿名有效問卷24份。其中，87.5%的學生表示課程基本或完全實現了當初的選課動機。95.8%的學生表示課程照顧到了個體需求、學習基礎和個體對課程的反饋。100%的學生表示課堂中的隨堂練習有幫助（見圖3a）；95.8%的學生表示課程兩次大作業有幫助（見圖3b）；近80%的學生對小組討論和集體學習表示有幫助（見圖3c）。

綜合以上分析結果，本研究主要實現了三個目的：

1. 基于“個體特性”理論，通過課前、課間和課后與學生交流，及時獲得教學內容與形式的反饋并動態調整，充分考慮學生個體的需求，解決學生差異性大的問題。

2. 基于“經歷特性”和“面向應用”的原理，建立了以關鍵知識點為中心開展隨堂練習的教學方法。通過課上解決生物力學問題和包含實例的課程大作業，實現了課內有針對性的知識點傳授，以及解決問題能力的培養。

3. 基于“集體學習”的原理，通過隨堂練習、集體討論、課程大作業的分組研究，提高了學生的學習積極性，增強了獲得感。

三、總結與反思

自2018年秋季至今4輪授課，前兩次講授主要集中在線彈性力學的基礎和應用，屬于材料力學的進一步延伸。由于生物醫學工程本科生力學基礎較為薄弱，前序選修理論力學、材料力學或工程力學的學生較少，導致學生對課程的接受度較低，普遍反映難以理解和接受。自2020年起，課程啟用了基于工程力學的教學。將工程力學中的理論力學和材料力學部分作為先導理論做講解，在此基礎上結合生物力學的應用開展教學。經兩次教學實踐后，發現學生對課程的接受程度穩步提升，各個學院不同背景、不同層次的學生都表示可以較好地接受課程內容。采用基于“學習科學”理論對教學開展改革后，取得的經驗如下：

1. 課堂中進行知識點的強化，能較好地補足學生課后時間分配困難的問題，并增強課程內容的接受度。

2. 理論結合實際的課程大作業，能發展學生的動手解決問題能力，較好地提高了學生的學習積極性。

3. 多次、多方式的學生反饋，有助于調整教學。

本研究基于“學習科學”理論中學習的個體特性、經歷過程、強調應用和集體學習的特點，重構教學內容、設計教學環節，對生物力學課程或類似專業課程的教學有如下貢獻和借鑒意義：

首先，須了解學生。對知識基礎和動機差異大的學生群體在課前對他們的知識背景和學習動機進行充分調查，有針對性地開展教學內容安排，讓學生的個體獲得感最大化。

其次，應增強學習經歷。充分利用生物力學課程理論與實際聯系的特點，發掘廣泛存在于日常生活中的生物力學現象、原理與應用，在課堂上以實際問題的分析和解決為導向，引導學生開展理論學習，掌握分析方法。

最后，應面向應用。設置有挑戰性的開放式大作業，學生組成小團隊集體學習、共同探究，建構及內化關鍵知識與理論，并能解決實際生物醫學工程問題。

參考文獻：

［1］ 蘇珊·A·安布羅斯. 聰明教學7原理：基于學習科學的教學策略［M］. 龐維國，譯. 上海：華東師范大學出版社：2012.

［2］ 約翰·D·布蘭思福特. 人是如何學習的：大腦、心理、經驗及學校［M］. 程可拉，孫亞玲，王旭卿，譯. 上海：華東師范大學出版社：2013.

［3］ 尚俊杰，莊紹勇，陳高偉. 學習科學：推動教育的深層變革［J］. 中國電化教育，2015（01）：6-13.

［4］ 尚俊杰，裴蕾絲，吳善超. 學習科學的歷史溯源、研究熱點及未來發展［J］. 教育研究，2018，39（03）：136-145+159.

［5］ 梁慧姣. 創設教學情境 問題驅動教學——學習科學理論指導下的“聚落與環境”教學設計［J］. 中小學信息技術教育，2021（Z1）：24-26.

（責任編輯：石子靜）