新工科視角下工程力學(xué)課程混構(gòu)教學(xué)模式研究與實(shí)踐

宋明 杜勁 王力 李安慶

摘? 要：該文針對(duì)新工科視角下工程力學(xué)課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出工程力學(xué)課程混構(gòu)教學(xué)模式。該模式以真實(shí)工程案例為導(dǎo)入背景，以開(kāi)放性問(wèn)題為教學(xué)模塊主體，進(jìn)行沒(méi)有唯一答案的開(kāi)放式設(shè)計(jì)，以封閉性問(wèn)題為學(xué)習(xí)輔助支撐資源，為學(xué)生提供學(xué)習(xí)支持和引導(dǎo)，構(gòu)建開(kāi)放與封閉相協(xié)調(diào)、自由與限制相統(tǒng)一的教學(xué)模式。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，該模式可以理順新工科視角下工程力學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)思維，提高學(xué)生參與課程學(xué)習(xí)的質(zhì)量，促進(jìn)工程力學(xué)課程教學(xué)成效不斷提升。

關(guān)鍵詞：混構(gòu)教學(xué)模式；開(kāi)放性問(wèn)題；封閉性問(wèn)題；工程力學(xué)；混合式教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2023）19-0126-04

Abstract： Aiming at the problems in the teaching of engineering mechanics from the perspective of emerging engineering education， this paper proposes a mixed teaching mode of engineering mechanics. This mode takes real engineering projects as import cases， takes open questions as the main body， and uses closed questions as an auxiliary to construct a teaching mode that coordinates openness and closure， and unifies freedom and restriction. Through teaching practice， it is proved that this model can extend the teaching design thinking of engineering mechanics from the perspective of emerging engineering education， stimulate students' enthusiasm for learning， and promote the improvement of the teaching quality of engineering mechanics courses.

Keywords： mixed teaching mode; open question; closed question; engineering mechanics course; blended learning

我國(guó)新工科建設(shè)持續(xù)推進(jìn)，著力培養(yǎng)未來(lái)多元化、創(chuàng)新型的卓越工程人才[1-3]。這對(duì)高等學(xué)校工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)提出了新的要求，也為傳統(tǒng)工科類(lèi)課程的發(fā)展指明了方向。

工程力學(xué)課程是很多工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)性課程[4-5]，其向前承接高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理等理論性課程教學(xué)成果，向后為機(jī)械設(shè)計(jì)、零件加工工藝等工程性課程傳遞基礎(chǔ)知識(shí)體系，起到了關(guān)鍵的橋梁性作用。

一? 工程力學(xué)課程現(xiàn)狀

工程力學(xué)課程主要面向工業(yè)設(shè)計(jì)、高分子材料、林化工程等工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)。知識(shí)層面上，課程主要包括靜力學(xué)模型分析、靜力學(xué)方程求解、構(gòu)件強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性設(shè)計(jì)及校核等方面內(nèi)容。能力層面上，課程主要鍛煉學(xué)生的初步工程實(shí)踐能力、邏輯思維能力、團(tuán)隊(duì)合作能力。價(jià)值觀層面上，課程要求學(xué)生能夠貫徹系統(tǒng)化思維方式，執(zhí)行工程倫理要求，將家國(guó)情懷、使命擔(dān)當(dāng)映射到實(shí)際行動(dòng)之中。

傳統(tǒng)工程力學(xué)課程教學(xué)中，還存在著一些問(wèn)題。

1）對(duì)學(xué)生的力學(xué)建模能力關(guān)注不夠。在工程力學(xué)課程教學(xué)中，需要讓學(xué)生掌握常見(jiàn)構(gòu)件的計(jì)算公式、方法、思路，具備使用力學(xué)知識(shí)分析、設(shè)計(jì)、解決工程問(wèn)題的能力。因此，課程需要為學(xué)生提供一定量的計(jì)算性問(wèn)題，幫助學(xué)生鍛煉分析和計(jì)算過(guò)程。礙于各種因素，傳統(tǒng)工程力學(xué)課程教學(xué)中往往直接給學(xué)生提供經(jīng)過(guò)抽象的力學(xué)模型進(jìn)行理論學(xué)習(xí)、分析計(jì)算、應(yīng)用探索[6]。這種題目距離工程實(shí)際環(huán)境較遠(yuǎn)，其省略了將復(fù)雜工程問(wèn)題轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單力學(xué)模型的分析和建模過(guò)程，導(dǎo)致學(xué)生在面對(duì)真實(shí)工程問(wèn)題時(shí)不知所措，難以進(jìn)行有效力學(xué)分析和建模，更難以提出實(shí)用性的解決方案。

2）課程資源與混合式教學(xué)形式不匹配。為了提高工程力學(xué)課程教學(xué)中的高階性和挑戰(zhàn)度，更好地開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，很多工程力學(xué)課程在實(shí)踐中引入了混合式教學(xué)方法[7-10]。這種教學(xué)方法以線上線下兩種教學(xué)形式交替運(yùn)行：在線上教學(xué)階段中，學(xué)生通過(guò)各種教學(xué)平臺(tái)學(xué)習(xí)課程配套學(xué)習(xí)資源，開(kāi)展題目練習(xí)；在線下教學(xué)階段中，學(xué)生通過(guò)教師提供的練習(xí)題，進(jìn)行課程訓(xùn)練，幫助學(xué)生解決線上教學(xué)的問(wèn)題，夯實(shí)知識(shí)體系，鍛煉解決問(wèn)題的能力。但是，課程相關(guān)的配套資源并沒(méi)有針對(duì)混合式教學(xué)形式進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，依然采用傳統(tǒng)的力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算訓(xùn)練，沒(méi)有充分利用混合式教學(xué)形式所帶來(lái)的教學(xué)便利，沒(méi)有使線下教學(xué)活動(dòng)導(dǎo)向更具高階性、更具挑戰(zhàn)性、更具創(chuàng)新性。導(dǎo)致學(xué)生依然在學(xué)習(xí)時(shí)抓不住重點(diǎn)，在接觸真實(shí)問(wèn)題時(shí)無(wú)所適從，不知道如何開(kāi)始工作，不清楚以什么角度進(jìn)行分析，更不熟悉怎么協(xié)調(diào)小組設(shè)計(jì)思路，推進(jìn)設(shè)計(jì)進(jìn)程。這種現(xiàn)狀未能充分發(fā)揮混合式教學(xué)的潛力，在很大程度上影響了學(xué)生的工程實(shí)踐能力發(fā)展，制約著以工程力學(xué)課程為代表的工科類(lèi)課程的進(jìn)步。

二? 混構(gòu)教學(xué)模式

（一）? 混構(gòu)教學(xué)模式整體設(shè)計(jì)

針對(duì)上述問(wèn)題，教學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了“混構(gòu)”教學(xué)模式。該模式基于課程教學(xué)原有知識(shí)體系，以開(kāi)放性問(wèn)題構(gòu)建教學(xué)模塊核心，以封閉性問(wèn)題組成相應(yīng)模塊的學(xué)習(xí)支架，設(shè)計(jì)思路如圖1所示。“開(kāi)放性問(wèn)題”，即具有多種分析視角和最終結(jié)論的計(jì)算或設(shè)計(jì)性問(wèn)題，為學(xué)生提供自由的設(shè)計(jì)和研究情景。“封閉性問(wèn)題”，即具有唯一視角或答案的計(jì)算或設(shè)計(jì)性問(wèn)題，為學(xué)生提供明確的“對(duì)與錯(cuò)”的判斷標(biāo)準(zhǔn)，幫助學(xué)生練習(xí)概念和公式的基本使用方法。學(xué)生既能通過(guò)研究開(kāi)放性問(wèn)題，鍛煉知識(shí)應(yīng)用、環(huán)境評(píng)價(jià)、影響分析和完成設(shè)計(jì)等方面的能力，又能通過(guò)封閉性問(wèn)題獲得合理適度的學(xué)習(xí)支撐，保證學(xué)習(xí)活動(dòng)順利進(jìn)行。

（二）? 開(kāi)放性問(wèn)題

開(kāi)放性問(wèn)題是教學(xué)活動(dòng)的主線，關(guān)注課程和學(xué)生專(zhuān)業(yè)相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)、方法、思路和應(yīng)用。其內(nèi)容來(lái)源于真實(shí)工程問(wèn)題，要求學(xué)生利用課程中學(xué)到的知識(shí)和能力決定構(gòu)件結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)零件尺寸及評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案，鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力。開(kāi)放性問(wèn)題還可以延伸到相關(guān)的社會(huì)應(yīng)用領(lǐng)域：分享科研的最新前沿、討論熱點(diǎn)社會(huì)工程問(wèn)題及分析行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展問(wèn)題等。引入開(kāi)放性問(wèn)題不僅解決了學(xué)生力學(xué)建模能力不足、分析計(jì)算能力不佳的問(wèn)題，還將教學(xué)活動(dòng)延伸到了課程教材之外更廣闊的空間，為學(xué)生帶來(lái)了更多、更廣、更深層的思考。其具有多種可以評(píng)價(jià)的解決方案和分析視角供學(xué)生自主選擇，如水平較高的學(xué)生可以選擇挑戰(zhàn)度較高的設(shè)計(jì)方案；水平中等的學(xué)生可以選擇拓展應(yīng)用型的設(shè)計(jì)方案；有待提高的學(xué)生采用夯實(shí)基礎(chǔ)類(lèi)型的設(shè)計(jì)方案。

（三）? 封閉性問(wèn)題

封閉性問(wèn)題是教學(xué)活動(dòng)的輔助手段，包括兩種類(lèi)型。一種是按照課程知識(shí)體系依次構(gòu)建的知識(shí)性題目，強(qiáng)化學(xué)生掌握的相關(guān)概念和知識(shí)，保證學(xué)生具有充分的練習(xí)機(jī)會(huì)。另一種是根據(jù)開(kāi)放性問(wèn)題構(gòu)建的支持性題目，為其提供邊界控制、研究支撐、程度判斷等支持。“邊界控制”，即構(gòu)建明確的研究限制條件，限制開(kāi)放性題目的研究范圍，讓學(xué)生的研究主線聚焦在教師設(shè)計(jì)的研究目標(biāo)點(diǎn)上。“研究支撐”，即為學(xué)生提供具體公式的分析和應(yīng)用案例，在開(kāi)展開(kāi)放性問(wèn)題研究過(guò)程中，幫助學(xué)生解決難點(diǎn)問(wèn)題，將研究和設(shè)計(jì)進(jìn)行下去。“程度判斷”，即提供往屆學(xué)生作品中的優(yōu)秀案例，引導(dǎo)學(xué)生思考優(yōu)秀設(shè)計(jì)的特征，幫助學(xué)生提高分析和設(shè)計(jì)水平。

三? 混構(gòu)教學(xué)模式的教學(xué)實(shí)踐

教學(xué)團(tuán)隊(duì)在大二年級(jí)的工業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)工程力學(xué)課程教學(xué)班中進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐，課程以線上線下混合式教學(xué)形式展開(kāi)，使用以“混構(gòu)”教學(xué)模式設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和相關(guān)配套資源。教學(xué)團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了由12個(gè)開(kāi)放性問(wèn)題和110個(gè)封閉性問(wèn)題組成的案例庫(kù)，覆蓋了課程的全部重要章節(jié)。在課程教學(xué)中，針對(duì)一個(gè)教學(xué)節(jié)段，在線上教學(xué)階段中，在線上教學(xué)平臺(tái)上提供教學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的教學(xué)視頻、練習(xí)題庫(kù)、課外拓展資源，讓學(xué)生按照時(shí)間要求完成相關(guān)線上學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。然后為學(xué)生布置線下見(jiàn)面課的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，講解開(kāi)放性問(wèn)題的內(nèi)容、要求及配套資源，幫助線下學(xué)生理清學(xué)習(xí)任務(wù)。然后為學(xué)生提供充分的小組研究機(jī)會(huì)和時(shí)間：針對(duì)內(nèi)容較多的開(kāi)放性題目，要求學(xué)生課下就開(kāi)展小組研究活動(dòng)；針對(duì)內(nèi)容較少的開(kāi)放性題目，在線下見(jiàn)面課上進(jìn)行小組研究活動(dòng)。在此過(guò)程中，通過(guò)線上教學(xué)平臺(tái)提供支持性題目，幫助學(xué)生完成研究活動(dòng)，教師積極跟進(jìn)小組運(yùn)行進(jìn)度，提供相應(yīng)的指引。然后開(kāi)展小組結(jié)果分享活動(dòng)，促進(jìn)高階思維活動(dòng)的成果固化，為學(xué)生提供學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)，完成學(xué)生工程實(shí)踐能力發(fā)展閉環(huán)。

以教學(xué)中的“拉壓桿問(wèn)題”章節(jié)為例，改革前和改革后實(shí)施過(guò)程對(duì)比見(jiàn)表1。在課程線上教學(xué)階段，學(xué)生按照要求學(xué)習(xí)拉壓桿相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，并完成配套練習(xí)題，打下深入研究的知識(shí)基礎(chǔ)。在線下課程中，教師參照線上學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，強(qiáng)化課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。然后提出引導(dǎo)性案例——振華重工龍門(mén)吊的設(shè)計(jì)示例，幫助學(xué)生理解真實(shí)工程上拉壓桿的常用形態(tài)和分析思路。之后為學(xué)生講解經(jīng)過(guò)適當(dāng)簡(jiǎn)化的開(kāi)放性問(wèn)題“傾斜支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”，并要求學(xué)生以小組為單位研究實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)并提出最終的設(shè)計(jì)方案。

在小組研究中，學(xué)生先學(xué)習(xí)教師提供的具有明確“優(yōu)與劣”判斷的設(shè)計(jì)示例（封閉性問(wèn)題），建立設(shè)計(jì)研究的邊界。然后開(kāi)展小組內(nèi)的頭腦風(fēng)暴，創(chuàng)建多種可能實(shí)現(xiàn)需求功能的結(jié)構(gòu)。之后參照配套給與的代表性計(jì)算示例（封閉性問(wèn)題），分析和計(jì)算上述設(shè)計(jì)方案，提出關(guān)鍵零件的設(shè)計(jì)參數(shù)，并提出小組最終設(shè)計(jì)方案。在見(jiàn)面課上以小組為單位進(jìn)行分享，其他小組對(duì)其設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析和評(píng)價(jià)。每位學(xué)生在課后進(jìn)行紙面設(shè)計(jì)總結(jié)，促進(jìn)高階學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的固化。

經(jīng)過(guò)了4個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，相關(guān)教學(xué)數(shù)據(jù)和反饋信息表明，混構(gòu)教學(xué)模式提高了課程配套資源與混合式教學(xué)形式的匹配程度，提升了學(xué)生針對(duì)工程問(wèn)題的力學(xué)建模能力，深化了混合式教學(xué)形式中的線下見(jiàn)面課互動(dòng)層級(jí)，提高了課程的高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度，改善了混合式教學(xué)中小組項(xiàng)目運(yùn)行情況。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的教學(xué)實(shí)踐，教師發(fā)現(xiàn)學(xué)生到課率明顯提升，參與課程互動(dòng)的積極性明顯提高，小組設(shè)計(jì)方案更加完善，有的小組甚至使用了有限元仿真等技術(shù)手段對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了更深層次的分析和優(yōu)化。整體上看，經(jīng)過(guò)教學(xué)改革之后，學(xué)生針對(duì)工程問(wèn)題的分析和計(jì)算能力顯著增強(qiáng)，課程教學(xué)質(zhì)量明顯提升。

四? 結(jié)束語(yǔ)

本研究基于新工科視角下人才培養(yǎng)需求，構(gòu)建了工程力學(xué)課程混構(gòu)教學(xué)模式。該模式以真實(shí)工程項(xiàng)目作為引導(dǎo)案例，構(gòu)筑了工程案例分析情景，以開(kāi)放性問(wèn)題為主體，建立了具有多種分析視角和設(shè)計(jì)方案的小組研究題目，以封閉性問(wèn)題為支撐輔助資源，設(shè)置了符合學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣和水平的教學(xué)支架。該模式提出了針對(duì)混合式教學(xué)形式下相關(guān)課程配套資源的建設(shè)思路，構(gòu)建了既具有充分自由度又具有合理支撐性的工程力學(xué)課程環(huán)境。4個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，該模式可以適應(yīng)新工科視角下人才培養(yǎng)需求，拓寬課程設(shè)計(jì)思路，回應(yīng)學(xué)生學(xué)習(xí)需求，提高工程力學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量，可以為工科類(lèi)課程教學(xué)改革提供有益的參考。

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基金項(xiàng)目：山東省高等教育本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目“工科專(zhuān)業(yè)線上課程思政低致敏性‘混構(gòu)教學(xué)模式研究與實(shí)踐”（M2020086）；齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）2020年度教學(xué)改革和教學(xué)研究線上教育專(zhuān)項(xiàng)招標(biāo)項(xiàng)目“基于混沌理論的自適應(yīng)性線上混構(gòu)教學(xué)方法研究”（無(wú)編號(hào)）

第一作者簡(jiǎn)介：宋明（1984-），男，漢族，山東濟(jì)南人，工學(xué)博士，副教授。研究方向?yàn)闆_擊動(dòng)力學(xué)和高等教育技術(shù)。