基于3S学习模式的理论力学课程教学研究与实践1)

叶红玲 刘赵淼 李晓阳

(北京工业大学机械工程与应用电子学院，北京100124)

基于3S学习模式的理论力学课程教学研究与实践1)

叶红玲2)刘赵淼 李晓阳

(北京工业大学机械工程与应用电子学院，北京100124)

3S学习模式包括自学 (study independently)、研讨(seminar)、科学研究(science research)三部分.本文以突出培养大学生的自主学习能力、自我驱动能力和创新意识为出发点，以理论力学课程为教学研究平台，开展3S学习模式在理论力学课程中的应用研究与实践.介绍了结合理论力学课程的3S学习模式的实施方法和实施内容以及存在的问题，对实施的效果进行了评估，给出了教学设计的总体思路，为推动理论力学课程教学新体系和教学新模式的建立提供了重要依据和参照.

理论力学，3S学习模式，教学模式，教学改革

引言

随着我国工程教育正式加入《华盛顿协议》，工程教育专业认证中以学生为中心、以产出为导向和持续质量改进的三大理念，与传统的以学科导向、投入导向的教育观念形成了鲜明对比.高等教育理念的转变促进着高等教育人才培养质量的提升，而如何不断提高人才培养教育质量是推行教育教学改革中所面临的根本问题.在工程教育专业认证工作的推动下，专业技术基础课程更加强调要加强大学生工程实践能力、工程设计能力与工程创新能力的培养.理论力学课程是工科类大学生学习的第一门专业技术基础课，作为一些后续课程如材料力学、结构力学、机械原理、机械设计等课程的必要学科基础，如何在不断消减学时的情况下提升教学质量，加强学生科学思维和创新思维的训练，提高学生学习的内在驱动力，激发学生不断分析问题、解决问题的热情，是理论力学课程建设中需要解决的难点问题.

在通常的教学改革中，我们往往更加关注教师在教学模式、教学内容、教学方法和教学手段方面的改革[1-5]，而对于学生自身学习模式的改革关注不够.作者结合多年的教学经验，以理论力学课程为教学研究平台，以突出培养大学生的自主学习能力、自我驱动能力和创新意识为出发点，给出了基于3S学习模式的一些教学探讨[6]，本文将进一步探究3S学习模式在课程教学改革中的应用与实践，从而为提高人才培养质量进行的教育教学改革提供一些思路和借鉴.

1 3S学习模式基本框架及特点

为培养学生的创新意识和创新思维乃至创新能力，在教学过程中，就不仅仅教授学生专业知识，还要传授学生学习方法，更要引导学生学习研究方法.3S学习模式包括自学 (study independently)、研讨(seminar)、科学研究(science research)三部分. 3S学习模式的基本框架为：以培养创新型应用人才为立足点，以学习模式的变革为起点，以相应的教学模式的变革为支撑点，突出能力培养，强调关键教学环节，分类指导，因才施教.学习模式(learning pattern)、教学模式(teaching pattern)、能力培养(ability training)共同构成了教与学的三个有机组成部分，使教学活动成为一个有机协调系统，如图1所示.

3S学习模式体现了一种新型的师生关系，师生都是学者、研究者，在教学过程中，相互促进，教学相长.教师作为学生的引导者和合作者，需要创设情境、提出问题和定期评估；学生作为学习主体，需要主动自学、积极研讨和参与科学研究，自主学习、自我驱动，不断挖掘潜能、探究问题和定期总结，从而达到教与学的融合.3S学习模式给学生提供了宽松的环境、浓厚的学习氛围，适合学生构造最适合自己的知识结构，有利于培养出有个性、有创造力的各类人才.另外，3S学习模式在应用于教学的过程中要遵循低起点、普遍性、鼓励新颖性的原则，分阶段、分层次递进式的应用于学生的学习过程中.

图1 3S学习模式基本框图

2 基于3 S学习模式的理论力学课程教学实践

2.1 理论力学课程教学中存在的问题

《理论力学》课程要求学生掌握建立力学模型(质点、质点系、刚体和刚体系)的方法和建立相应数学模型的原理；掌握研究机械运动的基本概念、基本理论和基本方法.课程一般在大学一年级下学期和大学二年级上学期开设，讲授内容大多按照静力学、运动学、动力学3部分进行，课程特点是概念多、公式多、定理多，内容体系相对成熟，理论性、逻辑性和系统性较强.

目前，国内各高校理论力学教学各有特点，侧重也有所不同.有一些高校开展了研究型教学的实践，国外公开教学资源在课程中的应用研究以及开展了微课程的开发利用等教学改革与实践，但总体的教学改革依然发展缓慢.在理论力学课程教学中还存在着如下问题：课时紧张，各部分内容介绍的深度和广度受到限制，学生在课程后半段容易产生倦怠情绪，造成整个课程学习头重脚轻的现象；课堂教学方法仍然缺乏各种创新和深化；教学模式以课堂教学为主和实验课程为辅，而要求学生自行设计和完成一些简单的小课题的情况还较少.

因此，作为理论力学课程的教师，单从自身教学方面思考问题还是不够的.我们不仅要思考如何创新教学模式、改进教学方法、完善教学内容、扩充教学资源、更新教学手段，还要从学生学习的角度思考课程的学科魅力、学习重点和难点、专业知识的相关性等等，从而激发学生强烈的求知欲望，使学生主动学、善于学、乐于学，增加学生的专业知识，提升学生的工程实践能力，增强学生的创新意识.

2.2 3S学习模式的理论力学课程教学实施

在考虑课程特点、学生层次和个人教学实践的前提下，下面对3S学习模式在《理论力学》课程中实施的主要做法进行阐述.

2.2.1 学生自学(study independently)方式的实施

实施方法：主要采用了让学生自己出题自己做的阶段性试卷方式.

实施内容：结合理论力学的教学内容和重点难点，要求学生分别就静力学、运动学和动力学出三套试卷并给出相应的答案.出题要求：(1)题型涉及判断题、选择题、简单计算题和综合计算题.(2)题目要有一定的难度，出题内容要求涵盖基本概念、基本定理和基本方法.(3)所出试题必须是自己最满意的.比如在静力学部分，要求判断选择题中应包含：力、力偶、摩擦、力对点之矩、力对轴之矩、空间力系简化等内容，计算题目应围绕2个以上研究对象、6类约束类型(光滑面约束、柔索约束、光滑铰链约束、固定端约束、滚动支座约束、二力构件约束)、3类载荷(集中力、分布载荷、集中力偶)等内容进行题目设计.运动学部分在综合题目设计中要有综合点的合成运动与刚体平面运动的基本求解方法，刚体上一点的速度和加速度求解问题.动力学部分的综合题目设计中则要求将动量定理、动量矩定理、动能定理或达朗贝尔原理进行综合，设计运动的刚体系，求解其受力和运动量等等.

实施效果及存在的问题：通过放手让学生自己提出问题、分析问题、解决问题，加强了对课程重点和难点的掌握，通过循序渐进地增加出题难度，学生们获得了积极的学习体验，提升了理论分析能力和计算能力，学习的主动性和积极性得到了有效提高.在自出题的环节中，教师要提供给学生学习理论力学课程的所有资源，包括各类教学资源、CAI课件、E-mail、电子图书等，指导学生自己寻求帮助和解决问题，因此该学习模式对应的教学模式也称为指导型(见图1).因学生对于知识掌握的程度和层次不同，在实施过程中存在聚焦的重点和难点不同，设计题目的深度不同的情况.

2.2.2 学生研讨(seminar)方式的实施

实施方法：主要采用了课程习题研讨、课程专题教学以及小组专题报告三种方式推进学生的研讨学习.

实施内容：实施过程中紧密围绕将简单实际物体抽象成为质点、质点系、刚体或刚体系的力学模型，并根据力学基本原理建立相应的数学模型；对模型进行条理清晰、逻辑性强的理论分析和表达；对力学模型的静力学、运动学与动力学性态进行定量分析,在三个方面展开对学生的逐步训练.课程习题研讨主要结合课堂教学内容和大纲的重点要求针对精选的课后习题和教学例题进行.课程专题教学主要结合机械振动基础和分析力学基础等教学内容开展.学生按照教师的示范教学过程：分析实际工程问题-建立抽象力学模型-建立数学模型-数学模型的求解-力学特性分析-讨论与扩展六个环节，选定不同专题，通过课下自学、查阅相关资料，形成教学内容后在限定时间内完成教学展示.小组专题报告主要结合理论力学开放实验进行，选取了机器人行走的相对运动合成分析、牛头刨床机构运动分析及应用、平面四连杆机构的运动分析及应用、卷扬机的动力学问题以及机械振动系统模态分析等课题进行研究，学生通过小组讨论、协作完成报告内容，最后推举一名同学进行专题报告.

实施效果及存在的问题：学生通过参加研讨，对基础知识的理解进一步加深，对基本理论和方法的运用得到了加强，学生的思考深度得到提升，同时学会了提出问题，创新思维活跃.但是在学生研讨过程中，教师选取讨论的问题和案例至关重要，既要考虑题目在教学课程中的重要性，也要考虑学生的课堂参与度.同时在学生研讨学习的环节中，教师不能做旁观者，要积极指导，引导学生自主探索，适时提出问题，总结补充和点评，有效的控制课堂节奏，因此该学习模式对应的教学模式为交互型.在实施过程中，因课时有限，学生对问题深层次挖掘不充分,学生参与度不平均.

2.2.3 学生科学研究(science research)方式的实施

实施方法：形成研究选题-研究过程-总结和提高三个阶段，开展科研小命题研究.

实施内容：学生的科学研究命题主要来自科研项目、工程实践、实验提升以及学生的自命题项目等等，目前形成的题目样例可参见文献[7].学生科学研究的过程对应3个阶段,分成5个环节(见图2)：(1)学生按自愿结合的形式组成设计团队(一般3～4人)，学生通过查阅文献了解确定拟开展的研究课题；(2)学生结合力学基础理论，拓展知识储备，选定研究题目进行理论分析和建模；(3)学生采用数值仿真或实验对研究题目进行力学分析与设计，获取数据；(4)学生根据研究结果，经过分析和提炼，撰写小论文；(5)以小组为单位进行课堂报告，并选出优秀小论文，进一步修改提高，提交国内会议或期刊，参加会议报告.

实施效果和存在的问题：学生通过小组学习，运用多元化、多学科的综合知识，对研究过程进行了体验式学习.因为兴趣驱动和团队合作的共同探索，学生经历了从工程实际中提炼出理论模型、分析求解思路、运用相关知识解决实际工程问题、提炼科学问题撰写成科研小论文的过程，学生的创新、团队合作、语言表达等综合能力得到了提升.对应该学习模式的教学模式称为研究型.在学生进行科学研究的5个环节中，教师要环环跟踪监督、探讨协助，逐步推进，学生的课堂学习延伸到了课外，教师的指导也就延伸到了课外.存在的问题是学生进行科学研究学习的过程相对较长(至少1学期)，教学课时又较少，学生需利用好课外时间，才能高质量高水准完成小论文.

图2 理论力学课程学生科学研究流程图

2.3 实施3S学习模式的教学评估

为考察3S学习模式在理论力学课堂教学中实施的有效性，采用了定性与定量相结合的方法，对实施3S学习模式的教学课堂效果和考核情况进行分析总结.作者结合在教学过程中设计的 “自学测试模块、自主学习体验模块、合作互助探究模块、拓展强化讨论模块、专题科学研究模块”5个教学模块，连续两年，每年 110人的课堂，课程教学分两学期，学时为80学时(56学时+16学时)，按照“13311”的评价标准，即“拥有1个创新性构思、编写3次自主开放试卷、参加3次小组讨论、参加1项科学研究，撰写1篇科技小论文”，通过学生的平时作业、自主命测试题、讨论发言、科学小论文、实验设计、课程闭卷考试等具体考核方式，评估3S学习模式实施情况.调查显示：75%的学生对于理论力学学习的热情明显得到了提高，对于专业知识的理解得到了加深，课堂的参与度增强，学习成绩及格率显著提升.在全体同学均参加的学生小论文写作中，70%以上的学生表示乐于完成研究型小论文，学生的独立思考能力和学习的自信心得到了增强，自主、合作、创新意识得到了提升.

3 结语

本文结合3S学习模式，以理论力学课程为教学平台，结合工程教育专业认证中强调的以学生为中心的教育理念，积极开展理论力学课程的教学改革与实践.一方面，学生在3S学习模式影响下，学习兴趣得到了激发和鼓励，学习的主动性和积极性得到了调动和发挥，学习的主动思考和主动提问得到了引导，不仅提高了理论力学专业知识的学习，同时增强了工程实践应用能力和创新能力.另一方面，学生学习模式的转变带动了教学模式的转变.因为3S学习模式是双向的、交互的，学生的学习也带动了教师的学习，从而不断提升了教学水平和教学质量，促进了人才培养质量的提高.但是3S学习模式说起来简单，但实际操作起来很复杂.这是一个系统的、长期的、渐进的、师生共同参与的过程.对应不同层次的学生，教师可以选择部分模块或者一个模块中的部分内容来进行教学.因此，如何长期而有效地在理论力学课程中运行3S学习模式仍然是我们不断探索和研究的问题.

1 李俊峰.理论力学课程体系改革探索与实践.中国大学教学，2008,(4)：10-13

2 盛国刚，邓军，李学罡.理论力学课程素质教育的探讨与实践.大学教育，2014,(6)：113-114

3 张亚红，韩省亮，刘睫等.理论力学课程教学中工程哲学思维能力的培养与实践.中国大学教学，2013,(10)：52-54

4 郭易圆，彭慧莲，王琪.理论力学探究型教学模式的探索与实践.力学与实践，2011,33(3)：70-72

5 尚慧琳.基于微课程的理论力学教学方法探索.大学教育，2015, (3)：93-94

6 叶红玲，刘赵淼，李晓阳.基于3S学习模式的理论力学课程教学探讨.北京力学会第22届学术年会,北京,2016

7 叶红玲，刘赵淼，李晓阳.理论力学课程研究型教学模式的探索与实践.力学与实践,2015,37(3)：440-443

(责任编辑：胡 漫)

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A

10.6052/1000-0879-16-274

2016-08-25收到第1稿，2016-09-20收到修改稿.

1)北京市教委项目(SQKM201610005001)和北京工业大学教育教学研究项目(2016-C0105-03)资助.

2)叶红玲，博士，副教授，主要从事力学教学与科研工作.E-mail：yehongl@bjut.edu.cn

叶红玲,刘赵淼,李晓阳.基于3S学习模式的理论力学课程教学研究与实践.力学与实践,2017,39(1)：71-74

Ye Hongling,Liu Zhaomiao,Li Xiaoyang.Research and practice in course of theoretical mechanics based on 3S learning pattern.Mechanics in Engineering,2017,39(1)：71-74