“互联网+”背景下理论力学课程教学优化与创新思维培养

花海燕 林华

[摘 要]文章针对机械类专业应用型创新人才培养目标，提出“互联网+”背景下面向机械创新思维培养的理论力学课程教学模式优化策略，设计了四维度教学内容组织结构，采取由“教师主动、师生互动”向“学生主动、教师导向”拓展的教学模式改革方案并应用于教学实践。学生利用网络教学资源，开展知识拓展学习以及工程实践与创新活动，增加了学习的自由度，提高了自主学习与实践创新的能力。文章还通过教学目标达成度分析，总结教学模式持续改进的方向。

[关键词]应用型创新人才；创新思维；教学模式；自主学习；导向教学

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）11-0008-05

○、引言

理论力学是机械专业必修的一门专业基础课，其知识渗透到后续的专业学习和工作之中，在机械产品设计研发中起着重要作用。但理论力学课程教学效果不理想的现象在许多高校中普遍存在。随着学生创新实践能力培养需求的发展，许多高校纷纷出现了压缩专业基础课程学时、增加实践课程的情况，这无疑给理论力学课程教学带来了更大的挑战，如何与时俱进地优化教学模式，提高教学效果，成为理论力学课程教学必须面对的问题。

通过对理论力学及同类型课程的教学改革现状进行分析与归纳发现，改革着眼点主要集中在以下两个方面：（1）合理编排并丰富教学内容。理论力学课程内容多，如何更紧凑地编排并丰富教学内容，是教学改革的重要着眼点之一。对课程的知识结构体系进行编排重组[1]，腾出学时用以增加工程案例、科研前沿问题等力学专题[2]，通过激发学生学习兴趣的方式提高教学效果。（2）改变刻板的教学模式，丰富教学手段。教师课堂面授为主的教学模式往往使学生被动接收信息，出现理论知识应用能力差、面对工程问题无从下手的现象。开展翻转课堂[3]，采用自主学习与翻转课堂相结合的混合教学模式[4]，甚至采取多种教学模式混合的方法[5]，提高学生在教学中的参与度，以此改善教学效果。

随着“互联网+”时代的到来，推进网络精品课程建设，利用网络资源促进学生个性化学习，成为教学模式发展新趋势[6-7]。在此时代背景下，笔者以机械类专业应用型创新人才培养为目标，实施理论力学课程的教学模式优化与教学实践。

一、理论力学课程问卷调查与问题剖析

（一）理论力学课程学生学习体会问卷调查

切实把握学生的学习体会与需求是教学模式优化的首要任务，也是设计教学环节，选择教学手段和方法的重要依据。为了使理论力学课程教学更契合人才培养目标，笔者通过网络发布调查问卷，在本院已学过和正在学习理论力学课程的学生中进行问卷调查，回收有效问卷134份，现将其中的关键性问题调查结果归纳如下。

1.课程学习难易体会与教学过程存在问题调查

针对理论力学课程教学效果达成度不高的现象，对学生课程学习难易体会和学习难点进行调查，调查结果如图1、图2所示。调查发现，对于该课程理论内容，仅有11.19%的学生认为学习轻松；69.4%的学生感觉略有难度，对部分理论知识理解不够透彻；14.93%的学生感到后阶段学习较有难度；4.48%的学生则认为从刚开始学习就很吃力。针对教学过程中的存在问题，高达41.79%的学生认为缺乏实验和实践环节，工程案例太少，学了理论却不知如何应用于工程实际；有26.87%的学生认为内容多，学时短，上课讲授进度快，是造成课程难以理解、吸收的主要原因；而有14.93%的学生认为课程内容太抽象是主要难点。

2.课程学习期望调查

针对“通过学习理论力学，最期望得到什么收获？”问题，调查结果见图3所示。学生选择“B.最希望能熟练运用理论力学知识分析及求解工程实际问题”选项最多，占48.51%，其次是选择“A.最希望能较好掌握理论知识、各种定理、公式推导，为后续专业学习打下更坚实的基础”选项的占39.55%，选“C.最希望能掌握力学分析软件的应用”选项的占11.94%。这说明大多数学生更重视工程实践的力学问题分析，而不是单纯的软件应用方法。

针对“如果增加理论力学互联网学习环节，最期望增加以下哪个模块？”问题，调查结果见图4所示。结果显示，对“课程习题与模拟卷”“工程实践案例”“创新实践”和“实验视频与虚拟实验仿真观摩”四个方面的期望人数比较接近，其中29.85%的学生最期望增加“工程实践案例”，仅比最低比例的“创新实践”高7.46%。可见，在优化教学模式时，有必要从满足学生的不同需求出发，进行教学方法和内容结构的设计。

3.工程案例教学环节与教学方法期望调查

针对“如果增加工程案例教学环节，最希望增加哪类型教学内容和采用哪种教学方式？”问题，其调查结果分别见图5和图6所示。

由图5、图6可见，“工程案例虚拟仿真实践”相对而言是学生比较感兴趣的环节，53.73%的学生有参与案例实践的意愿，但比较期望以小组的形式开展，而有17.16%的学生期望以个人为中心的实践与自我表现。

（二）理论力学课程现存教学问题剖析

通过分析学生的问卷调查结果，结合近年来任课班级该课程的达成度以及国内高校理论力学课程改革发展现状，总结教学过程中存在的问题和学生的薄弱环节，提出理论力学教学模式优化方向：（1）以应用型创新人才培养为目标的教学内容组织结构优化。培养高素质应用型创新人才是应用型本科高校当前的发展目标，需建立与该目标相适应的教学内容组织结构。（2）课程理论性强，工程實践性鲜明，应增加学生在教学中的参与度。作为应用型本科高校，应更加重视学生工程实践与创新能力的培养，进行教学环节、教学方式的优化。（3）学生与教师在教学环节中的主体与角色应多元化发展。学生在教学中主体地位的提高日益受到重视，但不能极端化地颠覆教师在教学中的主导作用，应寻求两者之间的平衡点。提倡发展多元化的教学环节，既发挥教师的主导作用，确保理论知识传授的系统性，又要充分发挥学生的主观能动性，满足学生的不同需求。

二、面向创新思维培养的教学优化

（一）四维度教学内容组织结构设计

采取“教学形式多样化、教学内容可配置”的差异教学方式，在不增加课堂面授课时情况下，以发展学生自学能力、分析解决问题能力和创新思维能力，满足不同程度学生需求为目标，制定“1+3”四维度教学内容组织架构，如图7所示，包含“1个维度”限定课时的面授内容和“3个维度”不限课时的“互联网+自主学习实践”。

第一维度：面授基础层。课堂面授采取“模块化”的形式，面授理论力学课程中静力学、运动学和动力学的基本概念、基本定理、基本方法、典型例题/案例等内容。

第二维度：互联网+巩固拓展层。与第一维度比较，这一维度有明显的学习“自主性”培养特性。学生自主选取薄弱环节或感兴趣的内容，进行习题巩固、知识片段拓展强化、工程案例专题学习和力学仿真技能学习。

第三维度：工程实践层。与前两个维度相比，这一维度有明显的学习“实践性”培养特性，以实践培养为主，兼顾创新培养。该维度包含“案例分析实践”和“虚拟仿真分析”这两个教学模块，一方面培养学生的文献阅读与复杂工程问题剖析能力，另一方面引入虚拟仿真技术，培养学生理论联系实际的能力和力学仿真的实践能力。

第四维度：创新创业层。与第三维度比较，这一维度除了自主学习与实践能力培养外，有明显的学习“创新性”培养特性。将有创新创业意愿的学生进行分组培育，围绕创新大赛或创新创业项目主题，开展创新设计、虚拟建模与力学仿真分析、制作实物模型、参与创新竞赛等活动。

为避免学生学习的盲目性，创建了理论力学知识网络拓扑引导图，不仅便于学生了解本课程知识点之间的关系，还可为学生自主学习提供引导。整个教学内容组织结构，既确保学生能够掌握力学基础知识，又兼顾学生专业、个人特性需求，体现了个性化的特征，学生可根据自身兴趣、能力和基础的不同选择不同的内容，使其个人的特长与主观能动性得以发挥，从而实现力学理论与机械创新思维的交叉与相互促进，使知识得到回溯巩固，提高学生学习效果。

（二）由“教师主动、师生互动”向“学生主动、教师导向”拓展的教学模式改革

改变以教师面授为主的单调教学模式，在确保系统性理论教学的前提下，提高学生参与度，推动学生思维创新，提高学生工程应用与创新思维能力培养，是本次理论力学课程教学模式改革的重要着眼点。为此，制定了“教师主动、师生互动”向“学生主动、教师导向”拓展的多元化教学环节，如图8所示。整个教学过程包含四个教学环节，对应“1+3”四维度教学内容。“课堂面授”采用“教师主动、师生互动”模式，其余环节均采用“学生主动、教师导向”模式。

一是课堂面授。课堂教学确保了理论知识的系统传授，包括传授新知识和巩固知识两个子环节。为了使学生更明确学习对象和目标，在面授的导入环节增加了“引导图导入”，通过“知识网络拓扑引导图”，使学生明确当前授课环节以及与已学知识点的关联，再结合“工程案例导入”“问题导入”等方式，多元化引入授课内容。教师在该环节中占据主导地位，师生之间通过课堂互动进行交流，通过习题讨论巩固知识。

二是巩固拓展。巩固拓展环节是以学生占据主体地位、教师起导向作用的线上教学环节。学生在线上自主学习时，根据教师编制的“知识网络拓扑引导图”进行學习，师生之间通过网络留言和实时交流方式进行互动讨论。

三是工程实践。为了培养学生的工程问题分析与理论应用能力，实质性地改变教学内容与科技发展脱节的现状，采取“线上线下”相结合的方式，进行工程案例分析实践和虚拟仿真分析实践。工程案例分析实践环节以学生个体为单位，进行复杂工程实际案例中的力学问题剖析并撰写分析报告；虚拟仿真分析环节则以小组形式开展，教师引导学生认知已有设计特征，举一反三，通过产品机构结构特征分析与繁衍创新、虚拟样机建模、力学仿真与问题剖析等教学活动，激发学生的创新思维，提高学生的实践能力。

四是创新活动。为培养符合社会需求的高素质应用型创新人才，在教学过程中，以创新创业项目或者创新竞赛为契机，由教师进行创新引导与项目培育。采取线上线下相结合的方式，进行创新设计与实践，解决其中的力学问题，并通过撰写专利和科技论文，参加创新大赛和创新创业项目，锻炼学生的综合素质。

三、创新思维培养策略及实施效果分析

（一）创新思维培养实施方案

在理论力学课程教学中实施多元化教学环节，通过“工程案例创新实践”和“创新创业”这两个环节培养学生的创新思维。

1.“工程案例创新实践”环节实施方案

面向教学班全体学生，采取“教师引导—学生课后实践—回归课堂”的实施策略，实施流程如图9所示。教师在网络发布典型工程案例，让学生了解理论力学在机械工程中的应用和工程虚拟仿真方法，并拟定若干机械工程案例问题，组织学生选题，引导学生思考；学生根据选题，以个人为单位进行案例分析实践，剖析复杂工程中的力学问题并提出解决方案，或以小组的形式进行“虚拟仿真分析”，实现结构创新与力学仿真对比论证；最后回归课堂展示实践结果和答辩。

2.“创新创业”环节实施方案

教师对有创新创业意愿的学生进行创新创业组队培育，实施流程如图10所示。首先，教师指导学生进行创新活动选题，学生通过互联网查阅文献与资料，而后进入“脑力激荡”环节，引导学生在一定时间内就所选题目进行创新性思考，大胆提出构想，寻找创新突破口与解决方案。在确定方案后，学生自主进行创新设计、建模、力学分析、实物制作，实现从产品设计到制造过程的系统性实践。最后，学生参与相关创新竞赛或创新创业项目，并撰写设计说明书、专利和论文等。

希望通过上述实施方案，使学生提高自主学习与创新的积极性，促进思维创新，增强问题探索与解决能力及团队协作能力等。因此，制定了工程实践与创新能力评价指标见表1所示，“互联网+”自主学习能力评价指标见表2所示。

（二）創新思维培养策略实施效果分析

以机械类专业121个学生组成的30个小组为评定对象，其中包含2个创新创业小组。设定折叠式机械、伸缩式机械和多杆系统这3个主题，开展“工程案例创新实践”和“创新创业”环节教学。按表1进行工程实践与创新能力评价，每个指标的达成度均以百分制计，评价结果见图11所示。

通过“工程案例创新实践”环节，对学生虚拟样机建模技能和力学仿真分析技能培养的达成度达到良好以上的组数较多，效果比较理想。设计创新性指标达成度80分以上达到10个小组，但仍有10个小组创新较少，有待持续增强。而对于力学问题的剖析深度与对比分析论证能力培养的达成度还不够理想，在未来教学中有待进一步采取措施加强。

按表2的评价指标进行学生自主学习能力评价，评价结果见图12所示。通过实践，学生的文献检索与资料收集能力、自学能力和学习主动性培养的达成度较高，其发展对创新能力的进一步培养十分重要。通过实践也发现，有些小组的团队组织和协作能力不理想，部分组员参与度较低，实践与创新积极性没有得到调动，需持续改进。

四、结语

通过四维度教学组织结构的创新，突破了枯燥的学习模型，增大了专业基础课的学习自由度，学生的学习自主性得到提高，创新积极性得到调动。然而，在专业基础课程教学中融入创新思维的培养，优化教学模式并不是一朝一夕的事，需循序渐进地改革创新，以便达到更好的教学效果。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 刘百来.少课时理论力学课程教学模式的探索[J].高等建筑教育，2010（4）：81-83.

[2] 高普云.对理论力学精品课程建设的思考[J].高等教育研究学报，2010（3）：64-65.

[3] 许英姿，沈玉凤.基于翻转课堂的理论力学教学改革与实践[J].力学与实践，2015（6）：737-740.

[4] 姜强，赵蔚.MOOCs：从缘起演变到实践新常态：兼论“创客”、“互联网+”时代的发展机遇与挑战[J].远程教育杂志，2015（3）：56-64.

[5] 刘露，沈玉凤.基于信息化的材料力学混合式教学模式的实践[J].大学教育，2018（1）：63-66.

[6] 郑云翔.新建构主义视角下大学生个性化学习的教学模式探究[J].远程教育杂志，2015（4）：48-58.

[7] 黄蕾，梁炎明，常晓军.“互联网+”背景下的教学方式改革[J].大学教育，2016（11）：33-34+54.

[责任编辑：庞丹丹]