支架式教学在材料力学教学中的应用研究

张效忠 孙国民

摘 要：材料力學课程是工程类学生的核心基础课程，对地方本科院校的学生来讲是比较难学的一门课程。学生的学习效果和课堂上经历的体验有很大关系，因此，在课堂学习过程中需要更加强调使用以学生为中心的方法和支架教学法将科学与生活联系起来的创新方法。本研究旨在深入了解以学生为中心的教学的作用，特别是将支架教学法实施到材料力学课程中。这项研究还试图改变学生使其从被动学习到主动学习。研究结果表明，应用支架教学法能够在材料力学教学过程中提高学生学习的积极性，以学生为中心的教学方法比传统以教师为中心的教学方法更能调动学生的主动性，取得了更好的教学效果。

关键词：支架式教学；材料力学；以学生为中心；主动学习

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）02-0081-03

Abstract： Material mechanics is a core basic course for engineering students， and it is a difficult course for local undergraduate students. Students' learning effect is closely related to their experience in class. Therefore， more emphasis should be placed on the use of student-centered methods and scaffolding teaching methods to link science with life. The purpose of this study is to understand the role of student-centered teaching， especially the application of scaffolding teaching method in the course of material mechanics. The study also attempts to change students from passive learning to active learning. The results show that the application of scaffolding teaching method can improve students' learning enthusiasm in the teaching process of material mechanics， and the student-centered teaching method can mobilize students' initiative better than the traditional teacher-centered teaching method， thus achieving better teaching effect.

Keywords： scaffolding instruction； material mechanics； student centered； active learning

引言

几十年来，国内外高校教师对材料力学课程教学范式做了大量的研究，其中涉及以课堂为中心的教学方法的改革主要有两种范式：以教师为中心的学习和以学生为中心的学习；以教师为中心的范式涉及从传播信息的教师到被动接收信息的学生，该范式是传统上知识传播方式。在知识传播过程中，教师作为核心，起到传授知识，评定学生接受程度，并采取措施来促进教学效果。在以教师为中心的范例中，重点是获得正确的答案，学习过程具有竞争性和个性化。而以学生为中心的范式积极地让学生构建知识，学习过程以学生为中心，强调提出问题并积极寻找解决问题方法，尝试从错误中学习，诊断学习效果也是以学生为中心。以学生为中心的方法中教师和学生之间是合作关系、协作关系和相互支持关系。几十年来，国内外学者对以学习为中心的社区的新范式做了大量实验，但是教学效果都或多或少的存在系列问题，不能达到理想的教学效果。特别对于地方高校，学生基础不是很好的情况下，教学改革更是举步维艰[1]。本研究通过把支架式教学应用到力学教学中，探索针对地方高校学生的力学类课程教学新方法，为地方高校的力学教学提供新的途径。

一、教学中的脚手架

近年来脚手架的概念已经成为教育工作者讨论的主题，也是工程教育研究的新重点[2]。教育工作者开始采用新的视角来理解脚手架的性质和重要性以及它如何与以学生为中心的学习联系起来。脚手架指的是学习支持和辅助工具，以便让学生更容易掌握新的课程材料，否则这些材料太复杂而不易理解。脚手架的工作原理是减少学生学习材料所需的认知努力量；通过事先向学生提供概念，学生的注意力过程可以集中在问题而不是知识获取上。

二、新的以学生为中心的学习方法

讲座是学术界最常用的教学方法，如果在力学课程中加以应用，将在力学课程中起到重要作用。在力学课程学习过程中适当使用主题讲座，解释课程中涉及的复杂概念和思想，并为这些概念的提出背景以及人物背景和成就加以细化，对该主题的核心形象化的进行分享并对该主题相关的人物进行选择性讲解，当然讲座准备过程也需要教师反复反思课程内容。讲授教学模式有其固有的优势，一直是传统的力学课程教学方式，与积极合作的教学模式相比，虽然需要更多的讲授时间，但能够覆盖更多的信息。以学生为中心的教学支持者对讲座式学习方法提供过多的信息而加以批评，他们强调更深入地涵盖学科的重要性。

目前，合作学习模型在力学课程教学中应用成为国内外力学教师关注的焦点，合作学习是一种生态模式，强调建立一种开放的、信任的、相互依赖的气氛。合作学习的概念具有强大的理论基础，该理论核心是为了建立积极的探究氛围，参与者必须带有目的性并以某种方式进行互动。学习者在学习过程中被动地倾听和记忆，学习的主动性明显不足。对于工程教育者来说，开展合作学习非常困难。因为它需要广泛的培训，练习，并需要花费大量的时间进行准备。特别对于新进教师来说，这可能非常耗时。除此之外，合作学习要求个人观点发生重大变化，不能采用自身学习过程的学习方法。教师不再是教学的中心地位，而是教学行为的推动者，资源提供者和过程评估者。因此，在材料力学课程中应用合作学习时，教师必须认识到五个建议的元素[3-4]：

1. 學习者必须培养归属感，并学习协作努力所需的社交技能，如领导力和解决冲突能力。

2. 学习者必须进行面对面的互动。如果学生们没有对结果或方法进行达成共识，那么合作学习的绝对积极的认知和情感结果将无法实现。

3. 每个参与者都必须加强自己的责任感。来自教师和同伴的任务分配，评估和反馈必须确保每个学生的个人责任。

4. 学习者必须及时参与他们小组的互动，这决定了他们如何合作以及改进。

5. 学习者必须努力实现积极相互依存的目标。学生必须关心同龄人的学习表现，因为他们是关于自己的。

许多学者对不同年龄学生进行合作学习的影响研究，从学龄前儿童到大学本科生。Slavin（1991）深入研究了小学和中学的60项研究，其中治疗和对照组研究了相同的目标至少四周[5]。约翰逊和约翰逊（1984）在超过1000篇文章中选择的521项研究中工作了12年，其中包括各级教育（学龄前儿童到大学本科生）。所有这些学术研究都表明，如果存在积极的相互依赖和个人责任的要素，合作学习必然会促进更高的成就[6]。约翰逊和约翰逊（1984）强调存在相当多的面对面互动和小组处理，以改善整体的团队运作，同时对成就收益也很重要。随着这些元素的额外存在，合作学习导致更频繁地使用高质量推理策略，更频繁地过渡到更高层次的推理，以及更频繁地使用元认知策略[7]。同样重要的是，Slavin和Johnson和Johnson一直发现改善人际关系，提高学习动机（特别是内在动机）的积极效果， 更高的自尊水平和更强的多民族关系，参与者对其他人有不同的，动态的和现实的观点，而不是静态的陈规定型观点[8]。

因此，本研究的主要挑战之一是设计一种脚手架和合作学习策略，不仅可以提高经验和效果，而且还可以应用在常规课堂时间内。脚手架如何影响学生的学习以及如何将脚手架和合作学习概念纳入材料力学课程，而不需要从传统教学方法的巨大转变中解决这个问题。

三、课程设计和程序

这项研究的对象是贵州工程应用技术学院的工科学生，从中抽取受访者是从2015年到2018年参加工程力学和材料类学力学的学生。样本共有500名学生，其中440名（88.0%）是男性，60名（12.0%）是女性。具体的学生学者见表1所示。所选学生的专业分别是机械工程、土木工程、安全工程和建筑工程技术。本研究使用以教师为中心的教学法和以学生为中心的教学法在材料力学课程中进行比较，对教学效果进行分析。使用以教师为中心的教学法的被动教学方法是传统的50分钟，每周二次的课程，使用以学生为中心的教学法的主动教学方法是一个实验性的50分钟，一周二次的课程，涉及干预和脚手架方法，包括补充视频和互动教学风格。该比较旨在关注学生的最终成绩。

本研究中的被动学习是典型的传统上课形式，教师和学生之间的互动往往显得僵硬，仅限于问题和答案。典型的讲座形式限制了学生在课堂上的互动。另一方面，正如其标题所暗示的那样，主动学习是“除了”传统讲座形式之外的东西。本研究中主动学习的概念很简单，学生通过在教师（脚手架）的指导下探索问题和想法，在学习中发挥了积极作用。学生在课堂上学习思维方式，提问，寻找答案，并在学习小组中合作学习。

在这项研究中，从2015年到2018年，在四年期间对两组参与者进行了平行的事后研究：机械工程的本科生，他们参加了传统的（被动）学习材料力学课程，以及土木工程的本科生参加实验（主动学习）材料力学学习。本文的作者之一（讲师孙国民）从2015年到2018年，每学期不断教授实验，以学生为中心的材料力学教学课程。机械工程学院的两名教师从2015年到2018年以教师为中心的材料力学教学法。上面的表1显示了学生人数和教师数量的细分。

参与调研的班级都有相同的教学大纲，所有教师在整个学期都使用相同的教材，所有教师在学期末进行相同的考试，所有教师使用相同的评分方案（在考试和作业期间扣除相同数量的分数）和评分等级。此外，还进行了方差分析，以确定10名传统教师的学生表现是否存在实质性差异，没有显着差异（p>0.05）可以提供证据来证明组内差异很重要。

四、数据分析

本研究采用独立样本t检验，非参数独立样本检验和一般线性单变量模型分析，以了解学生学习有效性的结果，以学习干预措施对材料力学的影响。为了有效地调查最有成效的教授材料力学课程的方法，本研究旨在回答关于材料力学课程类型的首要问题传统的45分钟，每周两次课程（被动，以教师为中心的学习教学法）或实验教学法45分钟，每周二次课程，其中涉及包括脚手架在内的干预措施，它是学生在材料类力学中表现的重要预测因素。采用定量数据收集，可以分析数据使用SPSS统计软件中提供的统计分析程序。为了保证机密性，使用学生识别号码建立数据集；但是，一旦数据集完成，所有学生标识符在统计分析之前被删除，所有结果以汇总形式呈现，以便不能识别任何个体。这确保了该项目的调查人员无法识别数据所属的个人。

五、结果与讨论

比较表2中的大学前表现，可以看出，参加实验班的学生与参加传统学习的学生相比，进入大学时略有不足。所有大学预备变量，从高考成绩来看参与主动教学法的学生普遍比参加传统教学法的成绩略低。但在绩点上相差仅0.03，故可以认为两组中的学生在进入大学的同一水平，这在主动学习干预之前确定了两组的学习基础是没有差异的。

从表3可以看出，参加主动教学法试验的学生的平均成绩比传统教学方法逐年提高，这与教师在教学经验的积累有关。对应的不及格率，以学生为中心的教学方法不及格学生几乎为零，明显是提高了学生的学习兴趣所致。对应的优秀率，传统的教学方法中优秀人数机会没有大的变换，而主动教学法的学生优秀率逐年提高，明显是学生的学习积极性和对知识掌握的程度都比传统教学方法要好。

这项研究的结果与预期的一致，但是创建一个积极的，以学生为中心的课程对于教育者来说并不是一件容易的事。它需要正式的培训，积累大量的经验。本研究中分析的工程专业的差异虽然是学生表现的预测因素，但并不是本文假设的一部分，因此在讨论中并未进行讨论。参与者都在学习材料力学课程的内容领域，其他课程有待实验验证。

六、結论与建议

（一）结论

采用以学生为中心的学习教学法，运用脚手架，补充视频和互动教学风格对学生学习材料力学成绩提高有显著影响。与传统的教学方法相比，主动教学方法具有明显的优势，值得地方本科院校和大专院校推广采纳。

（二）对教师和未来研究人员的建议

对于材料力学教学过程中任何有教授这些能力的教师都可以按照以学生为中心的教学方法对课程进行重组，同时也有机会体验更新的教学方法。材料力学课程课堂教学应该提供资源和支持，以学习如何在课堂上实施以学生为中心的教学法。应鼓励工程系教师在他们的工作中使用脚手架和合作学习教学法，以确定哪些以学生为中心的内容达到最好的教学效果。需要进一步研究探索以学生为中心的学习在入门的基础课程中的相互关系。

参考文献：

[1]刘萍华.20年来我国材料力学实验课程教学改革文献综述[J].力学与实践，2009（06）.

[2]陈茹仪，孙洪军.“材料力学”课程教学方法 教学手段的研究与改革[J].辽宁工学院学报（社会科学版），2007（03）.

[3]韦成龙，李学罡，徐飞鸿，等.材料力学教学体系改革的研究与实践[J].中国高教研究，2001（04）.

[4]李玉兰，张永祥，樊小龙.材料力学课程教学改革与实践[J].高等建筑教育，2010（19）.

[5]Schul， J. E. . Revisiting an Old Friend： The practice and promise of cooperative learning for the twenty-first century[J]. Social Studies，2011， 102（2）：88-93.

[6]Slavin， R. . Synthesis of research on cooperative learning[J]. Educational Leadership，1991，48（5）：71-81.

[7]Slavin， R. & Oickle， E. . Effects of cooperative learning teams on student achievement and race relations：Treatment by race interactions[J].Sociology of Education， 1981，54（3）：174-180.

[8]Steif， P. S. & Dollar， A. . An interactive， cognitively，informed， web-based statics course[J].International Journal of Engineering Education， 2008，24（6）：1229-1241.