新工科工程力学云教材建设的研究与实践1)

许月梅

(北京石油化工学院机械工程学院，北京102607)

2017 年教育部高等教育司发布“关于开展新工科研究与实践的通知”[1]以来，新工科建设成为了我国新时期高等工程教育改革的指导方针。新工科旨在培养具有创新创业能力、跨界整合能力、高素质交叉复合型卓越工程科技人才[2]。新工科的人才培养目标要求重构工科人才的培养模式。工程力学是与航空航天、机械、化工、建筑和国防等诸多行业相关的基础学科，是理论与工程连接的桥梁，也是一门工程应用学科[3]。新工科背景下，要求工程力学结合新工科的建设理念，构建适合工程教育的“以学生为中心”的教学模式，建设与之相配套的教学资源。

1 新工科背景下工程力学的教学模式及其理论基础

混合式教学是指在适当的时间，通过应用适当的媒体技术，提供与适当的学习环境相契合的资源和活动，让适当的学生形成适当的能力，从而取得最优化教学效果的教学方式[4]。目前比较通行的做法是线上教学与线下教学有机结合。

混合式教学的理论基础很多，本文主要采用首要教学原理理论和深度学习理论。Merrill[5]提出了以问题为中心的“首要教学原理”，该理论不仅强调教学设计要让学生介入实际问题，而且要求教师转变教学理念，从知识的传递者转变为学生学习过程中的指导者、协助者、促进者。深度学习理论旨在培养高阶思维，实现高效学习。该理论认为学习的核心目标是培养高阶思维，即批判性思维、反思性思维、创新性思维等[6]。高阶思维能力是当代社会人才需求的一个重要导向，也是学生在新工科时代所必需的技能。如何培养学生的高阶思维能力，已成为当代社会关注的核心问题。

混合式教学是“以学生为中心”的教学模式，学生课前通过线上自主学习，使浅层的知识学习发生在课前。课中和课后的项目学习、探究性学习及作业等活动是在教师指导和帮助下使知识内化，通过对信息和经验的深度挖掘和加工，实现知识的转化与迁移，提升独立思考和判断的总体能力，提高解决问题的能力，并最终促进学习目标的实现与高阶思维能力的发展，培养学生的创新能力。新工科的培养目标是在人工智能、大数据等技术的兴起背景下，培养具有创新型、应用型、复合型的优秀人才。因此，新工科背景下混合式教学模式成为高校教学改革的重要趋势。

2 新工科背景下工程力学混合式教学云教材的建设

教学资源是混合式教学目标实现的重要保证。在本研究中，我们制作的工程力学云教材贯彻以成果为导向的工程教育理念，课程设计从培养目标反向确定教学的适切性[7]，根据毕业要求确定学习目标，然后围绕学习目标对工程力学内容进行重新构建，结合混合式教学的各个环节、组织形式、分配时间，及各环节之间的有机衔接，编制了工程力学云教材。云教材集视频、语音、图片和文字于一体，内容呈现形式立体化，针对重点和难点内容，采用教学短视频的形式呈现，每段视频时长不超过10分钟，由本文作者主讲，供学生课前在线学习。

2.1 工程力学云教材的内容

根据以成果为导向的教学理念，教学内容不是教师想要教的内容，而是毕业要求的内容，同时还要提升学生自主学习的兴趣和能力。我们制作的工程力学云教材摒弃陈旧的教学内容，增加与专业相关的能够激发学习者学习兴趣的内容。针对非机械类工科专业，在结构上以杆件各种变形为主线编写教材，主要介绍工程力学基础理论及其工程应用。我们按照行业和产业需求，将每一个引入教学的例题和案例，不论选材、选型、载荷及分析方法都要和现代工程相联系。全套教材分两篇，共计11章44节。第一篇为静力学，包括静力学的基本概念、物体的受力分析、平面力系、空间力系和摩擦；第二篇为材料力学，包括材料力学的基本概念、轴向拉压、扭转、平面弯曲、组合变形(包含应力状态分析)、连接件的强度和压杆稳定。

2.2 工程力学云教材的结构和特色

教材每一节的逻辑结构大体上是: 学习目标→工程导入→理论知识→例题→工程应用→小结→交互练习。这里以其中的一节为例来说明：(1)首先让学生知晓学习目标，用音频和文字双重加强。知识目标用了解、理解和掌握来表述，能力目标用应用、分析、研究和设计等来表述；(2)工程导入部分以工程问题引出内容，引用大量的工程图片(以画廊的方式呈现)和视频等，加强学生对本课程与工程关系的认识，提高学生的学习兴趣；(3)理论知识部分以介绍和推导的方式进行，对于建立学生逻辑思维的重要理论知识推导部分，以教学视频(微课)的形式呈现，一方面加强学生的理解，另一方面便于学生反复收看，提高自学能力，为混合式教学和翻转课堂提供基础资源；(4)例题以教学视频的方式呈现，重在引导学生分析和确定解题思路；(5)工程应用列举一些在工程上直接应用的实例，加强理论与工程的连接；(6)小结以视频呈现，对本部分内容进行系统总结；(7)交互练习是最后环节，围绕学习目标设计，学生作答完成后可以看到参考答案。学生可以针对没有掌握的知识点进行反复练习，直到达成本节的学习目标为止。

云教材可以导入云班课中使用。在班课中，教师可以查看学生的学习报告，及时掌握学生学习云教材的各种数据：学习内容、学习时长、阅读时长、视频学习时长、交互练习的次数和正确率，便于教师过程管理。因此，我们制作的云教材具备如下特色：(1)集视频、语音、图片和文字于一体，呈立体化；(2)兼备PC 端和移动端的学习功能；(3) 可导入云班课中作为教学资源；(4) 可以作为工程力学课程的慕课教材；(5) 适合自学，可以服务各种类型学习者。

3 实践应用和效果

我们制作的云教材已经出版，并在2019年秋季学期在能动18 级工程力学课程中进行了混合式教学改革试点。我们把“工程力学云教材”导入云班课中作为教学资源，采用翻转课堂教学模式，让学生有组织地进行课前预习，面授课堂则以讨论、分析、答疑、互动为主。

云教材的使用效果如何呢？我们对学习该课程的58名学生在云班课上进行了匿名问卷调查，调查结果如表1所示。通过表1可以看出，学生对云教材的认可度高，云教材对于其明确学习目标、认识课程与工程的关系、加深对教学内容的理解、提高自主学习能力都起到了积极作用。

采用云教材和翻转课堂教学模式后，学生对于教学活动的参与度如何呢？根据本课程在云班课上记录的数据显示(见表2)，除了头脑风暴活动外，学生的参与度都超过90%。头脑风暴活动的目的是激发学生创新思想，学生参与度是70%，作为培养学生创新思维的活动，这也是参与度较高的结果。由表2 可以看出，学生出勤率非常高，课堂表现积极活跃，改变了过去逃课、课堂上玩手机、睡觉的现象。大多数学生能够按时完成云教材学习、课堂测验及课后作业任务，改变了先前“爱拖延”的毛病。很显然，学生的学习兴趣明显增强。

表1 云教材使用效果问卷调查结果

表2 学生教学活动参与度

4 结语

工程力学云教材是新工科时代的产物，是与现代以成果为导向的教学理念相结合、与混合式教学模式相契合的“新”教材，初步实践表明深受学生的欢迎。但是，我们需要持续试点探索，在更大范围从多个维度研究观察其使用效果，及时发现问题，不断加以完善，助力新工科建设。