基于混合式教学的“理论力学”课程分层教学的探索*

王坎盛 ，刘立悦 ，孙晓勇 ，仝国军 ，李桐栋 ，韩 超

（河北水利电力学院土木工程系，河北 沧州 061001）

0 引言

随着信息技术及教育理念的不断发展，混合式教学已经成为现代教育中的重要方法。混合式教学将传统的课堂教学与网络教学相结合，通过更为丰富的教学手段及资源，为学生提供更加良好的学习体验[1]。同时，当代大学生对网络的熟悉及依赖程度也为混合式教学的开展提供了便利条件。然而，在实践中，如何更好地利用混合式教学的优势提高教学效果仍然是需进一步探索的问题。

根据建构主义学习观的思想，学生作为学习的主体，其学习过程是通过自己原有的知识经验等来建构新的知识。传统的统一教学模式并不能充分考虑个体差异，难以体现因材施教、充分发挥学生个人特点的思想。而分层教学是考虑学生间的个体差异，根据其学习水平和兴趣爱好，将学生分为不同的层次，采用不同的教学策略和教学资源，为学生提供个性化的学习服务[2-4]。显然，分层教学能更好地考虑学生个体间的差异，满足其个性化需求，使学生能各有所获，激发学生的学习兴趣，提高学生的主动性和积极性，从而更好地发挥学生学习的主观能动性，进而有效地提高教学效果，使学生更好地掌握课程知识。

“理论力学”课程通常涉及大量的数学知识，包括微积分、线性代数等，因此对学生具有较高的数学要求。“理论力学”课程通常涉及很多抽象的物理概念和数学方法，需要学生具备较强的逻辑思维能力和抽象思维能力。同时，“理论力学”作为一门重要的工科基础课程，其对学生的思维能力和问题解决能力的提升有着很重要的帮助，对学生的专业素养和综合能力培养也有着重要的影响，该课程的掌握情况也直接影响着后续“材料力学”“结构力学”等课程的学习效果。目前，针对力学课程中的“结构力学”“工程力学”“流体力学”等课程已有教师开展了分层教学工作，并取得了一定成果[5-8]。而“理论力学”分层教学尚处于探索阶段，在混合式教学背景下，探索如何通过分层教学的方式提高“理论力学”课程的教学效果是本文的主要目的。

1 混合式教学和分层教学结合的意义分析

建构主义学习理论是对传统学习理论的进一步发展，其认为学习是学习者主动建构知识的过程，学习活动不是由教师单方面地向学生传递知识，而是由学生在原有知识背景框架之下，完成对新知识的重新建构，从而实现对新知识的获得和对旧知识的整合[9-10]。显然，根据建构主义学习观的思想，个体背景知识结构的不同会直接影响个体对新知识的吸收，因此在一定程度上回应了传统教学过程中学生的学习效果参差不齐的问题。同时，建构主义理论强调以学生为中心，不仅要求学生由被动接受者转变为信息加工的主体、知识意义的主动建构者，而且要求教师由知识的传授者或者灌输者转变为学生主动建构学习的引导者。在建构主义理论指导下，教师通过创设适当的学习情境，激发学生的学习动能，使学生实现对所学知识的意义建构。为了获得更好的学习效果，将传统班级授课进行更加科学的精细化分组，通过更具针对性的教学组织，可以更好地贴合不同层次学生的背景知识结构，从而获得更好的整体效果。

1.1 分层教学

分层教学可以更为充分地考虑学生的个体差异，根据学生的知识结构、学习能力和兴趣等因素，将学生分为不同的层次进行教学及辅导。针对不同层次的学生提供不同难度和深度甚至不同形式的教学内容，最大程度保证学生知识吸收的最大化。分层教学可以满足不同学生的学习需求，有助于提高教学效果。但是要实现分层教学需要一定的基础条件，首先，教师需要有足够的教学技术，整合充足的教学资源支持教学活动，包括教材、网络资源、课件和在线学习平台等。其次，教师需要具备一定的教学能力和经验，了解分层原则及方法，能够根据学生的学习情况进行科学分层。最后，教师还要有良好的沟通能力，及时了解学生的学习情况和需求，调整教学策略和方法。

1.2 混合式教学

混合式教学通过现代网络技术和多媒体资源的结合，可以提供丰富的学习资源和工具，帮助学生更好地理解和掌握课程知识。同时可以提供更加灵活和个性化的学习环境，提高学生的学习积极性和参与度，进而提升学习效果。比如在混合式教育中，在线学习平台可以作为辅助教学工具，为学生提供额外的学习资源和个性化的学习支持。学生可以在课堂之外通过在线学习平台学习课程内容，观看教学视频、做练习和参与讨论。还可以通过学情分析和评估工具来辅助教师了解学生的学习情况和需求，进而更好地指导学生的学习。随着信息技术的迅速发展和教育理念的改变，混合式教学在应用型本科院校中已经成为一种常见的教学模式。

综上，混合式教学和分层教学的结合可以充分发挥两者的优势，提高教学效果。

2 教学的设计实施及评估

2.1 明确教学目标

根据人才培养方案确定“理论力学”课程的学习目标及学生需求，细化每个层次的教学目标和要求。并且根据不同层次的目标要求，针对性地设计混合教学元素，满足不同分层学生的学习需要。“理论力学”课程的基础学习目标包括：掌握物体及物体系平衡的基本规律及其研究方法，会分析简单物体系的平衡问题；掌握质点和质点系机械运动的基本规律和方法，会分析质点及质点系的简单运动及合成运动问题；掌握动力学原理及运用动力学原理分析简单的运动与受力之间的关系。高阶学习目标包括：会对由三个及三个以上物体组成的工程结构的静力学问题进行分析，对质点系或刚体的复杂运动及受力之间的关系进行确定。更高阶的学习目标是：将专业实践中的工程实际问题简化为刚体，建立研究对象的静力学、运动学、动力学分析模型并进行分析，掌握商业软件中与受力及运动相关的建模及分析模块，提高复杂问题的分析能力。

2.2 确定分层标准

通过详尽的学情分析，了解学生的学习能力和兴趣，为分层教学提供依据。并进一步确定分层标准，将学生分为初级、中级和高级等不同层次。教师可进行微调，但主要应以学生能力、兴趣及个人意愿为标准。在学期初，将课程目标分层及课外项目安排与学生进行交流，先由学生自主选择分层并结成学习小组，教师根据学生数量及简单的测试结果，对学生在中级和高级层次间进行微调（希望尽量多的学生在完成基础目标后可以进入到中高阶的学习中）。在课程教学过程中，可以由教师通过检查学习效果及反馈调研，对分层情况及时进行调整（实践证明这一部分主要是部分学生需要退回到初级分层），使学生在扎实掌握基础知识的前提下，综合考虑时间分配及个人能力后对中高阶目标进行适当的学习和训练。

2.3 设计教学内容

根据每个层次的学生需求，设计相应难度和深度的教学内容。结合混合式教学资源丰富的优势，为学生提供更加丰富和多样化的学习资源，包括教材、课件、视频和在线学习平台等，供学生们选择。比如有些学生对力学的应用更感兴趣，则需要设计更贴近实际的问题内容，以此理解和应用课程中的知识；而有些学生对理论分析更感兴趣，则需适当增加教学过程中的推导过程和数学原理介绍。围绕学生的活动，应更加突出学生学习的主体性，也可适当增多针对分层的小型教学活动。

力学课程里很多概念较为抽象，力、能量等概念不便于直观理解。因而在授课过程中，要充分利用混合式教学，提供丰富直观的教学案例，比如分析空间任意力系在空间直角坐标系下的分量的实际意义，可以用一个运动的飞机模型作为视频展示，激发联想，加深印象。务必要注重将基本概念原理讲透，补齐短板，强化学生学习的自信心，这对于初级层次的学生尤为重要。比如，能量简单来说就是物体本身所具有的一种改变自身或者其他物体状态的能力，像是压缩的弹簧，可以将某个物体推动，这就是能量的释放，也是其能量的直观展示。对于中级层次的学生来说，则可以强化这些概念在具体实际问题中的应用，比如对于同样的做功，可以输出较大的力而相应降低速度，同样也可以输出较小的力而增大速度。要能够具体运用，解决实际相关的问题，让他们感觉学有所用，提高学习积极性。在讲解拉伸变形时，演示拉面的例子；对于扭转变形，展示拧麻花的视频；讲解弯曲变形，引入弯弓射箭的视频等。讲解空间力系中力对轴的矩时，“如果力和轴同一平面，则力对轴的矩为零”[11]，教师可以转动教室里的门，当门把手的受力和门轴相交或平行时门无法转动。并以此引发高级分层学生的思考，引导学生探究更为深入的内容，保证其对学习始终保持好奇心与探索精神。

2.4 灵活组织教学活动

在具体教学活动中，为了突出分层教学因材施教的特点，集中活动相对减少，分层活动增多。可适当丰富课堂小实验，既能提升学生学习的趣味性，也能根据实验的过程引导不同层次的学生进行思考，更好地发挥学生学习的主观能动性。比如对于不同约束的约束力特点，可以直接用儿童玩具中的拼接积木来展示，或者用人体的手臂来展示不同的约束类型所能提供的约束力的特点。对于动量矩守恒定律：在旋转时，旋转臂外侧挂有重物，那么旋转臂的伸长会降低转速，而旋转臂收回时又会增加转速[12]。此类小实验简便易行、生动直观，可以很好地激发学生的兴趣，提升课堂活跃度，也可以利用在线平台丰富完善教学资源，保证课堂教学质量。

同时，根据每个层次的学生特点，灵活组织教学活动。对于初级层次的学生，要放低起点，降低学习坡度，采用讲授和演示相结合的方式，通过更为具象化的元素来帮助学生理解和掌握理论力学的基本概念。对于中级层次的学生，教师可以引导他们进行案例分析和解决实际问题，培养他们的实践能力和创新思维。对于高级层次的学生，要讲解精要，适当组织研讨和实验，提供一些具有深度和挑战性的内容，让学生深入探讨理论力学的前沿问题，培养他们的研究能力。

通过在线学习平台，学生可以随时进行自主学习和互动交流，通过访问教学资源和学习材料，进行自主学习和巩固复习。并且定期评估学生的学习成果，及时给予反馈和指导，帮助学生提高学习质量。

2.5 实践分析应用

向分层教学班同学详细介绍分层教学试点的内容。广泛征询学生的意见项目，切忌强行分层，在尊重学生整体意见的基础上，优化分层方式。首先，利用测试卷的方式，考查学生对前期关联知识的掌握情况，提供教学分层的基础背景知识架构的客观数据。对测试卷的出题也要慎重合理，尽量同前期教学老师协同进行，保证测试卷的科学性。其次，组织问卷调查，了解学生对课程的期待目标、兴趣程度等主观因素。最后，在考虑测试卷的基础上，结合学生自身意愿，最终完成教学分层，并对参考班级进行同步分层活动，但仅作为不同分层的最终学习效果对比，教学过程中同传统课堂保持一致。

以静力学中的空间汇交力系、空间力对点的矩问题讲解为例。备课前期针对集中讲解部分，从生活中的实际案例引入，激发学生学习兴趣（前期可以利用在线学习平台整理并发送一些实例，如飞机减速伞等实例，引发同学对汇交力系的思考）。准备适应不同分层教学需要的在线学习资料，按照不同分层设置必要的学习内容，但学生也可以自由选择其他学习内容。具体讲解过程中，结合生活实例，增加学习的趣味性，并贯彻学生主体性原则。对于不同分层的学生引入实验教具模型，演示汇交力系的特点，同时设计不同的教学环节，可以采用分组实验，增加讨论、小组演示等发挥分层作用的主动学习模式。针对不同的学生分层，优化学生的学习内容，如对初级层次的学生，重在基础概念和基础合成问题的强化及前期课程如平面汇交力系等的联系与介绍。对中级层次的学生，提供一些贴合实际的问题，如工程中一些平面结构的节点的力系合成问题，要求学生进行具体的应用作答。而对高层次的学生，则提供一些相对复杂且具有探索性的问题，引申出对于空间任意力系合成的方法的思考。在各学习内容中设置必要的课后任务，鼓励学生互相交流，讨论问题。

2.6 评估教学效果

为对教学效果进行更为客观的分析，随机选择分层教学试点班级，按照分层教学班标准进行分层，但教学过程延续传统模式。需要注意的是，参考班级应选择同试点班级教学大纲等基本教学要求一致的班级，并且尽量选择同一位老师授课的班级，减少其他因素的影响。后续对不同教学模式下的班级、同层次内的学生进行学习效果对比。班级分层情况如表1 所示，阶段测验成绩对比如图1所示。

图1 阶段测试成绩对比

表1 分层班及参考班分层情况对比

根据学生日常表现的观察总结与最终测试结果的对比分析，可以发现在混合式教学背景下对“理论力学”课程实施分层教学，学生的学习积极性和成绩有一定提高，学习态度有所改善。初级层次的学生通过多媒体资源和在线学习平台，更好地理解了基础概念和方法；中级层次的学生通过小组合作学习和实践项目，提高了问题解决能力和团队合作能力；高级层次的学生通过探究及挑战性项目，培养了科研能力和创新意识。

3 结论与展望

在混合式教学背景下，分层教学对于提高教学质量具有重要意义。通过分层教学，学生在个性化的学习环境中具有更好的学习效果，有助于提高学生的学习动力和自信心。同时，教师可以根据学生的学习情况进行精准和个性化的教学，有助于提高教学效果。然而，要实施分层教学需要教师具备足够的技术及理论知识以及充足的教学资源，只有这样，分层教学才能够真正发挥其优势，为学生的学习提供更好的支持和指导。混合式教学依然存在一些问题和挑战，比如如何更好地评估学生的学习成果和提供个性化的反馈等。因此，未来的研究可以进一步探讨如何优化分层教学的设计和实施策略，以提高教学效果和学生的学习体验。