新工科背景下基于建构主义的力学基础课教学改革_张娟.pdf

University Education收稿时间 2021-06-24基金项目 本文受2020陕西省第二批新工科研究与实践项目（20GZ110105）、西北工业大学高等教育研究基金（国际化专项）（GJGZZ202101）、2021西北工业大学学位与研究生教育研究基金（2021AG16）资助。作者简介 张娟（1973），女，陕西人，博士，教授，研究方向：理论力学、航天器动力学与控制、振动理论及应用。2022年11月November，2022University Education摘要 新工科建设背景下的力学基础课教学模式改革，逐渐从以教师的教为中心向以学生的学为中心转变。这种转变需要良好的教学设计，基于建构主义组织教学活动和构建教学评价系统，将课程思政贯穿教学全过程，培养学生的思辨精神、使命担当精神，实施集合多元教育技术的线上线下混合式教学，培养学生的学习能力、协作能力、沟通能力，设计多维度过程考核和结果考核相结合的考核评价系统，促进学生综合素质提高，最终达成课程育人的知识目标、技能目标和素质目标。关键词 新工科；建构主义；混合式教学；教学目标；课程思政中图分类号 G642.0；O31 文献标识码 A 文章编号 2095-3437（2022）11-0045-04新工科建设是基于国家战略发展新需求、国际竞争新形势、立德树人新要求而提出的高等工程教育改革方向。对高校新工科模式下的教学，吴爱华、杨秋波、郝杰等人1指出，要践行三大质量理念：坚持学生中心，着眼于学生的全面发展，尊重学生主体地位，实现从以“教”为中心向以“学”为中心的转变，使教学改革的成果惠及全体学生。理论力学、工程力学、材料力学等课程是非常重要的工科技术基础课，是半数以上工科学生的必修课。其教学目标可分为知识目标、技能目标和素质目标2。首先，课程要求学生掌握基本力学知识，为学习有关的后续课程打好必要的基础。其次，课程旨在培养学生综合运用力学概念和理论分析解决工程实际问题的能力。再次，课程要求学生学习力学方法论，培养学生的力学思维，建立工程认知模型，从而提高学生的综合素质3。本文将研究新工科模式下基于建构主义构建理论力学、工程力学等力学基础课程的混合式教学模式，研究如何构建教学目标、教学活动和教学评价的一致性，将多种教学模式相结合，以提高教学成效；研究如何利用多种教育技术、多元化的教学资源，课内外融通，提升学生对力学知识的吸收能力和综合运用能力；研究如何将力学基础课课程思政贯穿于人才培养全过程，提高学生综合素质。一、基于建构主义的力学基础课混合式教学模式的构建建构主义教学系统中预期学习成效、教学活动和教学评价相辅相成，教学活动紧紧围绕教学目标进行。教学目标分类学是以布卢姆为代表的美国心理学家在20世纪50年代提出的。与教学活动相应的课程目标一般有三个层次的含义，即知识目标、技能目标和素质目标。按照布卢姆学习目标分类学，可以将知识目标分为记忆、理解、应用、分析、评价和创造六个层次。反映在力学教学中，就是要求学生理解理论力学、材料力学等课程知识点，学会应用力学基本概念和知识来分析解决工程实际中的力学问题，对工程中的一些问题能够基于力学知识进行评价，然后能够基于所学力学知识创新。技能目标指学生能够综合应用所学各科知识解决工程实际问题，拥有在解决问题过程中所需要的沟通、团队协作和自我管理、分析、决策、创新等能力，并具备思辨精神和能力。素质目标，即学生能有较强的口头表达能力、学术写作能力，能够树立正确的世界观、人生观、价值观，有良好的学术道德观念、高度的社会责任感和使命担当精神，最终形成良好的个人综合素质。基于一致性对建构主义进行混合式教学模式研究，教学活动的建构紧紧围绕课程目标进行，给出明确的预期学习成效，设计合理的教学活动，包括教师活动、学生活动、小组活动，师生互动，制定切实可行的教学评价标准，从而更好地促进教学目标的达成。基于建构主义的混合式教学模式结构如图1所示。二、基于课程素质目标的工科基础课课程思政贯穿教学全过程课程教学目标归根结底要实现对学生综合素质的培养，学生除了要具备扎实的专业知识和娴熟的工作技能，更要具备科学正确的世界观，有家国情怀、有担当4，新工科背景下基于建构主义的力学基础课教学改革张娟西北工业大学力学与土木建筑学院，陕西西安71012945要具备终身学习能力5，课程教学要将价值塑造、知识传授和能力培养相结合。因此，应将课程思政贯穿于教学全过程，紧紧围绕课程目标开展各项教学活动。在力学基础课教学中，首先通过引入与课程相关的力学家的故事、力学在我国航空航天等重大工程中的应用，厚植学生的家国情怀，培养学生的使命担当精神；紧扣与课程内容相关的力学热点问题确定课程任务，鼓励学生分组研讨，提交课程报告，从而让学生树立正确的世界观、人生观、价值观；引入工程中的力学实例培养学生的思辨精神；通过严谨的公式推导，严密的逻辑论证培养学生的归纳、总结、演绎、转换等科学思维，培养学生的创新能力，让学生养成探索未知的习惯；应用多种现代教育技术，营造小组学习氛围6，将在线课堂与传统课堂相结合7，打造线上线下混合式学习环境，让学生学会自主学习，练就终身学习能力。例如在理论力学课中，在讲动量定理时，我们将电影 流浪地球 引入课堂，让学生自己建立简单的力学模型来计算，把地球推出太阳系到底需要多大的力，流浪地球计划是否真的可行。同时，结合 流浪地球 中的“火种计划”和“流浪地球计划”，西方国家所主张的火种计划是在灾难降临地球时，抛掉地球，让飞船逃生，飞船其实就是另一个诺亚方舟。而中国人所主张的流浪地球计划是即使去流浪，我们也要带着地球去流浪。结合新冠肺炎疫情，中国政府全力救治每一位病患，不放弃任何一个生命，这和某些西方国家形成了鲜明的对比。其实这是两种价值观的碰撞，我们将这两种价值观的碰撞抛给学生，让学生自己去分析、去判断，让学生养成思辨的习惯，不人云亦云。在对比中，厚植学生的家国情怀和使命担当精神。三、基于工科力学基础课程目标的线上线下混合式教学改革顺应互联网时代教学规律及新生代学生的学习特点，我们紧紧围绕课程知识目标、技能目标和素质目标，设计有效的教学活动。随着雨课堂等智慧教学工具的广泛应用，现代课堂已经是一个集多种教育技术于一体的混合式智慧课堂。混合式课堂紧紧围绕课程知识目标展开，设计能够使学生快速掌握力学知识的混合式教学环境。例如受新冠肺炎疫情影响，部分学生不能及时返校上课，笔者在讲授理论力学英文课时，选择在智慧教室上课，上课时同时开启腾讯会议和雨课堂直播，线上学生有问题可以直接用腾讯会议提问，也可以在班级QQ群中提问，并和同学们讨论。教师发布课堂练习题，要求学生用雨课堂的投稿功能在线上提交，这时教师可以很快看到学生的答题情况，并对错误进行纠正。这样借助雨课堂和腾讯会议的智慧教学就能使课堂变成一个高效的反馈式课堂，有效提高了课堂的知识目标成效。另外，雨课堂的回看功能能够保证学生的课后复习，教师要求学生在SPOC中进行作业互评。作业互评有利于学生互相学习，能够应用所学知识对学习进行评价，这本身就是学习的更高阶层次。日常的教学活动中基于雨课堂等智慧教育技术，将线下课堂、在线课堂、翻转课堂有机融合，进行课前、课中、课后教学活动设计。依托线上教学支撑环境，如慕课、雨课堂、腾讯会议、西工大课程平台等开展课内外线上教学活动，包括在线自主学习、小组学习、在线交流、师生互动、课外个性辅导、在线测试等。线上自主学习阶段紧紧围绕课程素质目标提高学生的自主学习能力。线下教学主要是传统的课堂教学环节，完成力学基础课线下课堂知识点讲授课堂互动习题课课堂讨论课堂测试知识目标雨课堂等智慧教学工具课前预习线上实时互动课后作业及思考学习数据统计教学目标技能目标教学活动翻转课堂小组课前预习课中小组讨论开放实验、实践误程报告PresentationPoster素质目标在线课堂学习课程知识完成课后习题在线讨论课后复习提交作业作业互评课程思政家国情怀，大国工 匠，工 程 伦理，科学精神，思辨能力，终身学习能力，教学相长智慧学习环境智慧教室网络平台智能手机教学评价课程考试、测验、作业等雨课堂学习数据课程报告、Poster在线学习数据、慕课考试图1基于建构主义的混合式教学模式结构图智能学习资源：M00C，教学软件网络资源46University Education程知识教学，达成知识目标。学生利用翻转课堂进行课外学习、完成课程报告，开展课内研讨、交流、海报展示等活动，在进行探究式学习的同时，提高自身的学术写作能力、口头表达能力、交流和团队协作能力。围绕课程知识点，打造线上线下教学闭环，充分进行各种教学活动的互补，整合优化，实现课程知识目标、技能目标和素质目标。在校学生的翻转课堂，教师会给学生提供很多资料和教具，组织学生研讨，让学生完成课程报告。但是在线教学中，教师无法给学生提供足够的资料和教具，这对线上翻转课堂的开展十分不利，因此我们开发了系列动画来辅助线上学生完成课堂讨论和课程报告。这种线上翻转课堂模式如图2所示。在动画的帮助下，在线学生可以和线下学生一样分组参与课堂讨论，分析系统的运动，最终达成翻转课堂教学目标。用手机扫一扫，了解更多信息图3用手机扫一扫，了解更多信息用手机扫一扫，了解更多信息用手机扫一扫，了解更多信息图4图1图2选选图2线上翻转课堂结构图四、紧扣教学目标的学习评价体系改革评价体系紧紧围绕课程教学目标，主要基于过程性考核和结果考核。结果考核基于线下期中和期末课程考试，是对知识目标最有效、最公平的测试。过程性考核是基于智慧型教学大数据分析的多元化评价手段，包括慕课、雨课堂等课堂学习大数据统计，学生的书面课程报告、课堂口头报告及海报展示、学生的质询和答辩等，这些评价基于技能目标和素质目标，考查学生对知识的综合应用能力、学术写作能力、团队合作能力、口头表达能力等。学生的学习过程都和成绩评定相关联。这样通过给学生明确的学习评价方法，促进学生积极探索、参加课堂活动、锻炼上述各种能力，从而促进学生提高综合素质，达成课程教学育人目标。在笔者的全英文理论力学课程中，期末考试占比60%，期中考试占比10%，课程报告、海报展示和答辩占比20%，慕课成绩占比10%。开学初笔者就将课程评价方法明确告诉学生，激励学生积极参加各种课程活动，从而提升综合素质。自从西北工业大学的理论力学慕课上线之后，我们持续四年做线上线下相结合的混合式教学，从开始的探索到现在相对成熟，逐渐形成一整套混合式教学和考核体系，这种教学和考核体系对学生的培养效果也已经凸显。图3是持续四年对理论力学混合式教学所做的问卷调查(7、8、9三项是近两年做的调查)。从图中可以看到，多数学生认为混合式教学加强了课堂互动，个人综合素质和学习能力都有所提高。从2018年开始，通过课程思政学生增强了学生的责任担当意识，使他们了解了学术道德的重要性并提升了个人综合素质。2017年开始实施混合式教学时，由于教学设计还不充分，尚处于探索阶段，学生满意度并不是很高。之后课程组不断深化改革，优化课程内容，调整教学手段，最终近两年学生满意度都保持较高水平，这证明混合式教学效果已经得到学生的肯定。问卷调查显示，1.教师提供了很多课堂互动；2.教师会倾向于培养我们的创新思维；3.评价方式更多元化；4.提升了我的自主学习能力、群组学习能力；5.多样化的学习方式使我对这门课付出了更多的努力；6.提高了分析、解决问题的能力；7.增强了责任意识和担当意识；8.了解了学术道德的重要性；9.了解了力学思维，并知道如何用力学思维来解决工程问题；10.我对这门课整体满意度非常高。图3混合式教学实施效果学生满意度问卷调查2017年2020年混合式教学实施效果问卷调查2017年2018年2019年2020年12345678910100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%4790%以上学生都认同混合式教学模式，并从混合式教学模式中获益，提升了自身的学习能力、写作能力、思辨能力，从而提升了自身的综合素质。五、结语新工科建设要求高等教育要转变教学模式，从教师的教转变为学生的学，教师的教