应用力学电子课本探讨新工科工程力学云教材的建设及应用|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

探讨新工科工程力学云教材的建设及应用

摘要：新工科的人才培养目标使混合式教学模式成为高校教学改革的重要趋势。云教材是与混合式教学模式相契合的教学资源。工程力学云教材的建设贯彻以成果为导向的教育理念,明确学习目标,集成富媒体数字出版、云服务和移动学习三大领域的前沿技术,为工程力学混合式教学提供配套的教学资源。实践应用表明,工程力学云教材提高了学生的学习兴趣和自主学习能力,助力新工科的建设。

关键词：实践应用工程力学云教材建设应用力学新工科混合式教学模式

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。

教材《Essential Mechanics》介绍

《Essential Mechanics - Statics and Strength of Materials with MATLAB and Octave》是一本由P. Venkataraman编写的工程力学教材，它将两门核心工程科学课程——“静力学”和“材料力学”——结合在一起，适用于机械、土木和航空航天工程领域。本书通过MATLAB/Octave提供计算支持，涵盖了两门课程中最有用的主题。本书强调了工程内容的传统方法，并通过图形和分析进行了严格的支持。MATLAB的先前知识不是必需的。提供并解释了其在上下文中的使用说明。它利用MATLAB的数值、符号和图形能力进行有效的问题解决。这种计算能力为设计非常重要的“假设”探索提供了自然的过程。本书还强调了图形以理解、学习和探索设计。本书的思路、组织和内容流程是原创的和新的。计算的整合和分析和计算技能的结合是这本电子书提供的新的有价值的体验。最重要的是，本书在代码方面非常互动，因为它与分析一起出现。作者P. Venkataraman毕业于印度理工学院，拥有航空工程学士学位。他曾在印度斯坦航空公司的直升机设计部门工作。1984年，他从莱斯大学机械工程和材料科学系获得博士学位。他曾在罗切斯特理工学院机械工程系任教，现已退休。这本书的创新之处在于，它将两门课程的传统内容重新排列，使之方便地覆盖刚体平衡并将其扩展到可变形体力学。本书的组织和内容流程是原创的和新的。计算的整合和分析和计算技能的结合是这本电子书提供的新的有价值的体验。最重要的是，本书在代码方面非常互动，因为它与分析一起出现。这本书的主要知识点包括：静力学、材料力学、刚体、桁架、梁和弯曲、轴向力和扭矩、弯曲和剪切应力、应变和变形、弯曲和剪切应变、应力应变关系、材料的弹性和塑性行为、材料的破坏和失效、材料的疲劳和断裂。相比于其他同类型图书，本书的创新之处在于将两门课程的传统内容重新排列，使之方便地覆盖刚体平衡并将其扩展到可变形体力学。本书的组织和内容流程是原创的和新的。计算的整合和分析和计算技能的结合是这本电子书提供的新的有价值的体验。本书的行业影响力和权威性方面，P. Venkataraman是一位退休的机械工程系教授，他在机械、航空航天和材料科学领域拥有丰富的经验。他的其他书籍也受到了广泛的赞誉。

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