新工科下基于“四个协同”的混合教学模式研究与实践*
——以农机化专业和机械设计专业的基础力学课程为例

张钧惠 ， 衣淑娟 ， 毛 欣 ， 刘天祥 ， 杨 柳

（黑龙江八一农垦大学工程学院，黑龙江 大庆 163319）

近年来，随着社会的发展与互联网技术的广泛应用，教育信息化的发展水平已成为衡量国家教育水平的重要标志。国务院印发了《中国教育现代化2035》，提出的十大战略任务之一就是要加快信息化时代教育变革。然而，传统教育模式已经很难适应教育信息化的要求，需对现有的教学模式进行改革。基础力学作为我国高等教育院校理工类专业的基础课，不仅要培养学生应用基础力学相关知识分析和解决工程实际问题，还需为后续的专业课奠定必要的理论基础[1-3]。由于基础力学课程对学生的逻辑分析能力要求较高，目前各高校在基础力学的教学过程中信息化的应用程度较低，很难适应高校应用型人才的培养目标。为进一步提高黑龙江八一农垦大学农业机械化专业和机械设计专业基础力学的教学效果，实现培养方式与培养方向协同、理论教学与实验教学协同、教学考评与教学过程协同、线上学习与线下学习协同的教学目标，需对现有的传统基础力学的教学模式进行改革，探索更能适应国家信息化教育要求及学校应用型人才培养要求的混合式教学模式。

1 混合式教学模式的改革目标

基础力学包括理论力学、材料力学和工程力学，是高等院校中理工类专业的基础课程，该类课程不仅能够解决工程实际问题，还直接影响后续专业课如机械原理、机械设计等的学习。为更好地发挥力学课程在工程学科的基础作用，确立以下“四个协同”的教学改革目标。

1.1 培养方式与培养方向协同

随着高等教育事业的发展，新型教育模式的研究和实践成为我国高等教育改革的热点。学校发展目标和学生的实际情况，决定了学校对学生的培养方向为知识结构、能力体系均围绕生产实际需要的应用型人才，这就要求在进行基础力学的教学时教师对学生的培养方式、培养过程与培养方向协同。

1.2 理论教学与实验教学协同

基础力学与工程实际、日常生产生活有很大的联系，在基础力学的教学过程中，要使教学内容与工程实际紧密结合，充分体现基础力学的实用性特点。这就要求在教学过程中要采用理论教学与实验教学有机结合的方式，使学生既能从理论上理解相关力学概念的意义和应用方法，又能从实验中观察相关的实验现象，进而更好地将理论与工程实际相联系。

1.3 教学考评与教学过程协同

随着互联网技术的发展，学生获取知识的途径更多，对知识的深度和广度要求更高，应用型人才的培养方向也决定了学生不仅要掌握理论知识，还要具备理论应用能力、创新能力、协作能力等。这就要求教师对学生学习效果的考评机制要采取多样化的模式，从不同角度衡量学生的学习能力和综合能力。同时，通过科学的考评机制的实施激励学生积极、主动学习，提高自身综合素质。

1.4 线上学习与线下学习协同

近年来，世界高校的各种网络课程资源不断涌现，既有美国的MOOC平台，包含哈佛、耶鲁等世界名校，也有中国各大高校录制的MOOC、国家精品课等，能够适应各个层次学生自我提升的需求[4-6]。引导学生合理利用网络课程资源，将线上学习与线下学习相互协同，在学生在线查询、应用各种信息资源的过程中，提高学生的自学能力，拓展学生的知识结构体系。

在基础力学的教学过程中实现以上“四个协同”，有利于激发学生的学习积极性，培养学生应用新知识发现问题、分析问题、解决问题的能力。不仅为后续专业课的学习奠定必要的力学基础，也为理工科学生解决工程实际问题提供了完整、科学的方法，有利于培养具有创新精神、协作精神的应用型人才。

2 基础力学教学过程中存在的弊端

基础力学具有理论性较强、计算公式复杂、计算量大等特点，在传统的教学模式下，学生普遍感觉基础力学的学习比较枯燥，历年来学生的基础力学平均分不高、不及格率居高不下，对学生的顺利毕业产生了不良的影响。目前，基础力学的传统教学模式主要存在以下几个问题。

1）部分教学内容安排不科学，存在重复现象。如材料力学中四种基本变形的内力计算和内力图绘制具有很强的相似性，目前的讲解方法重复、分散，不利于学生对内力计算问题的解题思路进行总结。

2）对培养学生建立工程实际问题抽象模型的能力重视不够。解决工程实际问题的第一步是建立准确的力学模型，将工程实际问题转化为力学问题。对力学模型抽象能力的欠缺，最终导致理论教学与工程实践脱节，学生解决实际问题的能力不足。

3）传统教学模式主要通过教师授课、学生听讲的方式进行教学，忽略了学生主观能动性的作用，不利于学生自学能力的培养。传统教学模式对网络优质课程资源的利用效果不佳，不利于培养学生查询、应用信息资源的能力，也不利于拓展学生的知识结构体系。

4）考评机制不完善，不能及时、全面地考查学生的综合能力。现行的考评形式是考试成绩+平时成绩，试卷主要考查学生对理论知识的掌握程度，平时成绩主要体现在学生的出勤。这种考评机制不能及时、全面反映学生的学习情况，也不利于激励学生全面发展、思维创新。

3 基础力学教学改革措施

为实现“四个协同”的目标，针对基础力学传统教学模式中存在的问题，确定基础力学教学改革的内容主要包括教学内容体系调整、部分引入翻转课堂模式及完善教学考评机制。

3.1 调整教学内容体系

为实现基础力学教学的“四个协同”，需对基础力学的教学内容体系中存在的不合理安排进行调整，主要包括以下内容。

1）将工程实际问题抽象为基础力学的基本模型，是学生应用基础力学解决工程实际问题的基础，大部分学生对抽象过程掌握比较薄弱。因此，需加大理论力学中工程简化分析的投入，通过对大量农业机械生产和工程实际问题的分析，对比常见的约束类型及其约束力特点，引导学生完成从实际问题到力学模型的转化，进而应用基础力学的相关知识解决实际问题，并为后续课程的学习奠定良好的理论基础。

2）拟对材料力学、工程力学课程的材料力学部分的授课内容进行整合，将四种基本变形的内力计算、内力图、应力计算及强度计算进行系统讲解，避免讲解内容重复、分散的问题，最终将材料力学的内容体系调整为杆件的内力及内力图、杆件的强度条件及应用、杆件的变形及刚度条件、能量法和压杆稳定五部分。

3）为提高学生解决实际问题的能力以及创新能力，对材料力学与工程力学的实验部分进行改进，重点培养学生实验设计和实验操作的能力。在列出实验目的的基础上，引导学生应用所学基础力学知识进行实验设计，列出实验步骤并进行实验操作，对实验现象和实验数据进行记录。在实验的过程中加深学生对理论知识的理解，培养学生应用理论知识对实验现象进行分析的能力，同时培养学生的探索、创新精神。

3.2 部分引入翻转课堂模式

为激发学生学习的主动性，培养学生合理利用信息化资源的能力，在考虑基础力学课程特点的基础上，采取部分引入翻转课堂的授课模式。

3.2.1 筛选翻转课堂内容

基础力学尤其是理论力学具有逻辑性强、比较抽象等特点，不适合对所有教学内容进行翻转课堂，需通过筛选确定基础力学中适合翻转课堂的内容。1）静力学中在教师讲解平面汇交力系和平面力偶力系之后，引导学生对平面任意力系进行翻转课堂；2）运动学中在学习了点的合成运动的基础上，引导学生对刚体的平面运动的相关内容进行翻转课堂；3）材料力学中，在教师讲授1~2种基本变形的计算方法的基础上，实现其他基本变形相关计算的翻转课堂等。

3.2.2 引导学生分组进行课前准备

教师在蓝墨云班课APP上传相关自学资料，并根据教学大纲要求引导学生通过查找和观看线上网络优质视频资源及查阅相关学习指导资料完成自学。在自学相关内容的基础上，教师对学生进行合理分组，学生进行组内讨论，加深对学习内容的理解，教师通过蓝墨云班课测验的方式及时掌握学生对知识的掌握情况，并给出指导。为实现翻转课堂，学生进行组内分工合作，为翻转课堂准备相关演示材料。

3.2.3 翻转课堂的实现

通过前期充分的准备，学生对自学成果进行展示，实现翻转课堂。在翻转课堂的过程中，每组同学派一名代表进行主讲，其他同学可以进行适当补充，同时回答教师和其他组同学的提问。为保证尽量多的学生有讲课展示的机会，达到培养学生表达和自我展示能力的目的，要求各部分内容开展翻转课堂时，每组同学主讲的学生代表需进行轮换。翻转课堂后，教师对学生讲解过程中存在的问题进行分析和指导，保证翻转课堂的教学效果。同时，教师需根据学生的主讲及全组回答问题的情况进行总结和评价。

3.3 完善教学考评机制

传统教学模式中的考评机制考查形式单一、考查内容不全面，不能有效地对学生的学习效果进行衡量，不利于激发学生的学习积极性。为完善考评机制，引入云班课APP，实现了考评机制的全面、准确和多样。

3.3.1 考勤

考虑到传统教学模式的全员点名耗费时间较长，基础力学授课过程中通常采取抽查的方式进行考勤。引入云班课后，每堂课前通过一键签到或手势签到在一分钟甚至三十秒内完成全班签到，实现考勤的准确、全面、快捷。课程结束后，导出整门课程学生的签到汇总表，作为平时成绩中学生出勤的依据。

3.3.2 课堂评测

为实时了解学生对授课内容的掌握情况，除进行课上的常规提问外，还可通过云班课课堂表现模块的抢答、随机选人、手动选人等功能进行提问，丰富的提问方式有利于提高学生参与课堂的积极性。在授课过程中除了提问，还针对授课内容设计了头脑风暴环节，对学生的听课情况进行多个角度的考评。课程结束后，导出学生课堂表现的数据作为学生平时成绩中课堂表现的考评依据。

3.3.3 课后讨论、作业与测试

由于基础力学具有很强的逻辑性和实用性，且计算公式复杂、计算量大，需要进行大量的解题训练，逐步培养学生分析和解决工程实际问题的能力。为此，通过云班课的轻直播/讨论模块，针对授课内容的重点和难点，开展学生课后在线讨论，加深学生对知识点的理解。进而通过作业/小组任务模块布置适量作业，引导学生对授课内容进行复习，并应用所学知识解决相应的工程问题。完成作业后，学生通过云班课按照教师设置的提交时间上传作业。教师通过平台，可以一目了然地看到学生的作业提交情况，并对个别未按时提交作业的学生发出提醒。同时，教师可对学生上传的作业进行批改、标注，并根据学生作业质量给出相应的作业得分。当每一单元内容完成时，组织学生进行单元测试，测试形式根据测试内容可以采用线下测验或线上测验方式，教师根据测验结果给出测验成绩。结课后通过云班课导出学生所有作业、测验的得分统计表，作为学生平时成绩中作业、测验成绩的依据。

3.3.4 “教师+学生”全员评价

在对翻转课堂进行评价时，制订详细的评价标准。采取“教师+学生”全员评价的方式对翻转课堂中学生的表现进行评价，在参与评价的过程中加深学生对评价标准中各项具体要求的理解，同时能够有效避免学生在之后的翻转课堂过程中出现类似错误。

3.3.5 卷面考试

为适应学校应用型人才培养要求，在基础力学的卷面考试中，除考查学生对基础力学知识点的掌握情况外，需重点考查学生应用所学基础知识解决工程实践问题的能力。通过判断、选择、填空等客观题对学生基础知识点掌握情况进行考查，该部分占卷面总分值的20%~30%；通过计算题考查学生分析问题、解决问题的能力，该部分占卷面总分值的70%~80%，是卷面考试的重点。

4 基础力学教学改革效果分析

2019—2021学年度对黑龙江八一农垦大学工程学院农业机械、机械设计、工业设计等专业学生进行了基础力学教学模式改革，表1、表2分别列出农业机械化专业17级（未实施教学改革）和19级（实施教学改革）的材料力学成绩分布表。

表1 2018—2019学年度第二学期材料力学成绩分布表

表2 2019—2020学年度第二学期材料力学成绩分布表

分析基础力学教学改革实施前后的学生成绩分布表可得：实施教学改革后，学生成绩优秀率由原来的6.98%提高至14.93%，提高了7.95%；良好率由原来的13.95%提高至35.82%，提高了21.87%；不及格率由原来的20.93%降低至5.97%，降低了14.96%；平均成绩由原来的65.1分提高至75.39分，提高了10.29分。通过以上分析可得，基础力学的教学改革效果较明显，可以有效提高班级优秀率，降低不及格率，成绩分布曲线更加接近正态分布，且班级平均成绩也有较大提高，有利于提高基础力学的教学水平。

5 结论

通过对农业机械化和机械设计专业基础力学混合式教学模式的探索，激发了学生对基础力学的学习兴趣，可以实现线上与线下、教与学、学与评的有机结合，有效提高了基础力学的教学效果，为今后的基础力学的教学改革提供了参考。同时，针对基础力学的混合式教学模式探索还有待继续深入，在今后的改革和探索过程中继续加强翻转课堂的建设及基础力学实验创新，增强学生应用创新思维解决实际问题的能力。