差异化教学在材料力学课程中的应用研究

摘  要：该文分析工程教育认证下普通高等院校材料力学课程教学中存在的问题，基于差异化教学体系提出与材料力学课程相适应的教学改革方案。建议通过教学目标、过程和考核差异化特点建立材料力学课程差异化教学体系。基于课前、课中和课后，提出相应的差异化教学方法，提出3模块和3层次的差异化仿真实验教学方案，构建差异化课程考核方法。

关键词：差异化教学；工程教育认证；OBE；材料力学；教学改革

中图分类号：G640      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）18-0029-04

Abstract： The paper analyzing the existing problems in the process of course teaching of Mechanics of Materials for regular higher educational institutions under engineering education certification， in this paper， the teaching reform project of the course is presented on the basis of the differentiated teaching system which consists of teaching target， teaching process and teaching assessment. In the project， the corresponding differentiated teaching methods are presented according to three class stage （before class， in class and after class）. The simulating experiment teaching based on three modules and three hierarchical structures are proposed， and the differentiated course assessment modes of mechanics of materials are constructed.

Keywords： differentiated teaching; engineering education certification; OBE; mechanics of materials; teaching reform

差异化教学是指在教育体系中，教师要根据学生的兴趣导向和天赋差别的不同，所组织的人才培养教学活动。通过这种活动，教师有目的、有计划、有组织地引导学生积极自觉地学习，促进学生特殊才能迅速提高，使他们成为社会所需要的专业人才。差异化教学要求教师能够基于学生存在的多方面差异，提出不同的教学方案，实施不同的教学要求，从而做到“因材施教”。学生存在初始能力、学习兴趣、学习能力和未来预期等方面的差异，采取差异化的教学以满足学生个性化的学习需求是与“促进每个学生发展，提高每一个人的生命质量和价值”的教育本质一致的，是以“学习者为中心”的教育范式下的必然要求，也是我国推进教育现代化的重要方向之一[1]。

基础力学课程是多数工科类专业教育的基础，是提高力学技能、培养各类合格工科类人才的奠基工程，其在创新人才的培养中起着重要的启蒙和基础性作用，没有好的基础力学教育，很多工科类专业后续教育与创新将受到制约与影响[2-3]。材料力学作为重要的一门基础力学课程，主要面向西安工业大学国家一流专业机械设计制造及自动化和土木工程开设，通过本课程的学习，可以增强大学生的工程意识，掌握解决工程问题的基本理论及方法，培养学生一定的解决工程实际问题的能力，是提高学生科学研究能力的起点。以一流专业土木工程为例，材料力学课程毕业要求指标点分别为：掌握力学原理和方法，具备工程建模研究能力，能将这些力学原理和方法用于土木工程专业复杂工程问题的建模、分析与计算；能够应用数学、自然科学与力学知识的基本原理，识别土木工程专业复杂工程问题本质特征，建立恰当的工程分析模型；能够应用工程科学的基本原理，通过文献调研，结合实际工程建设的基本特点，系统分析并充分表达土木工程专业复杂工程问题，给出可行的解决方案。

材料力学课程的传统教学模式是以教师在课堂教学过程中采用理论讲授方式为主，并通过课堂上的具体例题讲解向学生阐明材料力学基本概念和原理，并详细展示计算公式的具体推导过程，而后通过课后的习题作业环节强化学生对本课程基本概念和原理的理解，增强学生应用基本计算公式的能力[3]。在工程教育认证导向的工程类专业宽口径培养模式下，材料力学课程呈现出内容多、难度大、学时少的特点，且一般都为大班教学，采用传统教学模式的教学效果难以满足工程教育认证下的课程目标要求。结合2020—2022年西安工业大学（以下简称“我校”）土木工程和机械设计制造及自动化一流专业的材料力学课程总评考核数据分析结果，由于学生个体初始能力、学习兴趣、学习能力等方面的差异化问题未引起足够的重视并采取有效的应对措施，使得该门力学课程的持续改进措施不够有效，突出表现为我校土木工程和机械设计制造及自动化一流专业学生力学基础能力整体性偏低，优秀学生的力学创新性能力略显不足，亟需研究新的改进措施。本文在已有研究的基础上坚持“以学生为中心，以产出（成果）为导向，以持续改进为推动力”的OBE （Outcome based education）教育理念，深入研究学生个体差异，找准切入点，并融合科学计算相关技术作为有效教学方案，提出我校材料力学课程的差异化教学改革及实践方案，全面提升我校一流工科专业学生力学基础能力水平和更高的创新性目标需求。

本文基于我校土木工程专业毕业要求对应的课程分解指标点以及材料力学课程的目标要求，考虑不同学生的层次特点将其归并为不同的组别，而后针对相应组别提出的不同教学目标和教学要求，并选取不同的教学内容，采用不同的教学手段和考核指标以实现教学目的，形成该课程差异化教学体系，具体如图1所示。差异化教学体系有利于巩固“以学生为中心”的教育指导思想，使得教师能够在教学过程中充分考虑到每个学生对于该门课程个性化目标需求，努力做到因材施教，从而通过教学服务的不断改善有效提升教学质量。结合已有研究基础，本文提出的材料力学课程差异化教学体系主要基于教学目标、过程和考核差异化进行构建[4]。

一  教学目标差异化

目前我校土木和机械类一流专业均根据学生的个体情况，形成了“卓越工程师”试验班和普通班两种班型，考虑到两种班型的学生在基础能力、学习兴趣和能力存在差异，基于已有的相同教学方案难以满足存在差异学生对于该课程的目标需求，需要了解每位学生自身对于材料力学课程的总评成绩目标要求（按照优、良、中和及格几个层次区分），同时搜集学生差异化分析数据并对学生学情进行分析，学生学情分析的差异化数据基于表1获取[1]。在材料力学课程目标的基础上，依据学生差异化分析数据和自身的课程成绩目标将学生划分为不同需求的学习层次。

依据不同需求层次的学生设定差异化的教学目标，即普及型、提高型和探究型三个层次。对于普及型学生，要求其理解和掌握材料力学课程应知应会的基础知识与基本技能；对于探究型学生，可以设计一些工程性较强的探究类学习任务，通过参与相关研究课题、项目带动等活动培养其创新思维能力；而对于提高型学生，其课程目标要求基于二者之间制定。

二  教学过程差异化

在材料力学课程教学活动中，具体不同能力和课程目标层次特点的学生显然是教学活动的主体，而教师如何有效地组织多层次的课堂教学活动，指导不同层次学生在课堂中提出的具体问题，以及在有限的课堂时间中如何协调不同层次学生的学习进度是材料力学课程差异化教学活动能够实现的重要方面。组织策略方面，将分层设计与灵活分组结合起来提升学习效果。指导策略方面，有针对性地与不同学生进行不同问题的交流，可以达到对不同学生的差异化关注、指导，同时建立学生之间的互助关系。调控策略方面，要兼顾所有层次的学生，学习活动应该是一种非线性的安排。课后作业环节根据教学目标设计满足学生多样化需求，对于普及型学生要求其完成课程目标要求的最低作业量，而对于探究型学生应当布置一定数量综合性更强，创新能力要求更高的扩张性题目，从而保证不同层次的学生能够通过不同层级的循环性练习达到各自的课程目标要求。具体的差异化教学过程设计如图2所示。

多元化教学资源库是实现差异化教学过程的重要保障。我们主要通过加强线上和线下资源库的建设不断丰富材料力学课程的教学资源库。通过建立具有本校特色的材料力学线上课程并选取国家级教学资源库中经典的材料力学线上课程完善该课程线上资源库的建设。采用现代数字技术对材料力学课本知识进行深化处理，例如学生可以扫描书上的二维码即可链接相关的数字资源观看学习；同时进一步完善标准化练习册、试题库、工程案例库和课程答疑网上平台等多元化教学资源库，为有潜力的学生留有深入学习的余地。同时设计材料力学仿真实验方案，将力学、数学、计算机科学交叉融合，充分发挥计算机在材料力学教学中的作用。基础力学课程实际就是根据不同假设建立不同数学模型的过程。所以在实验教学中就要培养学生建立相应数学模型并能求解的能力。将国际先进科学计算核心有限元技术用于材料力学实验教学中，让学生利用相关语言编写特定程序文件与有限元结合解决实际问题，有利于学生创新能力的培养[5]。采用三重验证的教学方法，首先以力学分析计算理论解，接着通过有限元分析的方法，藉数学分析软件进行理论验证与计算，最后以有限元软件包执行分析，三者互相验证，同时体现力学分析、有限元理论与软件包之间的交互关联。按照3模块和3层次建立材料力学仿真实验课的教学体系以满足不同层次学生的教学需求。其中3模块是必做实验、课内选做实验和课外选做实验；3个层次为基础性实验、综合训练性实验和工程创新性实验。

全国周培源大学生力学竞赛主要考察理论力学和材料力学两门课程的基础理论和实验知识的综合运用，着重考核灵活运用基础知识、分析和解决问题的能力[6]。由于力学竞赛的题目相比于课内的习题而言，对于学生的综合能力会有很高的要求，所以在OBE教学理念的指导下，对于竞赛题目的训练我们是以探究型学生的需求为主，鼓励提高型学生积极参与。如何丰富力学竞赛辅导模式，不断提高相应层次学生的创新能力是我们后续重点要考虑的一个方面。例如，我们通过创办建立网络媒体平台，定期开展力学竞赛历年真题讲解活动等形式，有效提升了探究型层次学生的创新能力。

三 教学考核差异化

在工程教育认证背景下，传统的教学考核方法已难以满足不同层次学生的差异化课程目标需求，需要建立基于差异化材料课程目标需求同时满足工程教育认证课程目标要求的综合性考核方法。学生对材料力学课程基本概念的理解程度和基本知识的掌握程度可以通过课堂与学生的交流情况、课堂小测验、学生线上课程预习情况以及阶段性闭卷考试等形式进行考核评定，基础力学实验能力可通过材料力学课程线下实验的具体操作和实验作业的完成情况予以考核，基于材料力学基本理论和方法解决实际工程问题的综合分析能力通过阶段性闭卷考试难以有效地进行全方位考核。此外，考核办法还需要考察学生学习过程的持续反馈，需要研究基于OBE的材料力学课程差异化考核方法。

基于全过程性、持续性、多元化原则建立材料力学课程差异化考核方法，主要基于以下四个方面建立相应的考核指标体系。①阶段性总结，该部分主要通过课堂小测验、期中和期末闭卷考试等方式考核不同层次学生对于材料力学课程基本概念、原理的掌握程度，并且在一定程度上可以考核学生对于实际工程问题的综合分析能力。②基于课前、课中和课后学习过程的效果反馈，这部分重点考察不同层次学生的课堂表现，如与教师及学生间的互动情况等，课后作业完成情况，其他实践性学习活动参与情况等。③线下课内实验的完成情况，这部分重点考核不同层次学生实验环节完成情况，如实验中的操作能力、团结协作能力及报告完成情况等。④利用材料力学基本理论和方法解决工程问题的综合分析能力，这部分主要通过综合性和创新性仿真试验、课后探究型作业和期末闭卷考试等形式予以评测，仿真试验和探究型作业主要针对提高型及以上层次的学生的课程目标需求而设置，学生通过分析相关工程案例力学特点，利用材料力学基本知识通过小组研究讨论的形式完成。