疫情防控背景下工程力学和材料力学课程多通道在线教学探索与实践
杨旭娟 李岩舟 李兆军
[摘 要]“停课不停教”是疫情防控背景下教育部应对延期开学而提出的新举措。疫情期间如何进行有效的教学，直接影响教学的质量。在延期开学期间教学方式转变的基础上，项目组以学生学习为中心，结合工程力学和材料力学课程特点，综合运用中国大学MOOC、QQ、慕课堂和在线直播等多个通道，结合平台学生学习的数据反馈，注重知识的前后衔接，对教学设计进行安排和完善，并以知识点截面法的教学为例，进行多通道在线教学模式的具体实践，从而为其他力学课程疫情防控背景下或突发事件引起延期开学期间的在线教学提供参考。
[关键词]疫情防控;工程力学;材料力学;在线课程
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）06-0087-03
2020年初不断蔓延的新型冠状病毒肺炎疫情给人民的生产和生活带来了很大困难，也给高校教学工作带来了极大挑战。教育部对疫情高度重视，于2020年1月27日下发通知，要求春季学期延迟开学，学生在家不外出、不聚会、不举办和参加集中性活动 [1]。2020年2月3日，教育部在《致全国大学生的一封信》中鼓励大学生在疫情防控面前做好“守护者”“修行者”和“识途者”[2]。紧接着，2月4日教育部下发了《关于在疫情防控期间做好普通高等学校在线教学组织与管理工作的指导意见》，意见指出要采取政府主导、高校主体、社会参与的方式，共同实施并保障高校在疫情防控期间的在线教学。各高校应充分利用上线的慕课和省、校两级优质在线课程教学资源，在慕课平台和实验资源平台服务支持带动下，依托各级各类在线课程平台、校内网络学习空间等，积极开展线上授课和线上学习等在线教学活动，保证疫情防控期间教学进度和教学质量，实现“停课不停教、停课不停学”[3]。
工程力学课程包括静力学和材料力学两部分内容。非机械类工科专业学生没有学习过静力学，而材料力学的基础是静力学，因此工程力学在许多非机类工科专业中开设，如环境工程、制糖工程、材料科学与工程、冶金工程、矿物资源工程等;机械类专业学生学习过理论力学，有静力学的基础，因此材料力学单独在机械工程学院的机械类专业和能源类专业开设，教学的内容则更深入一些。疫情防控背景下，如何实现工程力学和材料力学课程“停课不停教、停课不停学”是我们高校力学基础课教师要面对的紧要问题。
焦建利、周晓清等人对疫情期间四种典型“停课不停学”学习模式进行了分析和比较，为我们一线教师有效实施在线教学提供了重要参考[4]。工程力学和材料力学是许多工科专业必修的一门技术基础课，在工科专业的教学计划中占有重要地位。但工程力学和材料力学课程理论性较强，内容抽象，同时学生习惯被动接受式学习，自主学习能力不足，加大了学生理解的难度。在疫情防控背景下，一线教师要认清形势、充分调研，多渠道进行知识的传递和互动。本文结合教学实践，从多个方面进行分析，并提出应对措施，为一线教师有效实施在线教学提供参考。
一、疫情防控背景下教学方式的转变
工程力学和材料力学课程作为许多工科专业重要的技术基础课，在以往的传统教学里，主要进行的是课堂面授教学。近年来，随着互联网与教育的深度融合，大规模在线开放课程和学习平台在世界范围内迅速兴起，许多高校顺应时代发展潮流，纷纷在校内开展线上线下相结合的混合式教学。项目组也于2017年进行了工程力学静力学和材料力学两部分的在线课程建设，并于2018年开始进行混合式教学。混合式教学将线上线下相结合，课内和课外相结合，扩展了教学的时间和空间。2020年初的这场疫情，使得课程教学完全进入线上环节，没有线下的面授环节。这对于教师来说，师生不能进行直接的面授互动，那么学生的学习效果以及学习疑惑就不能及时有效地捕捉到。而对于学生来说，完全线上教学，时间完全自己掌握，对学习的主动性和自律性要求更高，学习容易产生疲倦状态，难以厘清学习的重难点，容易产生畏难情绪，因而学习积极性不高，学习效率低下。为此，课程教学的内容、方法、模式和管理都要进行变革，教学内容如何提炼和组织，针对教学内容选取何种教学方法，教学模式如何实现教学的互动效果，学生的学习如何管理等都需要进行认真的分析和思考，并要在实践的过程中不断优化。
二、疫情防控背景下的在线教学形式
目前疫情防控背景下四种典型“停课不停学”的学习模式为网络在线学习、网络直播教学、学生自主学习和电视空中课堂[4]。其中前三种方式是高校普遍采用的方式，电视空中课堂主要用于中小学学生。网络在线课程是指将线下的教学内容及教学过程数字化，并以学习管理系统为载体，进行基于课程内容的线上教与学[4]。截至2020年2月2日，教育部组织了22个在线课程平台，制订了多样化在线教学解决方案，免费开放在线课程2.4万余门[3]。其中爱课程（中国大学MOOC）疫情期间向全国高校免费提供8000余门优质在线课程资源，其中有许多的工程力学和材料力学课程可供使用。结合当前疫情，我们决定在采用中国大学MOOC网上慕课的基础上，建立SPOC异步课程，综合运用中国大学MOOC、慕课堂、QQ和腾讯直播等多通道实现在线教学。
三、疫情防控背景下多通道在线教学模式的构建
疫情防控背景下延迟开学，学生学习和教师教学完全转入线上，虽然慕课的在线教学形式教师和学生并不陌生，许多的高校就进行了线上线下相结合的混式教学[5-6]，但在线教学和课堂教学是在不同的空间里面进行的，授课方式和学习方式不同，学习效果自然也不同。然而在疫情防控条件下，完全进行线上教学是当前条件下实现教学的有效途径，如何最大限度地发挥在线教学的优势，是值得我们一线教师深究的问题。疫情防控背景下的教学，不是简单的课堂搬家，而是以学生的学习為中心，根据学生的学习认知过程，结合教学内容，充分利用现有的网络资源，精心策划教学设计，注重线上教学的互动和数据反馈，多通道进行在线教学，其具体实施流程如图1所示。
教师根据教学目标、学生特征和教材学习内容，凝练知识点，根据知识点进行资源构建，常见的有PPT课件、视频、讨论、练习、测验、作业和扩展阅读等。资源类型虽然有很多形式，但学习资源要进行精心筛选，要根据知识点的数量和难易程度进行合理搭配，此时可充分利用丰富的慕课资源进行筛选，如果不是很贴切，则需要自行建立学习资源，一切要以学生的学习为中心，不能因为怕麻烦，就直接照搬现有资源，这也是线上学习质量的重要保障。资源构建完之后，可通过QQ群发布线上学习任务清单。任务清单上是学生必须完成的项目，并不是线上资源都可作为任务清单内容的，因为线上资源是考虑学生的学习差异，有必须掌握的基本知识，也有开阔思维和视野的扩展阅读等。常见的任务清单有课件、视频、讨论、练习、作业和测验，但并不是每次的任务清单都要包括这么多项。根据桑代克的学习定律，如果一个动作到了过度疲劳或过度满足的阶段，那么强行使这个动作重复出现就会使人产生烦恼了[7]。对于工程力学和材料力学课程的线上学习，如果这种线上学习行为使得学生过度疲劳或过度满足，那么强行让学生再学习知识就会使他们产生烦恼。不要让学生感到过度疲劳，也不要让学生感到过度满足。布置的任务清单要考虑学生的时间和能力，可了解学生本学期的课表，掌握学生的自由安排时间和要完成的科目，做到心中有数，从而合理布置线上任务。另外，知识点的设置要难易结合，适当提高挑战度，做好线上学情反馈，适当增减学业难度。学生线上完成的任务情况，教师可通过后台数据了解学生的掌握情况，并针对性地安排直播内容。在直播环节，根据学习反馈对重难点进行讲解，并与学生进行互动教学。
四、疫情防控背景下多通道在线教学模式的实践
疫情防控背景下教师和学生只能通过线上进行教学和学习。有效利用多种线上通道，合理组织教学是疫情防控背景下提高教学质量的关键。疫情防控背景下的多通道在线教学流程为我们进行在线教学提供了行动指南，但在具体的教学设计中，还是要根据课程知识点的特点以及知识点的前后衔接情况，进行具体的精心设计。现以材料力学课程截面法知识点为例介绍多通道在线教学设计，教学流程图如图1所示。
材料力学是研究构件在外力作用下的变形和失效的规律，其中内力的分析是基础，材料力学的四大基本变形拉压、扭转、弯曲和剪切都要进行内力的分析，而内力均采用截面法进行分析。掌握截面法是学生必须达到的教学目标，如何在材料力学开篇部分讲好截面法有着非常重要的作用。
首先通过QQ群发布线上学习任务：1.学习第一章绪论的线上视频——内力与截面法。2.了解外力与内力之间的区别和联系，并进行線上讨论。3.完成线上作业。线上作业我们进行了精心设计，为了知识的前后衔接，对第二章拉压杆的一个例题进行改编，题目为：如图2所示，右端固定的阶梯形杆AC，受F1和F2的作用，已知F2=3F1，运用截面法分别求截面1-1和截面2-2横截面上的内力。该题目的设计意图为：（1）了解学生对截面法的掌握情况;（2）截面1-1受拉，截面2-2受压，不同截面内力的拉压特性是不同的;（3）截取截面后，选择截面的左侧可直接根据平衡方程进行内力求解，如果选取截面的右侧，则需要先求出固定端的约束力，即选取不同，求解的过程有差别;（4）预设内力时，按照静力学内力的预设方法，则求解结果的正负依赖于受力图中内力的预设方向。
作业提交后，学生根据答案可以自评和互评，自评可了解自己的学习情况，而互评在了解别人做题思路的基础上，可以扩展自己的解题思路。另外，在对别人的错误地方进行指正的过程中，也加深了知识的理解和掌握。教师则可通过学生的作业情况了解其掌握情况。例如通过作业发现，对截面法解题过程基本掌握，但还有一些问题需要解决，如不作受力图，直接写出轴力的表达式，截取2-2截面后，只考虑F2的作用等。
为了和第二章截面法内力采用设正法进行预设的规定进行衔接，互评阶段又在此练习作业的基础上提供了一个讨论素材，该素材以截面左侧为研究对象求解内力——轴力，受力图如图3所示。
通过求解发现：1-1截面轴力为正，是拉力，2-2截面轴力也为正，但截面受的是压力，即轴力虽然都为正，但是一个是拉，一个是压。接着，以截面右侧为研究对象进行求解，受力图如图4所示。
通过求解发现：2-2截面轴力结果为负，是压力，与以截面左侧为研究对象求解的结果大小相等，但符号不同，一正一负，但结合原受力图，都反映截面受到的是压力。于是发布讨论：结合此素材，请同学们思考，如何预设轴力，可以实现两个功能：（1）直接通过轴力求解的结果，不用参照受力图，就可得到截面的拉压特性。（2）保证无论取截面的左侧，或是右侧，求解的结果完全相同，包括数值的大小和正负号。
由于此讨论是在学生所做练习的基础上开展的，学生踊跃参与讨论，而且随着讨论的深入，学生普遍认为，轴力都预设成拉力的方向，则求解的结果为正，则说明为拉，如果求解为负，则说明为压，即可达到截面法采用设正法进行预设的目的。但还有少数学生停留在静力学部分的分析上。根据截面法运用的作业和讨论反馈，接着进行腾讯直播环节，通过直播将截面法的思路进行了回顾，并对作业中学生出现的问题进行了剖析，结合讨论情况，又对截面法进行设正法预设的目的进行了分析，并通过直播讨论区与学生进行互动。
通过这一系列的教学设计，具体的知识点通过中国大学慕课、QQ、腾讯直播等多通道互动教学，学生知识得到滚动升级，章节知识前后衔接顺畅。随后在第二章拉压杆内力的分析中，通过慕课堂在线练习，考察对截面法以及设正法的运用，练习结果表明学生已基本掌握，从而说明这种多通道的在线教学模式对于提升在线教学质量有重要作用。
疫情防控背景下的在线教学模式直接影响了在线教学的质量。工程力学和材料力学课程通过中国大学MOOC、QQ、慕课堂、直播等途径实现多通道在线教学，以学生的学习为中心，围绕知识点展开多种形式、多个阶段的递进教学，注重知识的前后衔接，从而为学生的高效学习提供了有力支持，也为其他力学课程的在线教学提供了参考。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 教育部.教育部关于2020春季学期延迟开学的通知[EB/OL]. （2020-01-27）[2020-03-20].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb /gzdt_gzdt/s5987/202001/t20200127_416672.html.
[2] 教育部.教育部致全国大学生的一封信[EB/OL]. （2020-02-03）[2020-03-20].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb /gzdt_gzdt/s5987/202002/t20200203_417626.html.
[3] 教育部. 教育部应对新型冠状病毒感染肺炎疫情工作领导小组办公室关于在疫情防控期间做好普通高等学校在线教学组织与管理工作的指导意见 [EB/OL].（2020-02-04）[2020-03-20].http：//www.moe.gov.cn/srcsite A08/s7056/202002/t20200205_418138.html.
[4] 焦建利，周晓清，陈泽璇.疫情防控背景下“停课不停学”在线教学案例研究[J].中国电化教育，2020（3）：106-113.
[5] 覃慧玲，李嘉泽楷.广西高校线上线下课程建设与应用路径探究：基于中国大学MOOC运营情况分析[J].高教论坛，2019（6）：26-28.
[6] 胡志远，沈祁萌，刘栋.e时代的教与学：基于慕课的混合教学模式改革探索与实践[J].大学教育，2020（1）：15-17.
[7] 鲍尔G H，希尔加德 E R.学习论：学习活动的规律探索? [ M].邵瑞珍，皮连生，吴庆麟，等译.上海：上海教育出版社， 1987.
[责任编辑：刘凤华]
