張效忠 孫國民

摘 要：材料力學課程是工程類學生的核心基礎課程，對地方本科院校的學生來講是比較難學的一門課程。學生的學習效果和課堂上經(jīng)歷的體驗有很大關系，因此，在課堂學習過程中需要更加強調使用以學生為中心的方法和支架教學法將科學與生活聯(lián)系起來的創(chuàng)新方法。本研究旨在深入了解以學生為中心的教學的作用，特別是將支架教學法實施到材料力學課程中。這項研究還試圖改變學生使其從被動學習到主動學習。研究結果表明，應用支架教學法能夠在材料力學教學過程中提高學生學習的積極性，以學生為中心的教學方法比傳統(tǒng)以教師為中心的教學方法更能調動學生的主動性，取得了更好的教學效果。

關鍵詞：支架式教學；材料力學；以學生為中心；主動學習

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）02-0081-03

Abstract： Material mechanics is a core basic course for engineering students， and it is a difficult course for local undergraduate students. Students' learning effect is closely related to their experience in class. Therefore， more emphasis should be placed on the use of student-centered methods and scaffolding teaching methods to link science with life. The purpose of this study is to understand the role of student-centered teaching， especially the application of scaffolding teaching method in the course of material mechanics. The study also attempts to change students from passive learning to active learning. The results show that the application of scaffolding teaching method can improve students' learning enthusiasm in the teaching process of material mechanics， and the student-centered teaching method can mobilize students' initiative better than the traditional teacher-centered teaching method， thus achieving better teaching effect.

Keywords： scaffolding instruction； material mechanics； student centered； active learning

引言

幾十年來，國內外高校教師對材料力學課程教學范式做了大量的研究，其中涉及以課堂為中心的教學方法的改革主要有兩種范式：以教師為中心的學習和以學生為中心的學習；以教師為中心的范式涉及從傳播信息的教師到被動接收信息的學生，該范式是傳統(tǒng)上知識傳播方式。在知識傳播過程中，教師作為核心，起到傳授知識，評定學生接受程度，并采取措施來促進教學效果。在以教師為中心的范例中，重點是獲得正確的答案，學習過程具有競爭性和個性化。而以學生為中心的范式積極地讓學生構建知識，學習過程以學生為中心，強調提出問題并積極尋找解決問題方法，嘗試從錯誤中學習，診斷學習效果也是以學生為中心。以學生為中心的方法中教師和學生之間是合作關系、協(xié)作關系和相互支持關系。幾十年來，國內外學者對以學習為中心的社區(qū)的新范式做了大量實驗，但是教學效果都或多或少的存在系列問題，不能達到理想的教學效果。特別對于地方高校，學生基礎不是很好的情況下，教學改革更是舉步維艱[1]。本研究通過把支架式教學應用到力學教學中，探索針對地方高校學生的力學類課程教學新方法，為地方高校的力學教學提供新的途徑。

一、教學中的腳手架

近年來腳手架的概念已經(jīng)成為教育工作者討論的主題，也是工程教育研究的新重點[2]。教育工作者開始采用新的視角來理解腳手架的性質和重要性以及它如何與以學生為中心的學習聯(lián)系起來。腳手架指的是學習支持和輔助工具，以便讓學生更容易掌握新的課程材料，否則這些材料太復雜而不易理解。腳手架的工作原理是減少學生學習材料所需的認知努力量；通過事先向學生提供概念，學生的注意力過程可以集中在問題而不是知識獲取上。

二、新的以學生為中心的學習方法

講座是學術界最常用的教學方法，如果在力學課程中加以應用，將在力學課程中起到重要作用。在力學課程學習過程中適當使用主題講座，解釋課程中涉及的復雜概念和思想，并為這些概念的提出背景以及人物背景和成就加以細化，對該主題的核心形象化的進行分享并對該主題相關的人物進行選擇性講解，當然講座準備過程也需要教師反復反思課程內容。講授教學模式有其固有的優(yōu)勢，一直是傳統(tǒng)的力學課程教學方式，與積極合作的教學模式相比，雖然需要更多的講授時間，但能夠覆蓋更多的信息。以學生為中心的教學支持者對講座式學習方法提供過多的信息而加以批評，他們強調更深入地涵蓋學科的重要性。

目前，合作學習模型在力學課程教學中應用成為國內外力學教師關注的焦點，合作學習是一種生態(tài)模式，強調建立一種開放的、信任的、相互依賴的氣氛。合作學習的概念具有強大的理論基礎，該理論核心是為了建立積極的探究氛圍，參與者必須帶有目的性并以某種方式進行互動。學習者在學習過程中被動地傾聽和記憶，學習的主動性明顯不足。對于工程教育者來說，開展合作學習非常困難。因為它需要廣泛的培訓，練習，并需要花費大量的時間進行準備。特別對于新進教師來說，這可能非常耗時。除此之外，合作學習要求個人觀點發(fā)生重大變化，不能采用自身學習過程的學習方法。教師不再是教學的中心地位，而是教學行為的推動者，資源提供者和過程評估者。因此，在材料力學課程中應用合作學習時，教師必須認識到五個建議的元素[3-4]：

1. 學習者必須培養(yǎng)歸屬感，并學習協(xié)作努力所需的社交技能，如領導力和解決沖突能力。

2. 學習者必須進行面對面的互動。如果學生們沒有對結果或方法進行達成共識，那么合作學習的絕對積極的認知和情感結果將無法實現(xiàn)。

3. 每個參與者都必須加強自己的責任感。來自教師和同伴的任務分配，評估和反饋必須確保每個學生的個人責任。

4. 學習者必須及時參與他們小組的互動，這決定了他們如何合作以及改進。

5. 學習者必須努力實現(xiàn)積極相互依存的目標。學生必須關心同齡人的學習表現(xiàn)，因為他們是關于自己的。

許多學者對不同年齡學生進行合作學習的影響研究，從學齡前兒童到大學本科生。Slavin（1991）深入研究了小學和中學的60項研究，其中治療和對照組研究了相同的目標至少四周[5]。約翰遜和約翰遜（1984）在超過1000篇文章中選擇的521項研究中工作了12年，其中包括各級教育（學齡前兒童到大學本科生）。所有這些學術研究都表明，如果存在積極的相互依賴和個人責任的要素，合作學習必然會促進更高的成就[6]。約翰遜和約翰遜（1984）強調存在相當多的面對面互動和小組處理，以改善整體的團隊運作，同時對成就收益也很重要。隨著這些元素的額外存在，合作學習導致更頻繁地使用高質量推理策略，更頻繁地過渡到更高層次的推理，以及更頻繁地使用元認知策略[7]。同樣重要的是，Slavin和Johnson和Johnson一直發(fā)現(xiàn)改善人際關系，提高學習動機（特別是內在動機）的積極效果， 更高的自尊水平和更強的多民族關系，參與者對其他人有不同的，動態(tài)的和現(xiàn)實的觀點，而不是靜態(tài)的陳規(guī)定型觀點[8]。

因此，本研究的主要挑戰(zhàn)之一是設計一種腳手架和合作學習策略，不僅可以提高經(jīng)驗和效果，而且還可以應用在常規(guī)課堂時間內。腳手架如何影響學生的學習以及如何將腳手架和合作學習概念納入材料力學課程，而不需要從傳統(tǒng)教學方法的巨大轉變中解決這個問題。

三、課程設計和程序

這項研究的對象是貴州工程應用技術學院的工科學生，從中抽取受訪者是從2015年到2018年參加工程力學和材料類學力學的學生。樣本共有500名學生，其中440名（88.0%）是男性，60名（12.0%）是女性。具體的學生學者見表1所示。所選學生的專業(yè)分別是機械工程、土木工程、安全工程和建筑工程技術。本研究使用以教師為中心的教學法和以學生為中心的教學法在材料力學課程中進行比較，對教學效果進行分析。使用以教師為中心的教學法的被動教學方法是傳統(tǒng)的50分鐘，每周二次的課程，使用以學生為中心的教學法的主動教學方法是一個實驗性的50分鐘，一周二次的課程，涉及干預和腳手架方法，包括補充視頻和互動教學風格。該比較旨在關注學生的最終成績。

本研究中的被動學習是典型的傳統(tǒng)上課形式，教師和學生之間的互動往往顯得僵硬，僅限于問題和答案。典型的講座形式限制了學生在課堂上的互動。另一方面，正如其標題所暗示的那樣，主動學習是“除了”傳統(tǒng)講座形式之外的東西。本研究中主動學習的概念很簡單，學生通過在教師（腳手架）的指導下探索問題和想法，在學習中發(fā)揮了積極作用。學生在課堂上學習思維方式，提問，尋找答案，并在學習小組中合作學習。

在這項研究中，從2015年到2018年，在四年期間對兩組參與者進行了平行的事后研究：機械工程的本科生，他們參加了傳統(tǒng)的（被動）學習材料力學課程，以及土木工程的本科生參加實驗（主動學習）材料力學學習。本文的作者之一（講師孫國民）從2015年到2018年，每學期不斷教授實驗，以學生為中心的材料力學教學課程。機械工程學院的兩名教師從2015年到2018年以教師為中心的材料力學教學法。上面的表1顯示了學生人數(shù)和教師數(shù)量的細分。

參與調研的班級都有相同的教學大綱，所有教師在整個學期都使用相同的教材，所有教師在學期末進行相同的考試，所有教師使用相同的評分方案（在考試和作業(yè)期間扣除相同數(shù)量的分數(shù)）和評分等級。此外，還進行了方差分析，以確定10名傳統(tǒng)教師的學生表現(xiàn)是否存在實質性差異，沒有顯著差異（p>0.05）可以提供證據(jù)來證明組內差異很重要。

四、數(shù)據(jù)分析

本研究采用獨立樣本t檢驗，非參數(shù)獨立樣本檢驗和一般線性單變量模型分析，以了解學生學習有效性的結果，以學習干預措施對材料力學的影響。為了有效地調查最有成效的教授材料力學課程的方法，本研究旨在回答關于材料力學課程類型的首要問題傳統(tǒng)的45分鐘，每周兩次課程（被動，以教師為中心的學習教學法）或實驗教學法45分鐘，每周二次課程，其中涉及包括腳手架在內的干預措施，它是學生在材料類力學中表現(xiàn)的重要預測因素。采用定量數(shù)據(jù)收集，可以分析數(shù)據(jù)使用SPSS統(tǒng)計軟件中提供的統(tǒng)計分析程序。為了保證機密性，使用學生識別號碼建立數(shù)據(jù)集；但是，一旦數(shù)據(jù)集完成，所有學生標識符在統(tǒng)計分析之前被刪除，所有結果以匯總形式呈現(xiàn)，以便不能識別任何個體。這確保了該項目的調查人員無法識別數(shù)據(jù)所屬的個人。

五、結果與討論

比較表2中的大學前表現(xiàn)，可以看出，參加實驗班的學生與參加傳統(tǒng)學習的學生相比，進入大學時略有不足。所有大學預備變量，從高考成績來看參與主動教學法的學生普遍比參加傳統(tǒng)教學法的成績略低。但在績點上相差僅0.03，故可以認為兩組中的學生在進入大學的同一水平，這在主動學習干預之前確定了兩組的學習基礎是沒有差異的。

從表3可以看出，參加主動教學法試驗的學生的平均成績比傳統(tǒng)教學方法逐年提高，這與教師在教學經(jīng)驗的積累有關。對應的不及格率，以學生為中心的教學方法不及格學生幾乎為零，明顯是提高了學生的學習興趣所致。對應的優(yōu)秀率，傳統(tǒng)的教學方法中優(yōu)秀人數(shù)機會沒有大的變換，而主動教學法的學生優(yōu)秀率逐年提高，明顯是學生的學習積極性和對知識掌握的程度都比傳統(tǒng)教學方法要好。

這項研究的結果與預期的一致，但是創(chuàng)建一個積極的，以學生為中心的課程對于教育者來說并不是一件容易的事。它需要正式的培訓，積累大量的經(jīng)驗。本研究中分析的工程專業(yè)的差異雖然是學生表現(xiàn)的預測因素，但并不是本文假設的一部分，因此在討論中并未進行討論。參與者都在學習材料力學課程的內容領域，其他課程有待實驗驗證。

六、結論與建議

（一）結論

采用以學生為中心的學習教學法，運用腳手架，補充視頻和互動教學風格對學生學習材料力學成績提高有顯著影響。與傳統(tǒng)的教學方法相比，主動教學方法具有明顯的優(yōu)勢，值得地方本科院校和大專院校推廣采納。

（二）對教師和未來研究人員的建議

對于材料力學教學過程中任何有教授這些能力的教師都可以按照以學生為中心的教學方法對課程進行重組，同時也有機會體驗更新的教學方法。材料力學課程課堂教學應該提供資源和支持，以學習如何在課堂上實施以學生為中心的教學法。應鼓勵工程系教師在他們的工作中使用腳手架和合作學習教學法，以確定哪些以學生為中心的內容達到最好的教學效果。需要進一步研究探索以學生為中心的學習在入門的基礎課程中的相互關系。

參考文獻：

[1]劉萍華.20年來我國材料力學實驗課程教學改革文獻綜述[J].力學與實踐，2009（06）.

[2]陳茹儀，孫洪軍.“材料力學”課程教學方法 教學手段的研究與改革[J].遼寧工學院學報（社會科學版），2007（03）.

[3]韋成龍，李學罡，徐飛鴻，等.材料力學教學體系改革的研究與實踐[J].中國高教研究，2001（04）.

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