基于“四維統(tǒng)一”模式的“材料力學(xué)”教學(xué)改革探索

韓美東　何巍　王娜

[摘 要] “材料力學(xué)”是高校開設(shè)的一門高度普及的專業(yè)基礎(chǔ)課，重點研究構(gòu)件的強度、剛度和穩(wěn)定性問題。在新工科建設(shè)大背景下，課程的傳統(tǒng)知識型教學(xué)已經(jīng)無法滿足全方位的育人需求。為此，提出基于“四維統(tǒng)一”模式的“材料力學(xué)”教學(xué)改革理念，旨在達成課程教學(xué)在基礎(chǔ)性與高階性、理論性與應(yīng)用性、思想性與科學(xué)性、線上教學(xué)與線下教學(xué)等多個方面的有機統(tǒng)一，進而提高教學(xué)活動的適應(yīng)性，推動創(chuàng)新型人才在“知識體系+能力體系+價值體系”的全方位培養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞] 材料力學(xué);高階性;應(yīng)用性;課程思政;線上教學(xué)

[基金項目] 2019年度南昌航空大學(xué)教改課題“多維度構(gòu)建材料力學(xué)教學(xué)的探索與實踐”（JY2027）;2021年度南昌航空大學(xué)“課程思政”示范課程建設(shè)項目“材料力學(xué)”

[作者簡介] 韓美東（1987—），男，遼寧阜新人，博士，南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)院講師，主要從事固體力學(xué)數(shù)值計算方法研究;何 巍（1989—），男，江西鷹潭人，博士，湖南大學(xué)機械與運載工程學(xué)院副教授，主要從事光測力學(xué)研究;王 娜（1988—），女，江西贛州人，碩士，航空工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團有限責任公司飛機總裝廠工程師，主要從事飛行器的氣動力工程計算研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）45-0063-04? ?[收稿日期] 2021-03-04

一、引言

“材料力學(xué)”是高校工科專業(yè)必修的基礎(chǔ)課程之一，在機械、土木、航空航天等專業(yè)的培養(yǎng)體系中具有重要支撐作用[1]。首先，受課程知識體量大、理論性強、難度高等因素的限制及傳統(tǒng)教育思維的影響，目前材料力學(xué)的教學(xué)多側(cè)重于力學(xué)概念與基礎(chǔ)理論的講解，致使課程學(xué)習(xí)與工程實際存在一定的脫節(jié)，且習(xí)題案例均以簡化模型為主，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中難以觸及知識的整合運用，認知深度和思維廣度均有所欠缺。其次，在新工科建設(shè)大背景下，傳統(tǒng)的知識型教學(xué)已無法滿足育人需求，課程教學(xué)亟須融入新的時代元素、國家需求、學(xué)科前沿及價值理念，達到思想與科學(xué)的共同傳承，學(xué)識與能力的同步提升，并促進經(jīng)典理論的創(chuàng)新性應(yīng)用[2，3]。此外，新冠肺炎疫情的出現(xiàn)又對傳統(tǒng)的課堂教學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)，線上教學(xué)應(yīng)運而生。如何充分利用線下教學(xué)與線上教學(xué)各自的優(yōu)勢，使兩者有機結(jié)合、相互促進，是當下材料力學(xué)教學(xué)改革亟待探究的課題。為此，本文提出“四維統(tǒng)一”的教學(xué)理念，以實現(xiàn)“材料力學(xué)”課程教學(xué)對學(xué)生能力的全方位培養(yǎng)。

二、“四維統(tǒng)一”模式的教學(xué)理念與實施措施

（一）基礎(chǔ)性與高階性的統(tǒng)一

材料力學(xué)為變形體力學(xué)的學(xué)習(xí)起點，其知識體系復(fù)雜且偏于基礎(chǔ)理論。本文以剛度、強度和穩(wěn)定性為三大主線，對課程的知識體系進行拆解和重構(gòu)（如圖1所示）。首先，分別以拉壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲三種基本變形為載體，建立“單一變形”“靜定條件”“靜態(tài)載荷”簡單工況下剛度、強度和穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)理論架構(gòu)。該部分內(nèi)容的教學(xué)以精細的概念解讀、完備的過程推導(dǎo)和詳細的思路分析為主，側(cè)重學(xué)生對力學(xué)概念和基礎(chǔ)理論的理解，并夯實基礎(chǔ)。其次，對簡單工況進行升級，開展由“單一變形”到“組合變形”，由“靜定條件”到“超靜定條件”，由“靜態(tài)載荷”到“動態(tài)載荷”的升級式學(xué)習(xí)，側(cè)重解讀由簡單到復(fù)雜的轉(zhuǎn)換過程中知識的差異性和關(guān)聯(lián)性，引導(dǎo)學(xué)生主動思考如何從舊知中獲取新知，進而從溫故知新中深化對底層知識的理解。最后，對復(fù)雜條件做進一步的整合，設(shè)計綜合性問題和案例，挖掘各知識分支的結(jié)合點，注重知識的整合運用與變換應(yīng)用，進而提升學(xué)生的思維深度和廣度。此外，注重發(fā)掘?qū)W科間的關(guān)聯(lián)性，在課程講解中融入其他課程的相關(guān)知識和思想，以培養(yǎng)學(xué)生的交叉思維能力。在此架構(gòu)下，課程教學(xué)以扎實基礎(chǔ)為前提，通過“分級學(xué)習(xí)，逐級深入，關(guān)聯(lián)整合，創(chuàng)新應(yīng)用”的遞進模式，實現(xiàn)課程教學(xué)在基礎(chǔ)性與高階性上的有機統(tǒng)一。

（二）理論性與應(yīng)用性的統(tǒng)一

作為專業(yè)基礎(chǔ)課，材料力學(xué)具有其自身的優(yōu)勢，即知識體系與工程實際高度相關(guān)。首先，圍繞強度、剛度和穩(wěn)定性三大核心知識點，對相關(guān)工程案例進行分類總結(jié)?；诖罅康奈墨I調(diào)研和案例挖掘，本研究建立的知識內(nèi)容與工程應(yīng)用的結(jié)合關(guān)系如圖2所示。其中，強度為結(jié)構(gòu)抵抗破壞的能力，因此建筑倒塌、隧道施工、橋梁斷裂、容器炸裂等與破壞相關(guān)的問題都可與強度分析的教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合。剛度為結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力，故精密加工、橋面形變、機翼設(shè)計等對變形控制有較高要求的工程案例，皆可引入剛度理論的教學(xué)之中。穩(wěn)定性是結(jié)構(gòu)維持原有平衡狀態(tài)的能力，因此千斤頂?shù)脑O(shè)計、腳手架的失穩(wěn)、桁架結(jié)構(gòu)的垮塌等與穩(wěn)定性相關(guān)的案例均可融入理論教學(xué)之中。其次，在課程的整體教學(xué)設(shè)計中，明確理論聯(lián)系實際的教學(xué)指導(dǎo)思想，將工程案例與基礎(chǔ)理論有機結(jié)合，提出工程中對于安全可靠和經(jīng)濟美觀的矛盾關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生主動思考、互動討論，培養(yǎng)其由理論到實際的分析思維及解決實際問題的能力，做到活學(xué)活用。

（三）科學(xué)性與思想性的統(tǒng)一

作為經(jīng)典力學(xué)課程，“材料力學(xué)”的發(fā)展歷史悠久，內(nèi)容體系完備，又具有廣泛的工程應(yīng)用背景?；谏鲜鎏攸c，本研究從三個維度開展“材料力學(xué)”課程思政，具體架構(gòu)如圖3所示。（1）科學(xué)人物與發(fā)展歷程：在知識的背景介紹中，引入力學(xué)家的典型事跡、探索歷程、知識的形成與演化過程，以培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神及不畏艱難、刻苦鉆研、堅持不懈的優(yōu)良品質(zhì)。（2）工程案例和科學(xué)研究：在相關(guān)知識的工程應(yīng)用、典型案例和科研熱點問題的講解中，融入工匠精神、奉獻精神和職業(yè)道德等素質(zhì)教育。（3）歷史文化和時代背景：力學(xué)學(xué)科的發(fā)展離不開中華民族的偉大貢獻，從經(jīng)典的斗拱結(jié)構(gòu)、鄭玄的“胡克定律”到如今的北斗導(dǎo)航、高速鐵路，諸多案例都與材料力學(xué)緊密相連。在相關(guān)知識的教學(xué)中融入經(jīng)典案例的分析，并結(jié)合歷史文化和時代背景的解讀，既可提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又可增進其對民族文化的了解，培養(yǎng)其文化自信和家國情懷。此外，要對思想政治內(nèi)容的切入時機和融合方式進行精心設(shè)計，并通過教學(xué)實踐不斷調(diào)整和完善，以實現(xiàn)專業(yè)內(nèi)容與思想政治內(nèi)容“轉(zhuǎn)場自然”，學(xué)生情感與思想自然升溫。

（四）線上教學(xué)與線下教學(xué)的統(tǒng)一

新冠肺炎疫情的出現(xiàn)對傳統(tǒng)的課堂教學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)，線上教學(xué)應(yīng)運而生。立足長遠，隨著信息技術(shù)的不斷升級完善，線上與線下相結(jié)合的教學(xué)模式將成為未來高等教育重要的發(fā)展方向。線上教學(xué)具有資源豐富、模式靈活、信息統(tǒng)計便捷等優(yōu)勢，而傳統(tǒng)的課堂教學(xué)具有互動性強、反饋及時、有創(chuàng)造性和針對性等優(yōu)勢。為了充分利用兩種模式的優(yōu)點，本研究按功能性將材料力學(xué)的教學(xué)過程拆分為三大環(huán)節(jié)：課前引導(dǎo)、課堂教學(xué)和課后研討。（1）課前引導(dǎo)的目的在于讓學(xué)生對課堂學(xué)習(xí)做好預(yù)習(xí)和準備，了解知識背景，明確后續(xù)的課堂聽課目標，并鎖定重點?？紤]到課前學(xué)習(xí)的靈活性和自由性，該環(huán)節(jié)通過線上學(xué)習(xí)平臺完成。建立線上學(xué)習(xí)班級，課前在平臺上發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù)、背景知識、重點、難點和預(yù)設(shè)問題。（2）課堂教學(xué)是整個教學(xué)的核心環(huán)節(jié)，擬分八個步驟開展：知識回顧、內(nèi)容引入、基礎(chǔ)講解、例題分析、綜合應(yīng)用、課堂留白、強化提高和知識總結(jié)。課堂教學(xué)以引導(dǎo)式和啟發(fā)式教學(xué)為主，并要充分利用師生面對面的環(huán)境優(yōu)勢來增強互動，注重學(xué)生的聽課反饋，并及時調(diào)整授課節(jié)奏和講解方式。拋開“模板”，因班制宜，建立不同班級的定制化專屬課堂。需特別指出的是課堂考勤簽到和隨堂測驗環(huán)節(jié)將通過線上平臺完成，以改進傳統(tǒng)點名和測試的費時費力、覆蓋面局限、統(tǒng)計煩瑣等不足，使得考勤記錄更加全面、快捷、準確。（3）課后研討是學(xué)生消化吸收課堂知識的重要環(huán)節(jié)，由習(xí)題訓(xùn)練、拓展學(xué)習(xí)和答疑討論三部分組成。首先，通過線上平臺發(fā)布課后作業(yè)并進行批改，借助線上平臺多樣化的信息統(tǒng)計工具，量化每個學(xué)生的作業(yè)完成情況，并以此為依據(jù)向?qū)W生進行有針對性的反饋。其次，圍繞課堂內(nèi)容在線上發(fā)布相關(guān)拓展學(xué)習(xí)資料，供有余力的學(xué)生拓寬視野，提升認知深度和廣度。最后，利用線上平臺的便捷性，可實時為學(xué)生進行答疑解惑，突破傳統(tǒng)答疑方式對時間和空間的限制?；谏鲜鎏剿鳎疚乃⒌摹八木S統(tǒng)一”模式下的“材料力學(xué)”課程的整體教學(xué)實施方案，如圖4所示。

三、結(jié)語

在新工科背景下，對傳統(tǒng)的“材料力學(xué)”課程教學(xué)進行多維度的重構(gòu)與優(yōu)化是大勢所趨。本文以推動創(chuàng)新型人才的全方位培養(yǎng)為導(dǎo)向，構(gòu)建了“四維統(tǒng)一”的教學(xué)理念，并給出了具體舉措，旨在提升課程教學(xué)的高階性、思想性、應(yīng)用性和靈活性。

參考文獻

[1]周嶺.“材料力學(xué)”課程思政的教學(xué)探索[J].教育教學(xué)論壇，2020（20）：110-111.

[2]彭雅軒.新工科背景下材料力學(xué)課程教學(xué)改革探索[J].科技視界，2019（32）：159-160.

[3]宋秋紅，袁軍亭，張俊，等.“材料力學(xué)”課程思政建設(shè)實踐探索[J].課程教育研究，2019（5）：64-65.

Exploration on Teaching Reform of Mechanics of Materials Course Based on “Four Dimensional Unification” Mode

HAN Mei-dong1， HE Wei2， WANG Na3

（1. School of Aircraft Engineering， Nanchang Hangkong University， Nanchang， Jiangxi 330063， China; 2. College of Mechanical and Vehicle Engineering， Hunan University， Changsha， Hunan 410082， China; 3. Aircraft Assembly Factory of Jiangxi Hongdu Aviation Industry Group Company Ltd， Nanchang， Jiangxi 330024， China）

Abstract： Mechanics of Materials is a highly popular basic course in universities， focusing on the strength， stiffness and stability of components. Under the background of the construction of Emerging Engineering， the traditional knowledge-based teaching has been unable to meet the needs of all-round education. Therefore， this paper puts forward the teaching reform concept of this course based on the “four-dimensional unification” mode， aiming to achieve the unification of course teaching in four aspects： basic and higher-order， theoretical and applied， ideological and scientific， online and offline teaching， to improve the adaptability of teaching activities， and promote the all-round cultivation of innovative talents in the “knowledge system + ability system + value system”.

Key words： Mechanics of Materials; higher-order; applicability; “curriculum ideology and politics”; online teaching