基于進(jìn)階性案例的“材料力學(xué)”混合式教學(xué)改革與實踐

姚征 孫先念 夏冬生

摘? ? 要：“材料力學(xué)”是工科類專業(yè)的必修課程，是學(xué)生進(jìn)入工程領(lǐng)域的起點?！安牧狭W(xué)”課程設(shè)計既要考慮與已修課程的知識銜接，也要考慮對后續(xù)課程的鋪墊，而且要做好所在專業(yè)領(lǐng)域的最新知識拓展，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效果，增強(qiáng)職業(yè)信心。文章針對大連海事大學(xué)“雙一流”建設(shè)的交通運(yùn)輸工程專業(yè)特色和教學(xué)特點，將自主完成的交通運(yùn)輸領(lǐng)域部分科研成果作為工程實例引入教學(xué)，通過對案例的基礎(chǔ)知識分析、計算過程進(jìn)行優(yōu)化，培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力、抽象化能力和計算能力，并通過分組研討和互評總結(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的表達(dá)能力、自學(xué)能力以及協(xié)作能力。

關(guān)鍵詞：混合式教學(xué);案例式教學(xué);慕課;翻轉(zhuǎn)課堂;思政教育

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2022）01-0052-03

近幾年多所高校新增新工科相關(guān)專業(yè)，穩(wěn)步擴(kuò)招理工類學(xué)生，并開設(shè)或準(zhǔn)備開設(shè)國際班。這反映了我國在這些領(lǐng)域的不斷強(qiáng)大及專業(yè)建設(shè)的需求，因此相關(guān)課程既要滿足人才的培養(yǎng)要求，也要通過教學(xué)改革提高教學(xué)效果，而“材料力學(xué)”及相關(guān)力學(xué)課程正是理工類專業(yè)學(xué)生的專業(yè)核心課程之一。通過“材料力學(xué)”課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生對桿件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問題具有明確的基本概念、必要的基礎(chǔ)知識和初步的計算能力，對材料的基本力學(xué)性質(zhì)有初步認(rèn)識，為工程選擇既安全又經(jīng)濟(jì)的構(gòu)件提供基礎(chǔ)理論和分析計算方法?！安牧狭W(xué)”的先修課程為“理論力學(xué)”“高等數(shù)學(xué)”“大學(xué)物理”“機(jī)械制圖”，授課時需要考慮知識間的邏輯性與連貫性，以提高學(xué)生對知識的理解和應(yīng)用能力。通過課程學(xué)習(xí)為后續(xù)相關(guān)課程提供必要的力學(xué)基礎(chǔ)，并培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力、表達(dá)能力、計算能力和自學(xué)能力。

一、“材料力學(xué)”授課特點及教改措施

“材料力學(xué)”課程的授課對象主要為大二學(xué)生，根據(jù)不同專業(yè)的培養(yǎng)需求，授課學(xué)時從32學(xué)時到80學(xué)時不等。其中面向機(jī)械設(shè)計、船舶與海洋工程、土木工程等專業(yè)的學(xué)生時“材料力學(xué)”課程授課時間長，對理論基礎(chǔ)要求高，兼顧理解和應(yīng)用且學(xué)習(xí)難度較大，在傳統(tǒng)教學(xué)模式下的成績并不理想，學(xué)生對知識的掌握也比較生硬，從而造成課程成績不理想，并對后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生不利影響。引起這一現(xiàn)象的主要原因有兩個：一個是課程的知識跨度較大，需要綜合應(yīng)用多門先修課程中相關(guān)內(nèi)容的理論知識，而且在“材料力學(xué)”不同章節(jié)中的要求和難易度均不盡相同，在學(xué)習(xí)時很容易產(chǎn)生對已學(xué)課程相關(guān)知識的生疏與淡忘現(xiàn)象，嚴(yán)重影響后續(xù)的學(xué)習(xí)效果，從而破壞了課程學(xué)習(xí)的連貫性;另一個是經(jīng)過大學(xué)一年的學(xué)習(xí)之后，會有部分學(xué)生由于自主學(xué)習(xí)能力不足而處于被動學(xué)習(xí)狀態(tài)，存在上課不注意聽講、實驗與作業(yè)應(yīng)付了事、試圖通過考前突擊來通過課程考核等現(xiàn)象。針對這些問題，教學(xué)團(tuán)隊從培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與自學(xué)能力出發(fā)，充分利用精品慕課、直播授課平臺、智慧教室等資源豐富傳統(tǒng)的教學(xué)模式，積極開展“材料力學(xué)”混合式授課。

為了充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并加深知識的理解與應(yīng)用，教學(xué)團(tuán)隊將多個自主完成的工程項目轉(zhuǎn)化為實例引入課程教學(xué)。通過對案例的選擇、簡化與設(shè)計，讓其與教材各章節(jié)知識點充分融合，還充分考慮了與先修課程和后續(xù)專業(yè)知識的關(guān)聯(lián)，使得整個課程知識體系的內(nèi)容更加連貫，有利于學(xué)生理解與記憶。而包含多個知識環(huán)節(jié)且不同難易度的開放性設(shè)計作業(yè)的設(shè)置，以及翻轉(zhuǎn)課堂各小組講解答疑人員的輪換要求，使得學(xué)生必須認(rèn)真參與工程設(shè)計模擬過程中各階段的作業(yè)，并通過合作研討發(fā)表自己的見解。這樣做既增加了知識的實踐性和趣味性，又提升了學(xué)生的協(xié)作能力和表述能力。結(jié)合在慕課堂開展的各類線上線下隨機(jī)提問，選擇、判斷題提交和學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，可全過程掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況并對其進(jìn)行督促，從而最大程度上減少考前突擊現(xiàn)象。通過對教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)過程的設(shè)計與改革，“材料力學(xué)”課程的整體成績得到提升，優(yōu)秀率大幅提升，而且學(xué)生評教結(jié)果喜人。

二、基于進(jìn)階性案例的“材料力學(xué)”混合式課程設(shè)計

“材料力學(xué)”課程的開課對象為大二學(xué)生，大二階段既是學(xué)習(xí)最繁重的大學(xué)階段，也是剛剛適應(yīng)大學(xué)生活后開始思考自身發(fā)展的關(guān)鍵階段。此時的課程設(shè)計既要考慮與先修課程的知識銜接，也要考慮對后續(xù)課程的鋪墊，而且要做好學(xué)生所在專業(yè)領(lǐng)域的最新知識拓展與心理疏導(dǎo)，以促進(jìn)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效果，提升職業(yè)信心。因此，教學(xué)團(tuán)隊通過總結(jié)多年的課程數(shù)據(jù)與授課經(jīng)驗，基于工程案例開展“材料力學(xué)”課程混合式授課。針對大連海事大學(xué)“雙一流”建設(shè)的交通運(yùn)輸工程的專業(yè)特色和教學(xué)特點，教學(xué)團(tuán)隊結(jié)合近幾年的科學(xué)研究成果與教學(xué)經(jīng)驗，并充分考慮工程背景的前沿性、知識的相關(guān)性以及知識點難易程度，選取并設(shè)計了交通運(yùn)輸工程領(lǐng)域的一個核心案例和兩個輔助案例融入教學(xué)過程。這三個案例分別是：鋼卷運(yùn)輸過程中的吊裝設(shè)備——雙臂立卷夾鉗（核心案例，中型機(jī)械結(jié)構(gòu)）;煤炭運(yùn)輸過程的港口卸貨設(shè)備——全機(jī)械式雙車翻車機(jī)（輔助案例，大型機(jī)械結(jié)構(gòu)）;散料挖掘，堆放的高效裝卸機(jī)械——斗輪堆取料機(jī)（輔助案例，超大型機(jī)械結(jié)構(gòu)）。這三個工程案例貫穿整個“材料力學(xué)”授課內(nèi)容（如圖1所示），并圍繞核心案例設(shè)計一系列的工程設(shè)計模擬作業(yè)，以提高學(xué)生知識融合能力和創(chuàng)新設(shè)計能力。

“材料力學(xué)”各章節(jié)知識點間既存在關(guān)聯(lián)性，也有一定的獨立性。為了讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中認(rèn)識到知識間的關(guān)聯(lián)性與積累的重要性，課程設(shè)計的三個案例覆蓋了課程全部章節(jié)的主要知識點，并利用一系列階段性設(shè)計作業(yè)把多個章節(jié)的內(nèi)容關(guān)聯(lián)起來。建立學(xué)習(xí)小組并給各組分派不同的工況條件來完成設(shè)計作業(yè)，以提高學(xué)生的邏輯思維與分析能力。由于每個階段性設(shè)計作業(yè)并不獨立，需要基于之前設(shè)計作業(yè)的結(jié)果進(jìn)行，所以可以使學(xué)生在趣味十足的學(xué)習(xí)討論過程中不斷溫故知新，逐漸加強(qiáng)對知識的理解與應(yīng)用，這正是進(jìn)階性案例設(shè)計的核心所在。以案例一為例，簡單闡述進(jìn)階性案例設(shè)計在課程設(shè)計中的特點。通過線上演示工程實例到CAE模型的構(gòu)建過程，讓學(xué)生初步了解工程實踐到理論模型的演變過程。隨后將根據(jù)雙臂立卷夾鉗的CAD圖紙簡化修改過的模型紙板分組下發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)圖紙組裝各小組的簡化模型，進(jìn)而可分析模型各部件間的不同約束特點、受力關(guān)系及結(jié)構(gòu)運(yùn)動形式。通過給不同的學(xué)習(xí)小組分派不同的結(jié)構(gòu)工況，并利用智慧教室開展小組間的工況分析與答疑活動，可使學(xué)生通過小組合作促進(jìn)彼此間的知識理解。在提高知識的應(yīng)用性和趣味性的同時，還實現(xiàn)了與先修課程的知識融合。作為核心案例，在學(xué)習(xí)過程中會布置5個雙臂立卷夾鉗的階段性設(shè)計作業(yè)，分別是給定鋼卷尺寸的夾持力和吊裝力計算;立卷夾鉗夾持鋼卷過程的內(nèi)外鉗口運(yùn)動分析;根據(jù)應(yīng)力云圖的工程電測實驗設(shè)計;指定工況下外鉗臂或吊裝臂的彎曲受力分析;指定工況下外鉗臂或吊裝臂的組合變形分析。要求各組在不同階段由不同學(xué)生對設(shè)計作業(yè)進(jìn)行宣講和答辯，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，通過參與力學(xué)知識的分析與討論加深對知識的應(yīng)用性學(xué)習(xí)。最后由學(xué)生匯總各小組的分析結(jié)果，撰寫工程設(shè)計計算報告。從分組討論到協(xié)同合作，循序漸進(jìn)，讓學(xué)生體驗工程分析與設(shè)計全過程，不僅使學(xué)習(xí)充滿樂趣，還有利于加深對知識的理解，使學(xué)生逐漸具備解決復(fù)雜問題的綜合能力。為進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維和能力，課程結(jié)束前還會發(fā)布附加設(shè)計作業(yè)，供學(xué)生選擇與挑戰(zhàn)。案例二，秦皇島港的全機(jī)械式雙車翻車機(jī)向?qū)W生展示了散料的現(xiàn)代化運(yùn)輸與卸載過程，其結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮了扭轉(zhuǎn)、彎曲、沖擊和疲勞等因素。同樣從交通運(yùn)輸行業(yè)的工程背景開始，到各部件的拆分與受力分析，最后完成整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析與疲勞分析，通過案例將各相關(guān)章節(jié)的知識點逐漸展示給學(xué)生。而案例三的斗輪堆取料機(jī)作為散料挖掘、堆放的超大型機(jī)械，其上部俯仰鋼結(jié)構(gòu)和主懸臂梁的強(qiáng)度分析則囊括了拉伸與壓縮、彎曲、組合變形和能量方法這些章節(jié)的知識點。作為工程實踐中最廣泛存在的彎曲變形則在三個工程案例中都有所涉及，可進(jìn)一步加深學(xué)生對知識的理解。

生動的工程案例分析可激發(fā)學(xué)生的求知欲，既有本?！半p一流”學(xué)科的專業(yè)特色，又可培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，還可通過對應(yīng)專業(yè)的知識拓展來提升職業(yè)信心。通過對案例的認(rèn)知、分析、計算過程，可培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力、抽象化能力和計算能力;并通過分組研討、互評總結(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的表達(dá)能力、自學(xué)能力以及協(xié)作能力。

為了能更好地輔助教學(xué)并充分鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，教學(xué)團(tuán)隊還引入國家級精品慕課開設(shè)SPOC課程。讓學(xué)生利用慕課自主學(xué)習(xí)部分章節(jié)的基礎(chǔ)知識并完成在線測試，通過趣味十足的線上或線下課堂討論加深認(rèn)識。授課時除了采用投票、選擇等在線統(tǒng)計方式開展問題討論外，還可以不定時拋出各類工程實踐問題，讓學(xué)生通過限時查閱資料予以解答，活躍課堂的同時鍛煉學(xué)生的探究能力和檢索能力。利用線上直播平臺對各章節(jié)的總結(jié)復(fù)習(xí)和難題進(jìn)行解析，講解過程以手寫為主，逐步點明要點所在，以增加學(xué)生的代入感，而直播平臺的回放功能則有助于學(xué)生開展有針對性的復(fù)習(xí)。

課程考核包括期末閉卷考試和平時成績，各占總成績的50%。期末考試以主觀題為主，測試學(xué)生對簡化工程問題的綜合處理能力，并利用少量的客觀題補(bǔ)全整個課程的知識體系。平時成績則包括自主學(xué)習(xí)部分（慕課學(xué)習(xí)完成度和基于慕課的線上測試）、線上授課的課堂互動與測試、章節(jié)課后作業(yè)、案例分析作業(yè)、翻轉(zhuǎn)課堂發(fā)言討論以及附加設(shè)計作業(yè)等。各章節(jié)所對應(yīng)的平時成績均實時給出并由慕課堂公布，供學(xué)生查詢了解自身情況，以促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。

三、混合式教學(xué)中的思政教育

在“材料力學(xué)”課程中輔助性地開展關(guān)于社會主義核心價值觀、中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化等方面的同步教育，使學(xué)生把握工程理念的同時，還能更深入地理解社會主義核心價值觀和中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的內(nèi)涵。從理論上說，這也是自然科學(xué)、社會科學(xué)與哲學(xué)的相互滲透與支撐作用在工程技術(shù)領(lǐng)域的具體實踐。比如在講解鋼木混合超靜定結(jié)構(gòu)計算時，深入分析鋼先于木材破壞的結(jié)構(gòu)原理，引出許用應(yīng)變的本質(zhì)，結(jié)合老子“柔弱勝剛強(qiáng)”的哲學(xué)思想，指出人應(yīng)當(dāng)善于通過自我塑造（塑性變形）來升華。在講授組合變形的疊加性原理時，指出其本質(zhì)就是拆分與組合，亦即“化繁為簡”，正是道德經(jīng)中“大道至簡”的道理。而在立卷夾鉗的工程設(shè)計與分析中化繁為簡也有其重要意義：首先設(shè)計采用重力式承載的低碳設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)成本低;其次分析計算時抓住主導(dǎo)因素，合理簡化可以高效率地解決實際問題;最后指出“化繁為簡”不僅是工程處理中的重要手段，也是一種重要的生活態(tài)度，要給生活做減法，懂得取舍。

四、課程特色與展望

“材料力學(xué)”混合式教學(xué)課程設(shè)計充分考慮了與先修課程的銜接，以及對后續(xù)專業(yè)知識的拓展，選取并設(shè)計了一個囊括“材料力學(xué)”課程中主要知識點的核心案例和兩個補(bǔ)全課程知識體系的輔助案例。通過模型制作、不同工況的分組分析、實驗測試方案設(shè)計、計算方案討論等過程，不僅使學(xué)習(xí)充滿樂趣，還有利于加深對知識的理解，使學(xué)生逐漸具備解決復(fù)雜問題的綜合能力，充分體現(xiàn)了該課程設(shè)計的“高階性”。圍繞核心案例設(shè)計一系列的開放性工程設(shè)計作業(yè)，使學(xué)生完成一次完整的模擬性工程設(shè)計，并利用翻轉(zhuǎn)課堂進(jìn)行小組間的研討。引導(dǎo)學(xué)生匯總不同工況小組的計算結(jié)果，撰寫力學(xué)分析計算報告。從分組討論到協(xié)同合作，讓學(xué)生體驗一次工程分析與設(shè)計的全過程，充分體現(xiàn)了課程設(shè)計的“創(chuàng)新性”。而為了鼓勵學(xué)生的挑戰(zhàn)精神，當(dāng)教學(xué)案例全部講授結(jié)束之后，還會以附加題的形式給出最后的設(shè)計作業(yè)供學(xué)生選擇，并在課程考核中給予體現(xiàn)。

將工程案例引入混合式教學(xué)，使知識與實踐合理的融合，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動力，加深知識理解，引導(dǎo)創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)其自主學(xué)習(xí)能力，提高學(xué)習(xí)興趣和知識的綜合應(yīng)用能力。今后教學(xué)團(tuán)隊需要結(jié)合授課教材，進(jìn)一步升華用于教學(xué)的工程案例。根據(jù)教材進(jìn)一步細(xì)化案例中的知識點，并不斷追求理論知識到工程實踐之間更恰當(dāng)?shù)谋硎龇绞?，以期不斷提高教學(xué)中各知識點的覆蓋面和凝練度。

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[責(zé)任編輯? 韓曉雨]

收稿日期：2021-04-27

作者簡介：姚征（1978—），男，河北石家莊人，大連海事大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院副教授，博士，主要從事工程力學(xué)研究。

基金項目：教育部力學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會項目“基于現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)力學(xué)‘金課’課程群建設(shè)模式的研究與實踐”（JKJH201902）;大連海事大學(xué)教改項目“‘課程思政’示范課程”（IC-21-017）