“材料力學(xué)”課程教學(xué)改革與實踐的探討

1、“材料力學(xué)”課程教學(xué)改革與實踐的探討摘要高等教育改革以來，受新媒體形式的推廣和特殊形勢的影響，傳統(tǒng)的本科力學(xué)課程教學(xué)急需改進。湖南大學(xué)材料力學(xué)教 研室以培育復(fù)合型人才為目標，創(chuàng)新性地提出構(gòu)建課程建設(shè)和教學(xué)內(nèi)容并舉的簡支梁”教學(xué)改革思路。即依托教師隊伍和教學(xué) 手段的相互促進完成課程建設(shè)；融合思想政治元素、實踐應(yīng)用和科普知識改進教學(xué)內(nèi)容，并以綜合考核為引導(dǎo)手段，培養(yǎng)具有理 論和實踐的基本能力，并且能圍繞未來工作中的工程和科學(xué)問題進行創(chuàng)新性研究的復(fù)合型人才。取得了一系列優(yōu)異成果，可以為 后續(xù)教學(xué)改革和實踐工作提供參考。關(guān)鍵詞“材料力學(xué)；教學(xué)改革;課程建設(shè)；思政元素2019年,教育部在關(guān)于深化本科教育

2、教學(xué)改 革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見（教高2019/6 號）;針對教學(xué)管理1c教學(xué)制度、潛心育人和 組織保障這四個方面分別對本科教育提出了指 導(dǎo)性的意見。2020年的特殊時期打亂了多年循規(guī) 蹈矩的本科教學(xué)計劃。這對于“材料力學(xué)”這門 傳統(tǒng)的力學(xué)核心課程的教學(xué)帶來了更高的要求和 挑戰(zhàn)。對于這一問題,湖南大學(xué)材料力學(xué)教研室認 真貫徹教育部精神，圍繞學(xué)生做出了一系列教學(xué) 改革舉措,并落實到課程教學(xué);，收到了良好的效 果。本文在培養(yǎng)目標6、課程建設(shè)7和教學(xué)內(nèi)容 等方面展示湖南大學(xué)材料力學(xué)教研室的創(chuàng)新和效 果,為力學(xué)核心課程教學(xué)改革提供思路和參考。一、教學(xué)改革與實踐的設(shè)計思路湖南大學(xué)材料力學(xué)教研室“簡支

3、梁式”教學(xué)設(shè) 計模式如下圖1所示。圖1湖南大學(xué)材料力學(xué)教研室“簡支梁式”教學(xué)設(shè)計（一）教師隊伍和教學(xué)手段組成的“滑移支（ 課程建設(shè)應(yīng)當是在保證教學(xué)質(zhì)量的前提下， 具有一定的靈活性，這樣可以適應(yīng)新時期和特殊 形勢帶來的變化。其特點類似于雙自由度的“滑移 支座隊伍建設(shè)是支撐教學(xué)的基礎(chǔ)L湖南大學(xué)材料 力學(xué)教研室實行“內(nèi)外雙培養(yǎng)”的教師發(fā)展模式L 在內(nèi)，由經(jīng)驗豐富的教學(xué)名師帶領(lǐng)年輕教師學(xué)習(xí) 教學(xué)技巧，根據(jù)每位教師的經(jīng)歷和研究方向量身 定制教學(xué)方案。在外，聘請具有豐富實踐經(jīng)驗和學(xué) 科知識扎實的工程技術(shù)人才加入，完善教師隊伍 多元化建設(shè)建立校企和國際合作，鼓勵交流L教學(xué)手段是學(xué)生興趣的“著力點”。特殊時期

4、， 全國展開了一場關(guān)于線上教學(xué)的討論熱潮L針對 這一問題，教研室教師認真收集建議，總結(jié)出一套 合理的授課方案：（1）采用直播課堂軟件，將課件 與討論區(qū)并列展示，便于及時收到反饋（2）在適 當時間開啟攝像頭，采用道具演示趣味小實驗或 者在小黑板上演算習(xí)題（3）在習(xí)題課上,展示預(yù) 先做成的習(xí)題解答過程課件，輔以軟件上的畫筆 標識。在直播課后，教師在課程聯(lián)系群里上傳錄制 的直播視頻，幫助學(xué)生回顧知識。這樣有條不紊的 直播授課得到了不亞于面對面授課的良好效果。 同時，湖南大學(xué)材料力學(xué)教研室共同建設(shè)了課程 中心網(wǎng)站,包括雙語介紹、力學(xué)進展（介紹前沿的 科研成果）、資料共享（課件和參考書籍）和師生互 動平

5、臺這些特色欄目L這樣的課程中心建設(shè)支持 教學(xué)資源的積累與共享，將教學(xué)過程與評價展示 相結(jié)合，提供了多樣的師生互動模式。另外，許多 教師在主流的社交平臺上建立個人賬號，撰寫教 學(xué)和科研中的心得體會或是上傳錄制的課外講 座。獲得了全國力學(xué)愛好者的廣泛關(guān)注，有幾位老 師擁有了上千“粉絲,成了同行和學(xué)生心中的“明 星學(xué)者（二）思政、應(yīng)用和科普組成的“固定支座”教學(xué)內(nèi)容應(yīng)當確保學(xué)生掌握知識點這一關(guān)鍵 不動搖，由思政、應(yīng)用和科普共同組成穩(wěn)定的“三 元體,使學(xué)生圍繞知識點展開創(chuàng)新實踐。其特點 類似于單自由度的“固定支座針對學(xué)生的思想、興趣、志向和科學(xué)素養(yǎng)，廣 泛搜集與知識點相關(guān)的重大工程和熱點問題，從 科普

6、的角度拓展學(xué)生的知識面，同時滲透正確的 人生觀和價值觀，確保達到協(xié)同育人的教學(xué)效果。 2020年5月5日，廣東虎門大橋出現(xiàn)大幅搖晃，在網(wǎng) 絡(luò)上引發(fā)熱烈討論。時值“材料力學(xué)”課程講授“組 合變形”這一章節(jié),筆者抓住這一機會,向?qū)W生介 紹了大跨度懸索橋的歷史和構(gòu)造。以塔科馬大橋 風(fēng)毀的實例，解釋了卡門渦街這一流體力學(xué)知識 點。作為中國自行設(shè)計建造的第一座現(xiàn)代化特大 型懸索橋，虎門大橋的設(shè)計師早已考慮風(fēng)力作用 下的振動。根據(jù)蜻蜓翅膀上的翅眼結(jié)構(gòu)的作用，介 紹了大型橋梁的抗振措施。另外，渦街效應(yīng)也能被 利用，從工程實例中的測量管道內(nèi)流量的渦街流 量計，講到科研最新成果磁感應(yīng)渦街發(fā)電裝置。這 使學(xué)生對于

7、“材料力學(xué)”及相關(guān)課程的興趣大增， 取得了非常好的教學(xué)效果，同時也宣傳了我國流 體力學(xué)和振動力學(xué)的代表學(xué)者。（三）綜合檢驗的復(fù)合人才是“荷載”“材料力學(xué)”注重培養(yǎng)關(guān)注學(xué)科前沿發(fā)展和知 識交叉應(yīng)用,具有理論和實踐的基本能力，并且能 圍繞未來工作中的工程和科學(xué)問題進行創(chuàng)新性研 究的復(fù)合型人才,是前述教學(xué)與改革的“承載”。結(jié) 合特殊時期的影響，“材料力學(xué)”的考核模式也相 應(yīng)調(diào)整如下（見表1）。表1考核評估中總評成績設(shè)置和調(diào)整項目占比（變化）說明期末考試30% ( 1 )創(chuàng)造性為主的綜合大作業(yè)形式實驗成績10% ()慕課實驗教學(xué)內(nèi)容并提交報告期中成績10% ()用慕課章節(jié)測試成績代替慕課平時成績30%

8、 ( ?)慕課學(xué)習(xí)作業(yè)15% ( ?)上傳文檔直播簽到5% ()直播課堂簽到通過公示相應(yīng)的說明文件材料力學(xué)在線考隨機題庫、雙機位監(jiān)考和提交答卷方式等?？己说暮藢嵤┺k法，保證了考核細節(jié)公平、公開化，包括內(nèi)容包括慕課學(xué)習(xí)、實驗認知、課外討論和運用知識點解決實際問題的能力。針對考核中出現(xiàn)的不 足，可以修正相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容。只有建立起以培養(yǎng) 復(fù)合人才為目的的評價體系，才能賦予這門傳統(tǒng) 力學(xué)核心課程歷久彌新的特質(zhì)，源源不斷地輸送 優(yōu)質(zhì)工程師、科研工作者和教師人才，同時為思 政、工程和科研提供豐富的素材。二、教學(xué)改革與實踐的具體案例下面結(jié)合湖南大學(xué)材料力學(xué)教研室教學(xué)實踐 的具體案例探討“材料力學(xué)”教學(xué)方法(

9、見圖2)。(a)慕課建設(shè)(b)彎曲變形與高層抗風(fēng)(c)機械創(chuàng)新大賽(d)化裂紋尖端的位錯發(fā)射圖2湖南大學(xué)材料力學(xué)教研室教學(xué)實踐的代表案例“雙向”慕課從2019年開始，湖南大學(xué)材料力學(xué)教研室在 中國大學(xué)MOOC向全國的力學(xué)愛好者開設(shè)了材料 力學(xué)網(wǎng)絡(luò)課程圖2(a),具有以下特點：(1)與兄 弟院校共享授課資源，從廣度上擴展了學(xué)習(xí)內(nèi)容, 從深度上緊跟學(xué)科最新發(fā)展，定時更新網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容, 充分發(fā)揮了線上課堂的優(yōu)勢。(2)要求學(xué)生將學(xué)習(xí) 報告上傳至網(wǎng)絡(luò)課堂，指導(dǎo)老師及時反饋并展示 優(yōu)秀的學(xué)習(xí)報告，以此調(diào)整教學(xué)方案，實現(xiàn)了師生 雙向慕課。知識點“圖像化”針對學(xué)生掌握材料力學(xué)公式的常見問題，例 如難以實體化，將

10、基礎(chǔ)理論知識與工程實踐、前沿 科技相結(jié)合，把知識點“圖像化”，激發(fā)學(xué)生主動學(xué) 習(xí)的熱情。在講授梁彎曲撓度這一知識點時，以超高層 建筑的彎曲剛度引入，先介紹世界前十高樓，引起 學(xué)生的興趣。然后基于課程思政，以轟動一時的世 界第一高樓我國臺北101大樓的內(nèi)部的巨大 球形阻尼器，介紹影響超高樓變形的風(fēng)荷載與其 應(yīng)對措施。與此相反，目前世界最高建筑哈里發(fā)塔 并沒有在內(nèi)部設(shè)立阻尼器，這要歸功于其特殊的 類三角形截面。設(shè)計師巧妙地以空氣動力學(xué)原理 減小了風(fēng)荷載的影響，同時保證了樓層內(nèi)部結(jié)構(gòu) 的實用性與美觀性圖2(b)?！把由焓健苯虒W(xué)材料力學(xué)的學(xué)習(xí)不能限于課程教學(xué)，而應(yīng)該 貫穿整個本科甚至研究生的培養(yǎng)過程。

11、在第九屆全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽湖南 賽區(qū)預(yù)賽;，以設(shè)計“助老機械”為主題，學(xué)生充分 應(yīng)用材料力學(xué)知識，發(fā)揮創(chuàng)造力，在材料力學(xué)教研 室指導(dǎo)下設(shè)計出了自動起臥式助力床、智能輔助 摔倒起身機器、全自動家居式老人輔助脫衣裝置 等一系列優(yōu)秀作品圖2(c)。另一方面，將材料力學(xué)與前沿金屬材料研究 有機結(jié)合起來，一些本科學(xué)生參與了教研室教師 的研究工作，在具有國際影響力的刊物上發(fā)表文 章。學(xué)生熟悉了科研的過程，體會到探索的樂趣 圖 2(d)。三、教學(xué)改革成效在湖南大學(xué)師生的共同努力下，“材料力學(xué)” 課程教學(xué)改革收效顯著。近年來，出版材料力學(xué)相 關(guān)教材兩本；獲中國力學(xué)學(xué)會全國徐芝綸力學(xué)） 秀教師獎一人次，

12、師生多人次在全國周培源大學(xué) 生力學(xué)競賽、全國大學(xué)生機械創(chuàng)新大賽、本科生 SIT項目獲獎；獲得湖南省教學(xué)成果獎2項,2014年 獲湖南省普通高校教師課堂教學(xué)競賽獎；多位教 師獲得湖南大學(xué)教學(xué)成果獎和評為教書育人模 范；發(fā)表10余篇中英文論文和多項國家發(fā)明專 利；共4人留校并加入材料力學(xué)教研室；為國家 重大工程尖端科研項目和教育機構(gòu)培養(yǎng)了一批） 質(zhì)人才。四、總結(jié)與建議“材料力學(xué)”旨在培養(yǎng)具有國際視野、合作與 競爭的能力，具備從事工程應(yīng)用、科學(xué)研究、教學(xué) 及管理等方面技能的創(chuàng)新型人才，其課程教學(xué)與 改革既要穩(wěn)定，又要精簡。在“十四五”規(guī)劃新時 期,我們將從以下方面推進工作:（1）力學(xué)學(xué)科的 發(fā)展依賴于傳承精神,在課程思政的倡議下，學(xué)習(xí) 前輩艱