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

1、基于“四維統(tǒng)一”模式的“材料力學(xué)”教學(xué)改革探索摘 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)、弓I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

2、養(yǎng)體系 中具有重要支撐作用1o首先，受課程知識體量 （、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)（ 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？ 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。

3、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(dāng)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

4、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

5、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。簡單工況I靜定條件扭轉(zhuǎn)變形I關(guān)聯(lián)性圖1基于拆解和重構(gòu)的課程知識框架豚C?面容I精細的概念解廈II嚴謹?shù)牧鞒陶撎颕深入的理論剖耐分類研究 構(gòu)建框架復(fù)聶誠I i I超靜定I iII多變形| iI | i ；I |動載荷| ;平行學(xué)習(xí) 舉一反三基礎(chǔ)理論 注重思路（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)。基于大量的文獻調(diào)研和

6、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

7、動思 ;、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。I教學(xué)內(nèi)容工程案例學(xué)科前沿強每剛度穩(wěn)定性i建筑倒塌 LJ 精密加工 LJ千斤頂設(shè)計| I i隧道施工i 橋體形變 ?。┠_手架失穩(wěn)I 容器炸裂I g ）機翼設(shè)計I g ）桁架垮塌i士 二二二二牡二二二士二二二 wI多種強度理論I i高剛度設(shè)計i I動脈瘤的形成I|界面破壞問題| !剛度與振動I i抗倒伏小麥I【能力培養(yǎng)jij理論聯(lián)系實際11活學(xué)活用綜合應(yīng)用能力i |創(chuàng)新能力交叉思維圖2課程知識與工程和前沿應(yīng)用的結(jié)合關(guān)系（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

8、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

9、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?？茖W(xué)人物 發(fā)展歷程善于鉆研勇于挑戰(zhàn)迎難而上創(chuàng)新精神勤于思考持之以恒課程思政方案工程案例 科學(xué)研究工匠精神精益求精責(zé)任擔(dān)當(dāng)認真嚴謹奉獻精神職業(yè)道德歷史文化時代環(huán)境家國情懷文化自信與時俱進生態(tài)文明大局觀念志存高遠圖3課程思政方案（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)

10、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。（

11、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;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;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

12、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 學(xué)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o基于上述探索， 本文所建立的“四維統(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。-從學(xué)會到會學(xué)-多維度構(gòu)建材料力學(xué)教學(xué)的基本框架Wiik： ,:I預(yù)作務(wù)I廠|線上發(fā)布課前學(xué)習(xí)資料基礎(chǔ)性與高階性并重】:;理論性與應(yīng)用性統(tǒng)一111科學(xué)性與思想性融合、-冗- ( 、 杳 課蠢學(xué)C U I線上教學(xué)與線下教C! I激發(fā)學(xué)