材料力學實踐教學高階性建設研究

李宏德

(鄭州工程技術學院 機電與車輛工程學院，河南 鄭州 450044)

應用型本科教育的突出特征是其實踐性，教育實踐表明，實驗實踐課程與理論課相比，更利于培養學生的實踐動手能力，是學生獲得工程應用能力的必要環節。實驗室是必要平臺，虛擬實踐教學環境是實踐教學的新空間。在知與行之間，經歷發現問題，探索問題，解決問題直至工程應用，達到知行合一。

近年來，隨著推進“普通高等學校本科專業類教學質量國家標準”“工程教育專業認證”“一流本科課程建設”(也稱“金課”)等，不斷推高本科課程建設水平。“金課”建設如缺失高水平的相關實踐教學環節，則不是完整的“金課”。材料力學是機械、土木等專業類的重要技術基礎課程，材料力學實踐教學對支撐和充實理論教學、認識材料的力學性能、訓練力學實踐技能和探究意識、獲得解決復雜問題的能力都具有不可或缺的作用。但由于各種因素的影響，材料力學總學時量大幅減少，對材料力學課程造成較大影響，而對實踐教學部分的影響更甚于對理論教學部分。在學時少這一現實無法根本轉變的情況下，要實現材料力學實踐課的“金課”目標，必須擺脫固有束縛，立新理念，創新思路，開新方法，興新舉措，按照“金課”標準，開展系統性的綜合改革，推進實踐環節的高階性、創新性建設，提高實踐教學的“含金量”，打造材料力學“實踐金課”。文章針對力學實驗目前存在的問題，對標“金課”建設標準，圍繞材料力學實踐環節“高階性”建設的幾個方面進行了研究，提出突破“實驗”界限，從“實踐”的層面規劃設計材料力學大實踐教學，在教學目標、實踐內容和項目、教學模式以及手段和方法等方面綜合著手，全方位推進材料力學實踐“金課”建設。

一、剖析材料力學實驗教學中存在的問題

(一)教學理念滯后，沒有跟上新導向

沒有教育思想導航的教學是盲目的，教育需要先進理念的引領，實踐教學也一樣。

對教育理念包括優秀傳統教育理念缺乏深入研究，在認知上更多地局限于概念上，對教育理念的引領作用認識不足，對具體教育理念在本課程中指導作用沒有形成針對性策略和實施方案。教育理念的指導作用沒能得到好的發揮。比如在實踐教學中如何理解以人為本、素質教育、知行合一、個性化、創新性等思想理念，如何挖掘或獲得諸多教育理念的內涵與價值。

在教育理念的貫徹和應用方面行動滯后。圍繞教育思想理念如何開展相應的落實工作，如何在深刻解讀諸多教育思想理念基本內涵的基礎上，將其與本教學活動結合起來，內化為實踐教學的可行的方案和可操作的行動均顯不足。

對新理念、新導向、新技術帶來的沖擊感受不夠強烈，思變意識不濃。如何呼應當前的一些教育熱點和跟進當前建設工程中的導向性政策、新理念和好的做法，如在推進工程教育專業認證、“金課”建設、精品在線資源建設、虛擬仿真實驗教學項目建設、本科專業類教學質量國家標準等系列行動中，結合政策標準建設好本實踐課程，是急需開展的工作。

對材料力學實踐教學功能的多重性認識不夠，對其重要性認識不足。實踐仍是作為理論教學的補充，為驗證理論真偽服務，缺乏獨立性，不是獨立作用的主角，更談不上作為學生創新能力培養的關鍵環節來認識和安排。從應用型人才的工程應用能力和創新能力的訓練培養角度講，實踐訓練的作用和價值應得到更多關注。實踐作風養成、素質潛能的累積，是一點一滴疊加起來的，不能期望一下子就培養出來。既然實踐能力、動手能力、創新能力很重要，就應圍繞這種核心能力進行多層次、多類別的訓練。

(二)實驗教學目標不明確

理論教學是材料力學教學的主體，實驗教學一直處于從屬、輔助的地位。雖然符合材料力學的課程性質和定位，但長期的這種狀態不可避免地削弱了對實踐教學的重視程度和建設力度，教學目標也難以清晰界定和落實。實踐教學理念難以達到先進程度，認識程度和教學目標也難以達到相應的高度。

工程教育和課程教學的核心目標是使學生具有面向工程解決問題甚至解決復雜問題的能力，要做到這一點，應遵循知行合一的理念，發展學生知的能力和行的能力，知和行的能力都很重要，但終究是要落在行的能力上。不能否定，理論教學具有使人獲得知行素養的作用，在一定程度上養成人的知行能力。同樣也應認識到，實踐是行動的直接行為，是物質成果最直接的形成因素。所以，實踐教學的目標應是使學生能夠以前瞻性的理念指導，依靠思想的或物化的條件，進行有創造性的行動。

通過分析不同類型高校材料力學(含工程力學)教學目標發現，為解決工程問題提供基本概念、基本理論和基本方法是課程的核心目標，這是課程理論教學的重要目的。在實踐教學的目的性上提出了一些結合點，如理論與實踐的結合問題，培養解決工程問題的能力，知識點與工程實際相結合，了解工程應用，培養工程理念。教學案例結合學科前沿與科研實踐，培養創新性。這些目標多屬于理念或導向色彩，較為虛化，難于形成可行的方案，不易落實。而針對實驗教學提出明確目標要求的則較少，或只能從課程整體目標要求中去體會和挖掘，實驗教學目標也并不清晰。

對于大多非力學專業而言，很少開設獨立的力學實驗課程，缺少接觸進一步實驗訓練的可能。但是對多數專業而言，材料力學實踐教學卻是不可或缺的環節。

教學目標要求不高，主要表現為：對現代先進教學理念吸收借鑒不夠，缺少先進理念引領；教學目標設計存在虛化成分，不易形成落實方案；多樣化的實驗項目和實踐內容的綜合設計開發不夠；對最新教育模式、教學方法研究不透，應用不夠；對最新教育技術借用、利用不夠，教學手段更新緩慢。

(三)實驗教學內容和項目體系更新緩慢

實驗教學內容更新緩慢，實驗項目類型比較單一，項目多以驗證性實驗為主，主要限于低碳鋼和鑄鐵拉伸與壓縮、梁彎曲、彈性模量測定等實驗，內容設定多在某種基本變形或材料某一方面的性能，單項內容的實驗偏多，綜合性不強，實驗設備操作也偏以簡單，對學生綜合能力的訓練效果不突出，素質養成作用有限。面對新理論、新材料、新技術而在教學上跟進的新應用不夠，造成實驗內容不新穎，無法滿足工程技術的實際應用。[1]

(四)實驗教學模式相對固化

講解加上實驗演示仍是目前材料力學實驗教學的主要模式，除了結合一定數量的設備之外，實質上像是把教室授課模式搬到了實驗室，沒有產生本質性差別。老師講解和演示，學生聽講和觀察，知識仍是單向傳遞，學生動手操作、研討交流的機會都很有限。相似的教學情景，可預測的實驗結果，學生難以有持續的新鮮感和求索欲。

(五)實驗教學手段傳統、教學方法單一

目前，PPT和板書仍是材力實驗教學的主要手段，與現代教育技術結合不夠緊密的傳統教學手段，使得在教學形式、教學方法設計上空間受限，也難有大的突破。實驗演示通常受到設備數量和條件的限制，難以保障每個學生都能有親自動手操作的機會，基本是多數學生觀察老師或少數學生的操作演示。反復處于這種狀態，學生實踐能力無法得到有效訓練，學生的主動性和個性發展受到影響，也會逐漸失去興趣。這樣的模式會難以提高學生動手能力和分析解決問題的能力，也會束縛學生的思維能力和創新能力。[2]

(六)實驗考核方法簡單、關注面少

考核方式多是以實驗報告為主，參考出勤和現場表現情況。通常區分度不大，加上實驗成績在課程總成績中占比也比較小，難以引起學生足夠重視。

二、構建材料力學實踐高階性建設新理念，確立教學新目標

傳統材料力學實驗教學理念和教學成效上的不足已經顯現，用什么樣的新理念來引領？又如何規劃建設？

《教育部關于一流本科課程建設的實施意見》(教高〔2019〕8號)提出把“立德樹人”成效作為檢驗高校一切工作的根本標準，深入挖掘各類課程和教學方式中蘊含的思想政治教育元素，把教學改革成果落實到課程建設上，建設適應新時代要求的一流本科課程，讓課程優起來、效果實起來。

(一)堅持課程思政理念引領

以課程思政理念為指導，與思想政治理論課同向同行，形成協同效應，按照“三全育人”原則，深度挖掘課程所蘊含的思想政治教育元素，把“立德樹人”作為課程教學的根本任務，實現知識傳授、價值塑造和能力培養的協調統一，促進學生德智體美勞全面發展。

(二)遵循素質教育理念

把引領學生學會學習和養成素質作為基本教育目標，相比于知識傳授更加重視實踐能力和全面素質養成，使知識、能力、素質協同發展，推進教學做一體化，做到知行合一。

(三)遵循以人為本理念

以人為本在教學中就是堅持以學生為中心。在實踐教學內容上應適于學生學習，適于學生訓練和發展；在教學模式上，以有利于學生學習、方便于學生學習來安排學習方式，建設學習資源；在教學手段和方法上，能有利于高效學習和靈活學習。

(四)遵循個性化教育理念

在實踐教學內容上適于學生充分選擇，使學生可以自主學習有用的、沒掌握的或對自己最為必需的，以適應學生個性發展和個性化學習的多樣性選擇，促進學生優勢發展，開啟學生內在潛力和學習動力。在模式方法上能支持形成個性化學習方式，個性化學習資源，個性化學習評價方式。在手段上，以支持學生最擅長的。

(五)堅持高階性原則

提升實踐內容與項目的高階性，構建具有一定廣度和深度的課程資源，為培養學生具有解決復雜問題的能力提供有品質的支撐資源。提升教學模式、手段和方法上的高階性，運用先進技術，支撐先進模式，更好演繹實踐教學內容，采用利于學生學習的線上、線下、混合式教學，開放實踐場所等多種模式，突破習慣性認知模式，培養學生分析、質疑、創新的能力。

(六)堅持創新性原則

增強創新性，對實踐教學內容、實踐教學方法和手段上的新的成長點保持創新意識，及時引入發展成果。積極推進現代信息技術與實踐深度融合，促進創新。

(七)確立材料力學實踐教學新目標

以新理念引領，對照一流標準，推進“金課”建設，實施大實踐教學，培養學生學做一體素養、知行合一能力，使學生具有解決工程問題甚至解決復雜工程問題的能力。

三、做實材料力學實踐教學高階性建設新內容

圍繞材料力學實踐教學目標，以新理念為引領，一是要有利于促進學生實踐訓練、素質養成和全面發展。二是有利于學生學習和自主學習。三是面向大實踐教學，突破“實驗”界限，跨入“實踐”之地，著眼各實踐要素，建設可供充分選擇的實踐資源，可供充分利用的手段和方法。

(一)做好課程思政教育教學

堅持課程思政理念引領，激發創新思維，深度挖掘材料力學課程及相關領域的課程思政元素，在課程及其實踐教學的各個環節融入思想政治教育元素，全面做好課程思政教育教學。

講好力學家的故事。我國歷史上涌現出眾多有代表性的人物和力學成果，古代墨家所著《墨經》里就有杠桿原理相關內容的表述。北宋李誡在1100年所著《營造法式》一書中指出矩形木梁的合理高寬比(h/b)為1.5，這與近代研究得出的矩形木梁的合理高寬比為 (強度最大)已極其接近。在現代，有錢學森、錢偉長、郭永懷等一批力學家，除有卓越的學術成就和學術聲望外，還在傳奇人生、家國情懷、民族責任、青云之志、嚴謹治學、求索創新等某些方面具有應當頌揚的品德和正能量，這些優秀代表是青年學子心中的榜樣，是勵志成才的力量。

講好工程案例。同樣，我國歷史上也涌現出眾多有代表性工程，著名的趙州橋就是一個蘊含力學合理性的經典工程。今天的港珠澳大橋，既是國家大工程，又蘊含著豐富的工程技術教育元素和思想政治教育元素。在技術思政教育上，除作為大工程所有的普遍意義的科學技術價值外，僅就材料力學實踐教學而言，選擇其中的鋼結構斜拉橋、鋼箱梁結構作重點分析，讓學生直接感受到這些結構形式在大工程中的應用。既能引導學生深刻理解這些結構的受力特點和技術優勢，又能使學生感受到所學知識的價值，增強學習信心。在思政教育方面，具有突出的民族情懷、愛國主義情懷，在國家意義、國家力量、科技影響力、生態文明、環境保護、文化特色、旅游價值、自主創新、奮斗精神等方面具有豐富內涵和廣泛意義，極大增強民族志氣和民族自豪感。再諸如建筑腳手架的改進發展之于生命至上，加拿大魁北克大橋的“工程師之戒”之于嚴謹與責任等眾多工程案例，都給人以教育與啟迪。材料力學實踐教學的課程思政教育目的、課程思政教育內容與相關實踐知識的關系見表1。

表1 課程思政教育目的、教育內容與課程知識的關系

(二)做實實踐教學內容和項目體系的高階性

1.基于個性化教育，豐富實踐資源。在實踐教學內容上，構建多樣化的實踐內容與項目體系，使實踐項目有充分的選擇性。拓展實踐內容，在基本實驗內容的基礎上，由基本變形向復雜變形拓展，由以基本變形為主轉為基本變形、復雜變形、穩定性分析以及動載分析并重。拓展實踐類型，在演示性實驗、驗證性試驗的基礎上，向設計性試驗、綜合性試驗拓展，逐步向探究性試驗傾斜。拓展材料類型，由低碳鋼、鑄鐵材料等向合金材料、復合材料等更廣域的工程材料拓展。

2.基于高階性原則，提升實踐品質。深度挖掘演示性實驗、驗證性實驗中的高階性元素，探究性元素，將簡單實驗轉化為設計性實驗、探究性實驗或綜合性實驗。面向復雜變形、新工程材料開發設計高階性的實踐項目，提高項目的難度。拓展實踐邊界，突破“實驗”界限，從“實踐”的層面綜合設計材料力學大實踐教學，如設立材料力學課程設計、綜合性大作業、創新創業實踐項目、開放實驗室項目、工程實踐案例、大型綜合訓練、自主設計實驗等，增加項目的綜合性和未知性，從而提高此類實踐項目的挑戰度。

3.基于創新性原則，創新出新。將新理念、新技術和新方法引入到材料力學實驗教學，在內容、模式、方法等方面創新突破，使單一實驗綜合化、實驗材料多樣化、演示實驗設計化、驗證試驗應用化、實驗內容項目化。

(三)做實實踐教學模式的高階性

1.做實混合式教學。以虛擬仿真實驗教學、現場實驗教學和微課視頻教學為主要支撐，充分利用虛擬現實技術、計算機技術、信息技術和網絡技術，開展網上教學資源建設，把網上資源和現場教學有機統一起來，為學生提供隨時隨地的學習。

2.開展力學實踐與創新創業教育協同教學。將創新創業教育理念和思路引入到力學實驗的教學設計之中，把創新創業訓練項目和力學實踐項目相融合，既能豐富力學實驗的內容和類型，又能拓展實踐教學的時間和空間，也讓創新創業教育扎根在日常教學，使創新創業教育得以實實在在的落實。[1]

3.基于開放實驗室的預約式教學。把實驗室開放和學生自主實踐學習結合起來，學生可以選擇常規實踐教學項目、實驗室開放項目或者學生自主設計的實踐項目，通過實驗室管理系統預約，在學生自己方便的時間里獨立開展相關實踐學習和研究。

(四)做實實踐教學方法和手段的高階性

1.改造傳統簡單實驗，提升其高階性。在演示性、驗證性實驗中增加設計性元素、探究性元素，在演示性、驗證性實驗的操作過程上增加設計性元素、探究性元素。比如把實驗安排在理論內容講解之前進行，并設置若干問題，提升驗證性實驗的未知性，實驗報告則可以在理論內容講解之后完成。這樣實驗時有懸念，理論學習時帶著問題追問和比較，把驗證性實驗轉變為探究性學習。

2.建好虛擬仿真實驗教學。對于在經過多種方式深度挖掘出來的實踐項目，尤其是受實踐條件等各種因素限制無法開展現場教學的項目，則充分利用現代先進技術，通過虛擬仿真實驗教學項目建設，來完成實踐教學。虛擬仿真實驗教學可以加深學生對基本原理及實驗操作步驟的認知和理解，解決傳統實驗中解決不了的問題。[2]

(五)做實考核方法的高階性

形成以考核能力為核心的綜合性評價方式，應綜合考慮實踐表現、課堂提問、小組研討、實驗報告，實驗項目的高階性和創新性等因素來綜合評價學生成績。