土木類本科專業(yè)材料力學(xué)課程教學(xué)創(chuàng)新探索與實踐

楊 磊，黃 文，楊向龍，王耀城

（深圳大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 深圳 518060）

作為一門面向土木類、機械類、交通類及材料類等工科類本科生開設(shè)的專業(yè)核心課程，材料力學(xué)是學(xué)習(xí)本專業(yè)諸多其他核心課程的基礎(chǔ)，在培養(yǎng)學(xué)生建立相關(guān)力學(xué)原理基本知識體系、識別和表達復(fù)雜工程問題、掌握現(xiàn)代實驗技術(shù)、學(xué)習(xí)工程倫理知識及構(gòu)筑職業(yè)責(zé)任感等方面有著重要的地位。

一、課程發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)目前普遍采用的材料力學(xué)教材、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和方法是在二十世紀五十年代蘇聯(lián)模式的基礎(chǔ)上建立起來的，通常存在以下教學(xué)“痛點”問題。

（一）以教師課堂講授為主的“滿堂灌、填鴨式”大班授課模式仍然是主流教學(xué)模式

教師只負責(zé)站在講臺上把書本的內(nèi)容灌輸給學(xué)生，學(xué)生只負責(zé)全盤接收老師傳遞的信息。教師對于課堂教學(xué)實時過程中學(xué)生掌握知識的情況、理解知識的深度、運用知識的能力并不關(guān)注，導(dǎo)致本應(yīng)相互促進、共同提升的“教”與“學(xué)”完全脫節(jié)。而學(xué)生由于中小學(xué)階段的學(xué)習(xí)慣性，對此類教學(xué)模式通常并無任何不適之處。

（二）課堂內(nèi)容重經(jīng)典，輕發(fā)展，結(jié)構(gòu)僵化，缺乏時代性和前沿性

傳統(tǒng)的材料力學(xué)課程內(nèi)容一般僅局限于處于線彈性、小變形范圍內(nèi)的各向同性金屬材料，顯然不能充分反映現(xiàn)代材料科學(xué)發(fā)展的特點。后工業(yè)化時代金屬材料的理論和工藝已經(jīng)基本成熟，研究對象必須適度拓展到現(xiàn)代先進工程材料（如復(fù)合材料、負泊松比材料、高強混凝土等）、新的強度準則、新的可靠性和優(yōu)化設(shè)計思想等。

（三）重公式定義背誦、輕知識架構(gòu)搭建

傳統(tǒng)材料力學(xué)課程教學(xué)普遍圍繞“拉扭彎剪”等四種基本變形逐一展開，該方式雖然便于教學(xué)內(nèi)容的組織與安排，但也在無形中割裂了學(xué)生的認知，容易導(dǎo)致死記硬背的發(fā)生，不利于學(xué)生認知結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的建立和邏輯思維體系的培養(yǎng)。導(dǎo)致經(jīng)常有學(xué)生在計算時出現(xiàn)了“張冠李戴”的笑話，例如使用“拉伸”的公式去計算“彎曲”的問題。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代教育教學(xué)理念結(jié)合信息化教學(xué)手段為解決材料力學(xué)課程教學(xué)中的上述“痛點”提供了必要的方法和工具。改革傳統(tǒng)教學(xué)方法、更新課程內(nèi)容、融入課程思政和提高學(xué)生綜合素質(zhì)的舉措勢在必行。

二、“以學(xué)生為中心，以成果為導(dǎo)向”的課程總體設(shè)計

針對上述具體問題，課程堅持“立德樹人”，貫徹“以學(xué)生為中心，以成果為導(dǎo)向”的教育教學(xué)理念，以密切聯(lián)系課堂教學(xué)與實際應(yīng)用為指導(dǎo)方針，以提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，傳授工程倫理知識，加強學(xué)生的世界觀、人生觀和價值觀的教育為根本目標，對課程的總體設(shè)計進行了調(diào)整。

（一）明晰課程定位

通過與本課程密切相關(guān)的先修、后續(xù)專業(yè)核心課程的教師團隊進行了深入討論并認真研判，明確課程在專業(yè)培養(yǎng)方案中的精準定位，繪制專業(yè)課程地圖，理清材料力學(xué)課程為后續(xù)課程所要提供的必備教學(xué)內(nèi)容，同時也對本課程的先修課程提出了明確的要求。

（二）修訂教學(xué)大綱

教學(xué)團隊從本專業(yè)學(xué)生的實際學(xué)情出發(fā)，仔細分析，認真研判，適度融合本課程內(nèi)容的學(xué)科前沿，貫徹少而精、量力性原則，修訂了新版教學(xué)大綱，并通過2 個學(xué)期的試用完善后最終定稿。

（三）有機融合專業(yè)知識與課程思政元素

授課教師通過組織研討、分享交流等形式，提高自身的思想政治素質(zhì)和教育意識，明確思政教育與課程教學(xué)內(nèi)容之間的關(guān)系。教學(xué)團隊將本課程的教學(xué)內(nèi)容劃分為五種類型，將可能涉及的思政元素劃分為六種類型，并設(shè)計出合理的對應(yīng)關(guān)系，如圖1 所示。從教學(xué)內(nèi)容自然引出思政元素，以期達成思政教育“潤物細無聲”的目的，踐行“立德樹人”的根本理念。

圖1 教學(xué)內(nèi)容與思政元素的對應(yīng)示意圖

三、具體創(chuàng)新舉措

經(jīng)過多年的探索與實踐，本課程在教學(xué)中多措并舉，對傳統(tǒng)的教學(xué)方式進行了大膽的改革與創(chuàng)新，具體實施如下。

（一）改進課程教學(xué)模式

為了提升學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中的主動性和積極性，申請人積極探索并使用多種教學(xué)手段和方法（表1），力爭改進傳統(tǒng)的教學(xué)模式，打造線上線下、課內(nèi)課外一體的混合式教學(xué)模式，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力，提升教學(xué)效果。

表1 教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計與所用信息化工具

（二）積累教學(xué)資料、豐富教學(xué)儲備

在教學(xué)改革不斷深入、教學(xué)方法不斷創(chuàng)新的環(huán)境下，豐富的教學(xué)資源尤為重要。需要教師長期不斷地創(chuàng)編和積累教學(xué)資源、豐富教學(xué)儲備、服務(wù)課堂教學(xué)并提升教學(xué)質(zhì)量。

在精品資源共享課、省在線開放課程等項目的支持下，本課程教學(xué)團隊主要成員自2015 年開始，持續(xù)自行編寫并逐步完善PPT 課件、課程網(wǎng)站、預(yù)習(xí)報告、實驗指導(dǎo)書、實驗報告、實驗錄像、教學(xué)動畫和試題習(xí)題等。

在課堂講授中適當結(jié)合動畫來安排教學(xué)過程，不僅能夠有效吸引學(xué)生注意力，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，還能針對一些相對較為復(fù)雜的知識點或難以想象的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)起到易于理解和化難為易的作用。課程團隊通過自行制作或聘請專業(yè)動畫制作團隊的方式，為本門課程制作了數(shù)十個直觀生動、制作精良的動畫，極大提升了學(xué)生們的學(xué)習(xí)效果。

如圖2 所示，在試題習(xí)題的創(chuàng)編上，教學(xué)團隊秉承“理論聯(lián)系實際”的基本思想，引導(dǎo)學(xué)生靈活運用所需知識，力爭融會貫通。在訓(xùn)練學(xué)生熟練運用基本理論的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的思維能力，幫助學(xué)生明確“有什么用”“怎么用”的關(guān)鍵問題，體現(xiàn)課程的“高階性”。

圖2 創(chuàng)編的典型習(xí)題

（三）教學(xué)內(nèi)容的更新與編排

1.強化不同核心課程的有機聯(lián)系

作為一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在教學(xué)內(nèi)容的編排上必須要從專業(yè)人才培養(yǎng)的高處站位，不同課程之間，特別是幾門關(guān)聯(lián)密切的核心主干課程的教學(xué)內(nèi)容必須形成一個完整統(tǒng)一的整體，強化各課程之間的有機聯(lián)系。不同課程各教各課，“各人自掃門前雪”的做法將對學(xué)生的學(xué)習(xí)起到非常不利的作用。為此，教學(xué)團隊多次組織本門課程的先修后修課程（如理論力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、混凝土設(shè)計原理、鋼結(jié)構(gòu)原理和土木工程施工等）的資深主講教師，共同探討材料力學(xué)所需先修課程的重要知識點，以及哪些知識點將在后繼課程中使用或進一步深化。如對先修課程理論力學(xué)提出加強平面任意力系知識點的學(xué)習(xí)，特別是平衡方程、力的平移與力系的簡化等知識點。后續(xù)專業(yè)核心課混凝土設(shè)計原理也提出材料力學(xué)應(yīng)強化“偏心壓縮”的概念，因此本課程在講授“組合變形”一章的“偏心壓縮”知識點時，通過展示混凝土設(shè)計原理中受壓構(gòu)件大偏心、小偏心、附加偏心距的工程實例來說明該知識點的實際應(yīng)用，為后續(xù)課程打好基礎(chǔ)。并引導(dǎo)學(xué)生思考兩門課程中同一知識點的差別與聯(lián)系，達到舉一反三的效果。

2.增加富有前沿性和時代性的教學(xué)內(nèi)容

隨著科技水平的日新月異，新型材料大量涌現(xiàn)并廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)當中，作為研究材料力學(xué)行為的基礎(chǔ)課程，研究對象僅局限于傳統(tǒng)的各向同性金屬材料顯然不能充分反映現(xiàn)代材料科學(xué)發(fā)展的特點。本課程在教學(xué)內(nèi)容的編排上，除了講授傳統(tǒng)的課程內(nèi)容之外，還適當增加了現(xiàn)代先進工程材料（如復(fù)合材料）、新的強度準則、新的可靠性和優(yōu)化設(shè)計思想等內(nèi)容的介紹。

在如講解“材料的基本力學(xué)性能”知識點時，在完成各向同性材料的力學(xué)性能介紹之后，利用C919 大飛機、復(fù)興號高鐵等大量應(yīng)用纖維復(fù)合材料替代金屬材料以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體增強減重的案例，幫助學(xué)生將各向同性材料的概念拓展到各向異性材料，如圖3、圖4 所示，體現(xiàn)課程的“創(chuàng)新性”，提高教學(xué)內(nèi)容的“挑戰(zhàn)度”，同時還能培養(yǎng)學(xué)生的民族自豪感。此外，還向?qū)W生展示授課教師主持的科研項目中所涉及的復(fù)合材料及力學(xué)性能特點，為學(xué)生將來的知識外延奠定基礎(chǔ)。

圖3 復(fù)合材料在C919 上的應(yīng)用

圖4 科研項目涉及的復(fù)合材料

授課團隊深度總結(jié)十多年教學(xué)經(jīng)驗，將本課程的所有教學(xué)內(nèi)容整理并制作成思維導(dǎo)圖，用A3 銅版紙彩色打印并在第一堂課發(fā)放給班級的每一位同學(xué)，幫助學(xué)生快速把握本課程的知識體系和知識框架，精準定位學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)目標。

（四）加強與學(xué)生的溝通交流

隨著現(xiàn)代化通訊手段的普及使用，學(xué)生在課下與教師的直接交流變得越來越少。為了更好地加強與學(xué)生的溝通，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和對教師的了解，本課程負責(zé)人在每個開課學(xué)期的中后段，都會專門安排出時間與授課班級的每一位學(xué)生進行一對一的交流。具體操作方式為確定時間表，每人10 分鐘，學(xué)生在指定時間前往教師本人的辦公室與教師進行一對一交流。交流內(nèi)容主要包括但不限于學(xué)生對本課程知識的掌握、學(xué)生對課程教學(xué)方法和手段的意見和建議、課程學(xué)習(xí)過程中的困難和困惑等。該措施自2019 年開始已連續(xù)實施了三個學(xué)期，效果顯著。在交流過程中學(xué)生們提出了非常好的意見和建議，對教師改進教學(xué)方法、提升教學(xué)質(zhì)量起到了極大的幫助作用。

（五）加強同行交流，努力取長補短

為了更好地學(xué)習(xí)兄弟院校的教學(xué)經(jīng)驗，課程負責(zé)人多次前往內(nèi)地知名高校的力學(xué)類國家實驗示范中心進行學(xué)習(xí)交流。通過拜訪實驗中心負責(zé)人和實驗指導(dǎo)教師，參觀實驗室，潛心學(xué)習(xí)，開拓視野。課程負責(zé)人還多次邀請校外專家來校指導(dǎo)，與課程教學(xué)團隊相關(guān)人員就材料力學(xué)課程的教學(xué)理念、教學(xué)設(shè)計等環(huán)節(jié)進行了深入的討論與交流。

此外，課程負責(zé)人及教學(xué)團隊成員長期積極報名參與教學(xué)研討、教學(xué)培訓(xùn)班和教學(xué)大賽等，苦練內(nèi)功，全方位、多角度的持續(xù)加強本課程教師教學(xué)能力培養(yǎng)，創(chuàng)新教學(xué)理念，提高教學(xué)水平。

（六）積極申報各級各類教學(xué)項目，撰寫教研論文

課程教學(xué)團隊歷年來積極申報各級各類教研項目和課題，旨在充分發(fā)揮教研工作對提升教學(xué)水平和人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要支撐作用，在課題研究中形成自己的特色，積累卓有成效的做法和經(jīng)驗，既推進了教學(xué)改革，豐富了研究成果，又顯著提升了教師自身的教學(xué)水平，為努力打造精品課程奠定了良好的基礎(chǔ)。

四、現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用

本課程基于“以學(xué)生為中心，以成果為導(dǎo)向”的教學(xué)理念，從多方面融合了現(xiàn)代信息技術(shù)，主要包括以下幾個方面。

（一）MOOC 平臺的推出

明確教學(xué)目標，融合豐富教學(xué)資源，集中優(yōu)勢力量推出符合本校學(xué)情的本課程MOOC 資源。該舉措可以幫助學(xué)生不受時間、地點限制進行自主學(xué)習(xí)，提高對基礎(chǔ)理論與實踐技能的認知和理解，提升學(xué)生獨立探究、創(chuàng)新創(chuàng)造的意識與能力。

（二）在線教學(xué)工具的引入

在教學(xué)過程中有效運用多種智慧教學(xué)軟件，如超星“學(xué)習(xí)通”、學(xué)堂在線“雨課堂”等，目前使用較多的是“學(xué)習(xí)通”。通過使用“課前推送預(yù)習(xí)”“隨堂習(xí)題”“隨堂小測”“隨機點名”“互動答疑”等功能，活躍了課堂氛圍，第一時間了解學(xué)生的知識掌握情況，有效提升了課堂教學(xué)效果。

五、成效與收獲

通過長期持續(xù)建設(shè)，本課程已擁有一流的教學(xué)團隊和豐富的教學(xué)資源，在突出技能培養(yǎng)、實踐滲透教學(xué)等方面做出了有益的探索，取得了明顯的成績。在長期教學(xué)實踐中形成了獨特的風(fēng)格，教學(xué)理念先進、方法科學(xué)、質(zhì)量高、效果好，得到眾多同行教師和專家的好評和認可，在同類課程中具有較大的影響力和較強的示范性。課程團隊所講授的材料力學(xué)課程一直深受學(xué)生歡迎，教學(xué)評價及課堂教學(xué)測評分數(shù)始終位居本單位前列。

古人云“教學(xué)相長”，教與學(xué)互相促進，教師與學(xué)生彼此成就，共同提高。未來，本課程將在教學(xué)創(chuàng)新方面繼續(xù)深入探索，努力打造“有知識、有溫度、有思想”的優(yōu)秀課程。