材料力學教學實踐中學生高階性思維培養

廖建興 王宏 周慶

摘? 要：材料力學是工科專業的基礎課程，其特點為理論性強、數學分量重，與生產時間聯系緊密，是培養學生高階性思維的理想課程。在材料力學教學實踐中，應注重構建知識體系的高階性、增強理論與實踐結合度、提升教學內容的高階思想性，著重培養學生對問題分析、評價、創新能力，提高材料力學課程高階性。

關鍵詞：材料力學；高階性思維；教學改革

中圖分類號：G42? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2023）20-0071-04

近年來，教育部越發重視本科教育的全面發展，發布了《關于一流本科課程建設的實施意見》（教高〔2019〕8號）［1］和《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》（教高〔2018〕2號）［2］，指出了課程是人才培養的核心要素，課程質量將直接決定人才培養質量。提出了“兩性一度”的一流課程建設任務，即致力于提升高階性、突出創新性、增加挑戰度，打造“金課”，切實提升課程教學質量。材料力學作為力學體系中的基礎課程之一，與工程實際聯系緊密，是培養學生高階思維能力的理想課程。但當下材料力學教學實踐側重于基礎概念與數理知識的通識性介紹，缺乏與工程實際的聯系，無法使學生對課堂產生興趣，造成基礎掌握不牢固，知識點理解不深。為此，本研究通過對材料力學教學實踐與方法探討，旨在提高學生理論聯系實踐的能力，培養學生的高階性思維，提升材料力學課程的高階性。

一、高階思維能力

目前，全球各國科技與經濟競爭激烈，歸根到底是各國青年人能力的競爭。世界范圍內的科技飛速發展，加速了知識與技術的迭代，對新知識學習能力與知識的綜合運用能力也提出了新的要求。因此，需要突破傳統的以教師為主導、知識單向、模式化地灌輸給學生的講授式教學模式，轉向處理復雜任務和信息的思維方式訓練。在高等教育中引導學生從記憶、理解知識的低階思維，轉向分析、綜合、評價各類信息的高階思維是新時代創新教學模式、提升人才素養的重要環節。

思維方式可以分為高階思維技巧（HOTS）和低階思維技能（LOTS）［3］。低階思維技能（LOTS）通常指簡單記憶，而高階思維技巧（HOTS）則包含對知識的綜合、分析、推理、理解、應用和評估。高階思維技能在低階記憶學習基礎上有著更深層次地延伸與拓展，學會從不同角度提出、分析、解決問題。學生的高階思維并非與生俱來的，需要在教學設計與教學實踐中訓練、引導。在材料力學中，學生低階思維能力即記憶、理解與應用等能力，與之相對應的材料力學教學目標包括對基本概念知識點的理解、簡單例題的判斷與計算等。高階思維能力包括分析、綜合及評價的能力，與之對應的材料力學教學目標包含數學建模、理論聯系實際的能力、問題歸納總結的能力等。

材料力學知識點具有面廣、點多且分散等特點，易造成學生核心知識掌握不全不牢，難以形成聯系整體全局的知識構架體系。目前材料力學教學實踐常常與生產實際脫節，落入簡單概念灌輸與理論推導的淺層，無法將復雜的概念理論聯系實際生產，學生提不起興趣，陷入簡單機械性地重復記憶，無法融會貫通，更難以應用于解決實際問題。課堂作為大學育人的主要場所，將思政元素融入教學實踐中，有助于立德樹人的潤物細無聲。但是如何將思政元素有機、科學地融入材料力學仍是一個值得探討問題。高階課程建設以學生為對象，以材料力學為載體，以培養學生高階性思維能力、創新能力、理論聯系實際能力為目標。

二、材料力學教學實踐中學生高階性思維培養探索

（一）構建高低階協調的知識體系

材料力學是力學基礎課程之一，其知識體系偏重于基礎理論與數學推導。由于教學內容較廣、概念繁多、學習難度較大，使學生易陷入枯燥的學習狀態。如采用平鋪直敘的教學方式，學生較難理清知識脈絡之間的內在聯系，最終陷入低階的簡單記憶中。為實現學生學習能力從低階到高階的跨越，在教學設計中首先需要建立清晰的知識脈絡與結構體系，明確高低階目標對應的教學內容。教學實踐中從簡單到復雜、從低階到高階，循序漸進、不斷引導，扎實基礎，逐步提升高階性。

教學設計中，清晰的知識脈絡有助于教學展開。本文采用“1+4”結構梳理知識脈絡［4］，即圍繞核心概念引申出“概念來源、相關概念、概念應用、概念拓展”四個重點要素。并依據四個重點要素分別拓展更廣的概念、方法、思想、哲理等方面知識。如圖1所示，針對材料力學中拉伸、壓縮、剪切等核心概念，其基礎理論是胡克定理，又可以引申出包括軸力、內里、壓桿變形、強度條件、安全因素等相關概念，可應用于強度校正、截面設計、材料選用等方面，拓展概念包括屈服極限，卸載硬化等。“1+4”結構可以較好地分清高低階教學內容、能過清晰展示出知識點間的內在聯系。

培養學生邏輯思維高階性，要引導學生主動思考，主動去發現知識體系中各個理論之間的聯系與差異，由簡及繁，對進行升級式學習，及時對所學知識進行復習，從溫故知新中深化對基礎知識的理解。教師要對知識體系做進一步整合，同時在課程中融入一些與貼近教學內容的技術難點與科研最新進展，并運用已學的知識點進行簡單的推演與解釋，激發學生進行更深層次的思考。問題的討論可以在不同層次展開并關聯教材的多個章節，便于學生進行概念辨析和知識體系構筑。培養學生對知識理解的綜合能力，提升學生對高階技巧的掌握。

（二）增強理論與實踐的結合度

材料力學是一門實踐性很強的工科課程，其知識體系與工程實際聯系緊密。但由于工程中實際問題影響，參數較多且分析過程較復雜，更適合課程背景介紹，不宜直接作為課堂教學深入研討的內容。通常，需要對復雜的模型進行簡化建模，而教學實踐過程中常常忽略了其所在的工程背景，使學生只簡單關注了問題求解，而無法將其反饋到工程實踐中，達不到訓練理論聯系實踐的能力。增強理論與實踐的契合度，有效提高學生學習熱情，充分調動學生學習的主觀能動性，培養學生高階性思維。

為增強理論與實踐的結合度，教學案例應從實際工程背景、簡化力學模型及關鍵問題三個維度展開，三個維度相互關聯，能訓練化學生理論聯系實踐的能力，提升學習興趣。

例如，為應對鋼軌熱脹冷縮而設計的鐵路軌道伸縮縫，可以簡化為兩端位移受限的變形力學模型，然后在不同條件下求解具體問題，再將結果反饋到工程實際中，如圖2。

從周圍環境引入教學案例。來自學生周圍環境的案例更容易讓學生快速帶入角色，引發思考。以教室內投影儀安裝為例［5］，在教室里安裝設備需要考慮哪些可能出現的問題？如果在吊燈設備型號、自重等已知條件下又該如何選擇吊桿？選擇吊桿時要考慮哪些因素，選擇什么材料？如何確定吊桿截面形式和截面尺寸？通過設置層層遞進的問題，將實際問題簡化成數學模型，進而解決實際問題。從所學的專業引入案例，專業相關的案例更能引發學生共鳴，以土木工程專業為例，貴州赫章特大橋位于畢節至威寧高速公路，擁有亞洲第一高墩大橋，其中最高橋墩高達200米，此處山風很強勁，經常風力在六級以上，最大風力時速超過每秒30米。在風荷載作用下，高橋墩會發生變形量有多大？通過簡化計算模型，假設風荷載是均勻分布，橋墩內撓度與最大變形量。由于最大變形量交小，肉眼較難觀測，進一步引出橋梁變形測量方法。隨著計算技術發展，當下可以采用虛擬現實等教學手段，引入更多生活中的實際工程案例如教學，比如吊車繩索、斜拉橋的斜拉桿、千斤頂、活塞桿等。

（三）提高內容的思想性

立德樹人是教書育人的根本，課程思政則是落實立德樹人的關鍵舉措。將思想政治元素合理融入材料力學課程教學，在授業解惑的同時，啟發學生的思想，達到潛移默化、潤物無聲的效果。在教學實踐中加強對學生的思想教育，引導學生樹立正確的三觀，堅定理想信念，增強文化自信，投身祖國現代化建設［6］。土木工程專業的材料力學課程中融入的思政元素可以從發展歷史、科學人物故事、工程事故及近代建設成果等四個方面展開。

我國很早就有與材料力學相關的文字記錄。東漢經學家鄭玄提出的“假令弓力勝三石，每加一石，則張一尺”，是最早有關弓的彈力與弓的變形成正比關系的描述。在工程建設方面取得了卓越的成就。例如建于隋朝時期河北趙州橋，歷經一千四百余年，至今昂然挺立。世界三大奇塔之一的山西應縣木塔，不費一釘一鉚，卻屹立數百年。都江堰兩千多年依然灌溉著著天府之國的成都平原。通過引入我國歷史案例，突顯中國文化，不斷增強學生的文化自信。

作為材料力學科學人物之一的歐拉以頑強的精神與驚人的毅力，甚至在雙目失明的情況下，仍然堅持科學研究，在數學（數學分析、變分法、拓撲學）和力學（固體力學、剛體動力學、流體力學）等諸多領域都有著開創性貢獻。中國現代橋梁之父茅以升與錢塘江大橋修建、炸毀、重建的故事也體現出科學人物為科學而獻身的精神，家國情懷取舍大義激勵學生獻身科學研究。

改革開放以來，我國基礎建設取得了突飛猛進的成就，有“基建狂魔”之稱。在已建成的許多世界級大橋中，世界十大跨海大橋榜首是我國的港珠澳大橋，全球十大最高橋梁首位是位于我國貴州省六盤水市的北盤江大橋。中國高速鐵路、高速公路建設方面也取得了舉世矚目的成就。將國家重大工程建設和科技進展融入教學活動中，能拓寬學生視野，培養學生的大國工匠精神和民族自豪感。

工程事故的案例不勝枚舉。加拿大魁北克橋發生的兩次重大事故，第一次事故是因為忽略桿件屈曲造成了橋梁坍塌，第二次事故則是由于壓桿失穩而引起橋體全面坍塌，共造成74名建筑工人死亡。1940年11月7日，美國華盛頓州塔科馬橋因剛度不夠，劇烈的大風下，橋面扭曲變形過大致毀。上述事故的原因包含著強度、剛度、壓桿失穩等在材料力學知識點。通過引入工程事故案例分析，既能加強學生對知識點與實際工程息息相關的認識，又能起到警示作用，樹立學生的職業精神和社會責任感［7］。

（四）提高教學高階性策略

在完成材料力學的內容高階性與思想的高階性構建后，教學策略也需完成適應高階性思維培養的提升。教學中培養大學生的高階性思維能力的教學策略包括支架式教學、啟發式教學、項目式教學、構建協作教學與多遠反饋策略［8］。

在支架式教學策略中，需要教師基于前期學情進行分析，在教學實踐過程中逐步地引導和幫助學生搭建學習支架。研究表明，供合適的“支架”對于促進發展大學生的高階思維能力培養有極大幫助。在啟發式教學策略中，教學實踐過程中需采用靈活多變的提問方式引導大學生的獨立思考，基于講授的基礎知識經驗，積極引導學生將知識遷移運用到實際工程問題中，加深學生工程聯系實際的能力。在項目式教學中，教師需首先與學生共同確立課程學習目標，通過布置遞進式的思維訓練任務，推動學生自主地運用以傳授的知識經驗去完成更為綜合的、結合實踐的任務或設計方案，最終完成一批反映全面學生知識貫通的作品。在構建協作學習策略中，教學實踐過程中采用差異分組或自由分組的方式，形成學習小組，通過小組的合作學習、交流、匯報展示以及相互評價等綜合方式，激發學生產生思維碰撞，培養學生團結互助、組織溝通、借鑒經驗并進行自我反思的多重效果。在多元評價反饋策略中，教學實踐結果評價采取多元視角，綜合利用多元化的評語和量化的數據評價方法，給予學生多維度的、全面的評價反饋，從而促進學生的自我反思和批判、創造性地改進學習策略和方法。

三、 結語

認知是一個過程，而不是一個結果。高等教育教學是讓學生建立知識體系的過程，對知識點簡單記憶法達到學習的目的，更注重培養學生高階思維能力，達到能夠運用所學的知識分析、提出、解決工程實踐問題。本研究從教學高低階協調知識結構體系、理論與實踐結合度、提升教學思想性三個方面探討了如何結合材料力學培養學生的高階思維能力。在材料力學課程教育過程中注重學生高階性思維的培養，激發學生的學習興趣，引導學生自主思考，讓學生從根本上理解知識、建立完整的知識體系，從而能夠更好地應用知識，最終達到提高教學質量的目的。材料力學課程的高階性應以培養高階性思維能力為導向，以學生為中心，不斷完善過程評價，持續改進，最終實現高階性課程建設。

參考文獻：

［1］ 中國政府網. 教育部關于一流本科課程建設的實施意［EB/OL］. （2019-10-24）. https：//www.gov.cn/gongbao/content/2020/

content_5480494.htm.

［2］ 教育部關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見［EB/OL］. （2018-09-17）. https：//www.gov.cn/zhengce/

zhengceku/2018-12/31/content_5443541.htm.

［3］ 付海東，杜偉. 高校學生高階思維能力培養策略研究［J］. 長春大學學報（自然科學版），2015（05）：110-112.

［4］ 韓美東，何巍，王娜. 基于“四維統一”模式的“材料力學”教學改革探索［J］. 教育教學論壇，2021（45）：63-66.

［5］ 趙春香，于月民，蓋芳芳. 材料力學案例教學的實踐與研究［J］. 大學教育，2015（10）：148-149.

［6］ 鄧愛民，王向東，殷德順，等. “材料力學”課程思政元素的探索與融合［J］. 教育教學論壇，2021（50）：89-92.

［7］ 向長奎. 材料力學教學利用工程事故教書育人的探討［J］. 山西建筑，2007（28）：229-230.

［8］ 張露. 面向大學生高階思維培養的教學策略模型建構與效果檢驗［D］. 上海：上海師范大學，2021.

（薦稿人：安永日，貴州大學副教授）

（責任編輯：淳潔）

基金項目：貴州大學教改項目“新時代土力學‘課程思政課堂教學設計與實踐研究”（項目編號：XJG2022003）。

作者簡介：廖建興（1991—），男，博士，貴州大學土木工程學院講師，研究方向為巖石力學與滲流；王宏（1992—），男，博士，貴州大學土木工程學院講師，研究方向為地質災害；周慶（1997—），女，碩士在讀，貴州大學土木工程學院，研究方向為巖土工程。