問題解析模式下案例教學與思政建設相融合的“材料力學”教學設計

趙靜,董菲,耿林

(安徽大學電氣工程與自動化學院,安徽 合肥 230601)

0 引言

“材料力學”是機械、智能制造、機器人等專業的一門重要的專業基礎課,課程內容涉及汽車、建筑、橋梁、航空航天等重要工程領域[1-3]。“材料力學”課程具有如下特點:材料力學是一門基礎學科,內容抽象,數理基礎要求高,晦澀枯燥,造成學生一定的畏難心理;課程內容較多,知識點分散,涵蓋材料的力學性能、桿件的基本變形和組合變形分析、強度理論、壓桿穩定分析、動力學分析等章節。針對上述特點,傳統的“材料力學”教學方法多側重知識的傳播,教師占絕對的主導地位,理論知識與工程實踐的有效結合欠缺,忽視了學生的能力與價值觀的培養。為提高學生分析和解決問題的能力,教師們嘗試了多種新型教學方法,如線上線下混合教學[4]、翻轉課堂[5]、案例教學[6]等。“材料力學”除了是一門基礎學科之外,還是一門應用性極強的學科。將實際工程案例與理論知識進行融合可大大提高學生的學習興趣及知識應用能力,因此案例教學在這些新型教學模式中尤為典型。

除了知識傳授和能力培養外,新工科背景下要求“材料力學”課程還必須注重學生價值能力的塑造。2020年5月28日,教育部印發《高等學校課程思政建設指導綱要》,指出落實立德樹人根本任務必須將價值塑造、知識傳授和能力培養三者融為一體、不可割裂。全面推進課程思政建設,就是要寓價值觀引導于知識傳授和能力培養之中,幫助學生塑造正確的世界觀、人生觀、價值觀。因此,如何在教學環節中融入思想政治教育內容,充分發揮課程育人功能,是現階段“材料力學”教學設計改革的重點關注問題之一。

為實現知識傳授、能力培養與價值塑造的有機統一,本文開展問題解析模式下案例教學與思政建設相融合的“材料力學”教學設計。根據學科建設和育人目標,制訂“材料力學”思政要素切入點,挖掘篩選帶有思政育人要素的案例資源。在案例教學中融合問題解析教學方法,互動教學,發揮學生的主動性,激發學習興趣,使學生在掌握基本知識理論的基礎之上,具備解決工程問題的能力,并樹立正確的價值觀,真正實現“價值塑造、能力培養、知識傳授”三位一體的育人目的。

1 問題解析模式下案例教學與思政建設相融合的“材料力學”教學設計

1.1 總體教學思路

問題解析模式下案例教學與思政建設相融合的“材料力學”教學思路如圖1所示。首先,確定“材料力學”課程的3個育人目標。知識傳授目標:培養學生的基本力學素養,掌握材料結構安全的基本理論和計算方法。能力培養目標:使學生具備分析、研究、解決復雜工程問題的能力。價值塑造目標:培養學生的創新精神、愛國情懷、民族自信心。其次,根據知識目標和價值塑造目標,確定思政要素切入點,并按照該要素篩選相關案例。然后,將問題解析和案例教學融合,結合育人目標提出對應案例的3類問題,通過問題解析,引發學生互動思考,實現知識傳授的同時提升實踐能力,培養創新精神。

圖1 總體教學思路

1.2 “材料力學”課程思政元素挖掘與案例教學

“材料力學”案例教學是一種開放互動式的教學方式。教師篩選合適的案例資料,指導學生課前學習,并組織學生開展分析或討論,結合理論知識、經驗、觀點的碰撞來達到啟示思維的目的。案例教學能有效地將理論知識與實踐相結合,有助于提高學生分析問題和解決問題的能力。

“材料力學”思政建設要求在將專業知識講解清楚的基礎上,還要找準案例教學環節中思政教育的著力點,將案例教學內容與思想政治教育融合為一體,凸顯價值認同、強化價值實踐[7]。根據“材料力學”課程特點,可以以學科發展與名人軼事、國內外時事熱點、國家的大工程建設、科技前沿發展與應用等4個方面為切入點充分挖掘相關的思政育人案例資源。上述思政要素切入點及其對應的價值塑造目標關系如圖2所示。

圖2 思政要素切入點與價值塑造目標

學科史與名人軼事。“材料力學”課程中的公式和理論的建立離不開學科的發展及科學家們的推動。在緒論和每一章節的引言中介紹學科發展歷史或科學家軼事,有助于激發學生的學習興趣。如:學習彎曲內力時,引入物理學家理查德·費曼的軼事“意大利面為什么不能被彎折成兩段,而是會斷成三段或更多段”,培養學生主動思考,刨根問底的科學精神;推導撓度公式時,引入我國著名力學家錢偉長的《寧波甬江大橋的大撓度非線性計算問題》中無任何參考文獻的討論和說明,引出錢偉長棄文從理、科學報國的經歷,使學生感受科學家的優秀品質和人格魅力,培養科學精神。

科技發展前沿。隨著人工智能、信息科學等新興技術的發展,借助新興技術整合試驗、計算、理論和數據科學,是推進“材料力學”學科發展的重要手段。如利用圖像測量技術代替傳統的試驗機分析材料的力學性能[8]。傳統材料的泊松比多為正值,隨著科技的發展,人們發現了負泊松比材料。科技發展前沿實例的介紹不僅可以拓寬學生的知識面,更能培養學生勇攀科學高峰的科學精神和創新意識。

國家的大工程建設。近些年來我國的基礎工程、軍事、航空航天建設日新月異,國家制作了一系列相關工程的紀錄片,如《大國工程》《大國工匠》《了不起我的國》等。借助此類實例可以培養學生的工匠精神,增強民族文化自信和榮譽感。

時事熱點。利用信息時代信息傳遞的多樣性和快速性,挖掘國內外最新的重點、熱點新聞中的力學知識,能夠培養學生的職業操守和憂患意識。如:講解桿件穩定性時,引入2020年3月7日泉州欣佳酒店坍塌事故;學習扭轉變形時,可以結合2019年10月10日無錫高架橋側翻事故分析扭轉變形的概念及其受力特點。通過這些時事熱點新聞,提高學生的社會責任感。

圍繞上述思政要素切入點,按各章節的知識目標和價值塑造目標,總結了一些對應的思政案例,具體如表1所示。

表1 “材料力學”各章節所對應的思政教學案例

1.3 問題解析模式下案例教學與思政建設相融合的教學方法

眾多實踐表明,適合的課程思政可以使課堂教學更加生動,幫助學生塑造正確的價值觀[9]。 但如果課程思政不能與課程理論知識有機結合,不僅不能達到育人目的,反而會適得其反,降低教學效果。因此,探索一種將案例教學、思政建設相融合的教學方法至關重要。

本文利用問題解析法,融合案例教學與思政建設,以實現價值、能力、知識三位一體的育人目的。問題解析法是在案例教學的基礎之上,通過案例學習,結合教學目標提出3類問題完成整個教學過程的方法。3類問題分為基礎問題、重點問題、拓展問題。其中,基礎問題對應教學目標的知識目標,重點問題對應教學目標中的能力目標,拓展問題對應教學目標中的價值培養。

圖3 問題解析法教學模式流程圖

問題解析法教學模式流程如圖3所示。首先,教師根據思政要素切入點及培育目標,篩選合適的案例,在課前通過雨課堂等網絡教學平臺將案例資料或視頻推送給學生觀看學習,并針對視頻提出上述所說的3類問題引導學生有目的、有針對性地進行思考,抓住學生的注意力,提高學習興趣。然后,鼓勵學生通過學習提出自己的問題,并反饋給任課教師。教師收集整理學生所提問題,并在課堂上進行互動答疑,引出此次課程的知識點、重點及難點內容。針對教學重點及難點,教師進行知識傳授,詳細解答。課堂教學結束后,學生利用思維導圖總結知識脈絡,并寫出自己的學習體會反饋給教師,從而進一步強化思政育人目標,使學生在掌握知識的同時,樹立正確的價值觀。

2 教學實踐與教學效果

2.1 教學實踐

以第五章《彎曲應力》中的提高梁強度基本措施為例,詳細闡述問題解析模式下案例教學與思政建設相融合的教學方法的實施過程。

首先,確定本節課的培育目標。知識傳授目標:掌握彎曲應力強度條件;能力培養目標:學生能應用彎曲強度條件進行梁的設計,培養學生分析并解決復雜工程問題的能力;價值塑造目標:培養學生的工匠精神、文化自信和榮譽感。

其次,根據培育目標,選擇國家的大工程建設作為思政切入點,篩選了港珠澳大橋橋面鋼箱梁的設計作為本節案例。將案例通過雨課堂推送給學生觀看學習,并提出問題解析法中的3類問題。①基礎問題:梁的變形類型、梁的簡化及基本類型、梁的內力情況;②重點問題:梁的彎曲正應力分布規律、梁的應力計算、梁的彎曲強度條件;③拓展問題:港珠澳大橋鋼箱梁設計的巧妙之處。

最后,對問題進行解析。基礎問題要求學生通過已學知識點進行回答,教師進行點評及糾錯。重點問題是本次課程的重點和難點,根據問題學生可以提前預習,教師課堂上重點講解此部分內容,通過理論知識的講解對問題進行解析。拓展問題討論,根據梁的強度條件,港珠澳大橋采用鋼箱梁結構的原因是保證梁強度的同時減少梁的自重。拓展問題的解析可以使學生體會到港珠澳大橋設計的合理性,增強學生的民族自豪感和自信心。

2.2 教學效果對比

為驗證實際的教學效果,對2020級和2018級安徽大學機械設計制造及其自動化專業的學生教學質量滿意度評價進行比較分析,如圖4所示。其中,2020級采用本文所提的問題解析模式下案例教學與思政建設相融合的教學方法,2018級采用的是單純的案例教學方法。學生評教分為能否激發學習興趣、課上互動答疑情況、教學資源是否豐富、重難點突出程度和價值與能力收獲5項。在教學資源相當的情況下,使用本文所提教學方法后,學生的學習興趣、課堂互動、學生收獲的滿意度都大幅度提高了,驗證了該教學方法在能力和價值培養上的有效性。

圖4 學生教學質量滿意度評價

為進一步驗證該方法在知識掌握程度上的優越性,對比分析2020級和2018級學生期末考試成績,如圖5所示。可以看出,采用本文所提方法后,60分以下的人數明顯減少,從50%降到了24.6%。60～89分的人數從34.2%增加到62.4%。由此證明,本文所提的問題解析模式下案例教學與思政建設相融合的“材料力學”教學方法在價值培養、知識傳播、能力培養方面的可行性。

圖5 學生期末考試成績分布

3 結論

綜上所述,問題解析模式下案例教學與思政建設相融合的教學模式既保留了案例教學在知識、能力培養上的優勢,又能引領學生的價值塑造。通過問題解析進行互動教學激發了學生的學習興趣。對比結果表明,該教學模式對“材料力學”在知識、能力、價值三位一體上的教學效果起到了積極作用。