以學生為中心的材料力學課程教學創新改革

摘要：作為大多數工科類專業重要的專業基礎課程，材料力學旨在培養學生掌握扎實的基礎力學知識，具備將基礎力學知識與工程問題相結合以解決實際工程問題的能力。當前新一輪科技革命和產業變革蓬勃發展，新時代對掌握堅實力學基礎的高素質創新型人才提出了更高的要求，然而，傳統課堂吸引力不佳、學生缺乏學習興趣、分析解決問題的能力不足等問題存在于當下材料力學課堂中。因此，開展材料力學課程教學改革和探索，具有重要意義。在以工程教育認證為目標且基于OBE理念的課程體系改革背景下，以土木工程專業為例，通過對該專業材料力學課程知識模塊重組，將實際問題與工程案例引入材料力學的課堂教學，探索材料力學課程教學新模式。多種教學手段相結合，增強學生的學習興趣，讓學生成為學習的中心和主體，實現創新意識和實踐能力突出的新型人才培養目的。

關鍵詞：土木工程；材料力學；課堂教學；OBE理念；改革創新

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2024）05-0155-07

基金項目：山西省高等學校教學改革創新項目（重點）（J2017001）；山西省高等學校教學改革創新項目（J20220051）

目前，我國發展環境面臨深刻復雜的巨大挑戰。2020年9月11日，習近平總書記主持召開了科學家座談會并發表重要講話，在新的歷史條件下國家對科技創新作出了重大戰略部署，以“四個面向”為準則對科技創新提出了新要求，科學發展、科技創新在新時代被賦予了新的歷史意義。人才培養是實現科學發展和科技創新的重要渠道，而高等教育又是人才培養的關鍵。力學既著眼于科學又兼具工程屬性，運用科學的一般規律揭示蘊含在工程中的問題實質和定量設計準則，一直以來在工程類高等教育中占據著重要的地位[1]。材料力學在課程體系中通常扮演著“橋梁”的角色，是絕大多數工科專業從基礎課程學習向專業課程學習過渡的重要通道[2]。材料力學旨在促成學生掌握扎實的基礎力學知識，并能靈活運用基礎力學知識解決實際工程問題[3-4]。材料力學課程的學習對后續課程的學習及未來從事各行業的相關工作至關重要。為適應新時代對人才培養提出的新目標和新要求，材料力學課程教學創新改革勢在必行。

一、傳統材料力學課堂中存在的問題

教學改革以教學過程中存在的主要問題為出發點，只有認識到存在的問題，才能更好地分析問題，找到解決問題的途徑，從而更有針對性地進行以需求為導向的教學改革。通過參閱同類文獻及對實際教學過程中的體會，認為目前材料力學課堂教學中主要存在如下問題。

（一） 課堂吸引力不足，學生主動學習的熱情不高

材料力學同其他力學基礎課程一樣，傳統的課堂教學仍難以擺脫教師難教、學生難學的現狀[5]。有限的課堂教學中，教師多數在將基本原理和主要知識點按常規的課程章節順序和講授邏輯陳述給學生，因此傳統的以“灌輸”式的知識傳授為主的教學模式，仍然普遍存在于課堂教學，然而，晦澀難懂的基本原理、枯燥陳舊的知識內容難以激發學生的學習興趣，這些問題直接導致了學生對材料力學課程的興趣不高、學習動力不足，對于成長在移動互聯網時代的大學生，這一現象更為凸顯。學生對知識和內容的理解不深刻，繼而影響學生思考及解決問題的能力，嚴重影響了其創新意識和實踐能力的培養[6]。

（二） 知識體系固化，課程內容推陳出新慢

長久以來，力學知識課堂教學體系固化、內容陳舊，整體推陳出新速度慢，技術與產業發展、近現代力學的新進展未能有效地融入力學基本課程，交叉學科中形成的新認識也未能有效融入力學學科，以人工智能為代表的新科技革命技術還沒有在力學的知識體系中引起足夠的共鳴。對于當代大學生，若課堂吸引力不能超越便捷而豐富的網絡和信息資源，授課效果將不盡如人意[1]。因此，在嚴謹的綱領下將教學變得有趣，實現教學內容的與時俱進，提高學生學習的自主性和學習效果的方法，均是當下從事基礎力學課程教學的教師應該深入思考的問題[7]。同時結合時代特征和力學學科發展規律，開展材料力學課程的教學改革和探索，具有重要意義。

（三） 課時不斷壓縮與課程內容無法割舍的矛盾凸顯

在總課程課時和學分不斷優化縮減的大形勢下，材料力學的課時也一壓再壓，目前我國《普通高等學校本科專業類教學質量國家標準》中，對土木工程專業材料力學的課時標準要求為“54+10”，即54個理論學時，10個實驗學時。然而，材料力學一線授課教師均有體會，基本變形、超靜定問題求解、強度理論、組合變形、壓桿穩定、能量法、動荷載，這些固有的教學內容均有先后邏輯關系順序，對于學生基本知識結構能力的培養和后續課程的銜接學習，任何一部分內容都無法割舍。盡管有中國大學慕課Mooc、雨課堂、學習通等線上學習平臺作為課前預習和課后鞏固的輔助教學手段，但學生繁重的課業任務、有限的課后學習時間、低效的學習過程和效果檢驗方法，對線上學習的成效產生較大影響。對部分自覺性差的學生，課堂上教學內容的調整和教學形式的變化反而導致了學習效果不盡如人意，無法真正發揮線上線下結合提高教學效果的作用。

二、以學生為中心的教學創新模式

進入21世紀以來，新一輪科技革命和產業變革蓬勃發展，對掌握堅實力學基礎的高素質創新型人才提出了更高的要求。針對目前土木工程專業材料力學課程教學過程中存在的諸多問題，在以工程教育認證為目標的課程體系改革背景下，本著“問題提出-思路啟發-主動思考-拓展應用-加深理解”這一基本思路，將傳統教學觀念以“教”為中心向以“學”為中心轉變，突出教學過程以學生為中心的教學創新模式。針對具體的教學內容設計，以上述基本思路為主線的教學實施過程，以實際問題為出發點引入專業概念和知識點，通過啟發和引導促使學生理解抽象概念，并主動思考以解決實際問題。在此基礎上，進行與章節教學內容相關的拓展訓練，讓學生在動手實踐的過程中動腦思考，主動嘗試，從而加深對基本知識內容和概念的理解，深化知識體系，達到靈活應用的目的。以上教學思路和創新模式的實施，不僅注重知識的傳授，還注重能力的培養；不僅強調基本原理的理解，還強調知識的拓展應用與創新思維的鍛煉。

此外，為實現基礎知識扎實、工程實踐能力和創新能力凸顯的人才培養目標，以OBE理念為根本，遵循“社會需求-培養目標-畢業要求-課程體系-課程目標-教學內容”的邏輯，重組材料力學的知識模塊，反向設計了材料力學的教學內容，如表1所示。

遵循以上教學創新改革理念，材料力學的課堂教學具有了更為明顯的特色和吸引力。團隊授課教師經常進行教學研討，搜集并交流與教學內容相關的具體案例，設計引人入勝的每課一問，通過設問的形式，引起學生對內容探究的興趣，繼而循循引入主題，引導學生積極思考，主動參與教學過程，將課堂教學由傳統的知識灌輸轉變為問題引導和主動求證的新模式。在課堂的教學組織中，豐富教學方法和手段，適時將情景教學、游戲教學融入課堂教學，采取多種教學手段相結合的方法，在很大程度上增強了學生的學習興趣，讓學生成為主體，主動求知，勇于實踐，知行合一。拓展應用采取小組討論的形式開展，學生根據教師提出的問題設計合理的實施方案，學習成果以項目展示、成果匯報等方式展現。這個過程對于學生很有吸引力，學生在認真準備的過程中不僅鞏固了基本原理和課程內容，加深了對理論知識的理解，還將理論知識與實際應用結合起來，啟發了思維，鍛煉了發現問題與解決問題的能力。此外，采取多方位、靈活和柔性的考評策略，強調學生在考評機制中的主體作用，不斷提高教學效果對培養目標的達成度，形成良性的閉環系統。

三、課堂教學創新方法體現及實施途徑

以“問題提出-思路啟發-主動思考-拓展應用-加深理解”為課程教學改革的基本思路，突出了教學過程“學生想、學生學和學生做”的創新教學模式，激發了學生主動學習的熱情，有益于學生創新意識和實踐能力的培養。

（一） 革新教學內容，提升課程教學吸引力

從實際問題及工程問題出發，通過先拋出問題的方式，引導學生對知識內容進行主動思考，并盡快進入教學狀態，避免了一味地知識灌輸，增強了課堂吸引力。將課程講授的主要章節內容與具體實際問題相結合，使學生將無感的應力、強度等概念與有感的事物或實例相結合，能更好地理解材料力學的主要內容和核心知識點。通過引入身邊的事物和實例，結合典型工程案例或實時案例，如暴雪后的頂棚坍塌事故，暴雨后古城墻的破壞，我國第一座魚腹式箱梁轉體橋的設計思路等，將課堂教學內容與生活實際相聯系，將基本知識、原理和公式的推導以實際問題的求解為前提，在學生已經主動思考的基礎上再進行系統講授，學生可切身感受如何應用基本原理解決實際問題，在教學過程中的參與度及主動性明顯提高。

（二） 合理組織實施課堂教學內容，活躍課堂氣氛

通過引出問題、思考問題、基本知識原理講述、分組討論、展示實施、總結點評等環節將教師教學和學生參與相結合，增強了教學過程中的師生互動，活躍了課堂氣氛。分組討論和展示實施將被動教學轉變為主動教學，將學習的主動權交給學生。學生在理解基本知識原理后，分組設計演示與教學內容相關的驗證試驗或應用實例，學生全程參與課堂教學，學習興趣油然而生。此外，理論知識的實際應用有助于學生思維的啟發和鍛煉，培養了學生發現問題和解決問題的能力，在交流展示的過程中，學生積極討論，互相學習，激勵自己不斷進步。

（三） 豐富教學手段，增進教學效果

在各教學環節的實施過程中融入情景教學、直觀教學及課堂研討等教學方法與手段，有助于學生對知識內容的深刻理解和拓展應用[8]。通過圖片、動畫、視頻等豐富的網絡教學資源，設置與教學內容融為一體的情景式教學，寓理于情。采用實體教具演示構件受到不同外力發生不同變形時其表面橫、縱向線段的變化，幫助學生理解變形幾何條件及平面假設。利用硅膠材質教具，講解矩形截面梁如何通過增大抗彎截面系數提高強度。利用壓桿穩定裝置的演示，幫助學生理解不穩定平衡狀態的概念。對一些重要的內容適時進行課堂研討，如相同的等邊角鋼組合成不同形式的組合截面，通過分組討論哪種形式的組合截面強度更高，并進行計算驗證，切實保障了每一位學生的課堂參與度。同時，將學生參與教學活動部分的情況計入考核內容中，不僅豐富成績構成，體現了過程考核，還激發學生課堂思維的活躍性，保證了教學效果。

（四） 思政融合專業，建立良好的師生關系，體現個性化教育

在日常教學過程中，融入思政元素，由授課教師針對近期社會熱點或課程前沿準備討論話題，引導學生參與討論，從而達到傳遞主流正能量，抨擊社會不良現象，幫助學生形成正確的世界觀、人生觀、價值觀的目的。通過幽默、巧妙的方式，利用網絡熱詞，適時將思想、文化及品德的教育與課程內容相聯系，如在講到提高梁彎曲強度措施這部分內容時，在理論上對同一截面矩形梁豎放和平放的強度進行比較后，提到“躺平”這一熱門詞匯。保證學生的注意力緊緊圍繞在課堂上，活躍的課堂氛圍會增進整個班級對課堂知識的獲取度。建立良好的師生關系對于學生提升學習興趣起到至關重要的作用，學生信任教師，愿意全力配合教師，課堂上會有非常強烈的聽課意識和表現欲，而教師也在良好的課堂氛圍中，全身心投入教學，這種雙向促進關系能將課堂講授的效果發揮得淋漓盡致，教師講課、學生聽課成為一種享受，教學效果自然提升。良好的師生關系，還體現在對每一位學生的了解和關心上。小班教學是必要的條件，通過穿插幾次隨堂測試，掌握每個學生的學習程度，一方面作為平時成績的部分依據，另一方面有助于教師針對性地對不同學習程度的學生進行有效輔導。

（五） 不斷更新教學理念，不忘教學初心

在教育教學活動中要體現以學生為中心，以學生為主體的模式，離不開好的教學設計理念。任課教師除了需要熟悉課程的知識點與知識體系、準確把握重點和難點，還要對教學內容的開展方式進行思考，選取合適的實例，合理地拋出設計的問題，既要抓住學生的眼球，又要與理論知識相聯系，起到銜接互補的作用。另外，要挖掘教學內容的深層次內涵，擺脫知識固化，超越現有的教學內容，引入與教學內容相關的力學新進展，甚至跨學科的內容等[9-10]。因此，教學團隊應常與兄弟院校的同行交流、探討，學習先進的教學理念，拓展思路。

教學改革與創新，必然對教師提出更高的要求，無論如何更新教育理念，作為課堂教學的主要責任人，教師都應始終不忘教學改革和創新的初心，這樣才能真正切實投入課堂教學，才能讓學生真正有所收獲。

四、教學創新案例與效果

以材料力學中的彎曲應力部分教學內容為例，說明材料力學課程教學創新和改革的具體實施過程。

（1）拋出問題。如“房屋結構中的梁，其橫截面是什么形狀？是豎放還是平放？為什么？”從身邊的小問題出發，學生通過觀察所在教室的梁，對提出的問題進行思考。在進行理論計算前，學生已有答案，問題會促使他們去思考。

（2）引用古今中外的事例。對問題進一步深入探討：①1103年，北宋著名建筑學家李誡在其所著《營造法式》“大木作制度”一篇中，對矩形梁的高寬比作了如下規定：“凡梁之大小，各隨其廣分為三分，以二分為厚。”即h/b=3/2。②伽利略在1638年出版的《關于力學和局部運動的兩門新科學的對話和數學證明》一書中，比較了矩形截面豎放和平放時懸臂梁的強度，得出了結論：“豎放時的強度要比平放時大，其比例等于寬度與厚度之比。”以上問題的提出與課程教學內容緊密切合，有助于引出學生對彎曲應力和強度的思考，激發了他們對原理性知識學習的熱情。同時從思政元素的角度，指出我國早于國外近半個世紀得到相同的結論，并以《大木作制度》為背景，引入土木工程規范，并強調規范的意義。

（3）循序漸進引入主要知識內容。前期的代入讓學生充滿興趣，而對問題的急于求證也促使學生饒有興致地聽完公式的推導，從而加深對知識的理解程度。講述過程中，為加深學生對彎曲應力分布情況的認識，隨機找一名學生在課堂上現場進行平板支撐，小臂和腳尖臨時構成了人體的支座，支座中間部分即為受彎的“梁”，在重力的作用下，應力分布表現為上部受壓，下部受拉，學生立刻心領神會。情景式和游戲式教學方法的融入，讓課堂氣氛變得空前活躍，學生的注意力集中在課堂上。另外，還可以利用ABAQUS制作模型梁演示其變形和應力的情況，讓學生對內容有更為直觀的認識。

以往提高彎曲強度的措施一般需要講授一個課時，利用結余的課時讓學生開展分組討論和展示交流。首先，要求學生根據教師下發的材料制作規定長度的梁，截面形式由各組討論確定。其次，在課堂上進行分組展示并現場測試承載能力。最后，通過承受荷載的情況和梁的自重，評比設計方案。教師引導學生根據測試結果進行思考。這種啟發式、討論式的方法不僅加強了學生之間、師生之間的互動，增進了感情，而且引導學生對知識內容進行拓展應用，加深了對理論知識的思考。在該部分內容結束后，進行一次隨堂測試，填寫學生測試情況記錄卡，了解每個學生對知識的掌握程度。

與創新性教學模式相適應，改革傳統死板的考試考核方式。學生參與教學活動部分情況計入考核內容，將分組討論、成果展示、項目匯報和隨堂測試等計入總成績，采取多方位、靈活和柔性的考評策略，不斷提高培養目標的達成度，形成良性的閉環系統。

材料力學課程在遵循上述理念，開展教學改革實施后，學生的學習狀態有明顯改觀，成績也有所提升。圖1為對應教學改革實施前后，土木工程專業兩個年級的成績分布柱狀對比。由圖1可知，80分以上的人數大幅增加，不及格人數有所下降，直觀上表明教學改革的成效。

五、結語

以上關于材料力學課程教學的有關創新思想和改革措施，有利于提高學生課堂學習和動手實踐的積極性，提高教學質量。

（1）通過以目標為導向的基于OBE理念教學設計思路，重組了材料力學的知識模塊，反向設計了材料力學的教學內容。課程模塊內容更為合理，教學目的更加明確。

（2）通過探索分析實際工程問題激發學生的興趣，讓學生有機會運用所學知識解決實際問題，從而使其更有成就感。幫助學生更為直觀地了解和掌握材料力學的基本原理，加深對知識的理解和記憶，激發學生擴展課堂知識的熱情，理論聯系實際，提高學生的工程應用意識和創新性思維意識。

（3）學生在與教師的互動中增強了教學參與感，良好的師生關系促使教和學的良性循環。學生轉變思想，成為課堂的主體，學習的主動性提高，自主的探究能力提升，在思維啟發、語言交流、批判及創新等方面的能力均得到了鍛煉。

（4）創新型教學模式對教師提出了更高的要求，任課教師需根據專業特點挖掘更多的素材，在充分熟悉課程知識體系和教學目標的基礎上，花更多的精力進行教學設計，合理組織教學，繼續深入開展個性化教育，提升教育教學質量，適應新產業技術飛速發展形勢下國家對創新人才培養的需求。

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Student-centered teaching innovation and reform of mechanics of material

YANG Jing， BAI Yu， DENG Meilin， LIU Hong， NIU Xirong

（School of Electric Power and Civil Engineering， Shanxi University， Taiyuan 030013， P. R. China）

Abstract： As an important professional foundation course of most engineering majors， mechanics of material aims to train students to master solid basic mechanics knowledge， and have practical ability to integrate basic mechanics knowledge with engineering problems. At the present stage， a new round of scientific and technological revolution and industrial transformation is flourishing. Higher requirements are put forward for high quality creative talents with solid mechanics knowledge. However， some problems are still common， such as unattractive traditional classroom teaching， lack of interest in learning， and lack of ability to analyze and solve problems. Therefore， it gets great significance to carry out teaching reform and exploration of mechanics of material. Under the background of curriculum system reform which is aiming at engineering education certification and concept of OBE， the knowledge module of mechanics of material is regrouped， and practical problems and engineering cases are introduced into the teaching process. The new teaching mode is explored. A variety of teaching methods are used， and the students’interest in learning have been increased. Students gradually become the main body of learning， and the purpose of cultivating innovative talents with creative consciousness and practical ability can be achieved.

Key words： civil engineering； mechanics of material； classroom teaching； OBE concept； reform and innovation

（責任編輯 鄧云）