新工科背景下材料力學課程的思考與實踐

王麗君 于麗波

(南京航空航天大學金城學院航空運輸與工程學院，江蘇 南京 210000)

學習是基于教師指導下的發現，而不是信息的傳遞[1]。隨著時代的進步與發展，在當今信息化的大時代背景下，傳統的講授方式已經無法滿足學生對知識的需求，更無法滿足社會的需要。為此，必須做出改革，我們應該把“授人以魚”變成“授人以漁”。“授人以漁”則是以掌握方法為核心，以解決問題為目的，以師生合作為特點，激發學生去主動獲取知識，并且能夠靈活應用已學知識，從而解決工程實際問題[2-3]，旨在培養具有創新精神和實踐能力的應用型人才，在整個教學過程中架起了知識教育和素質教育的橋梁，同時也促進了教師的研究型教學與學生的研究性學習[4]?；谀暇┖娇蘸教齑髮W金城學院土木工程專業材料力學課程教學的實踐經驗與反思，從教學內容、思政元素、實踐教學、教學方法和課程考核等方面入手，進行方法總結和提煉，其成果可為同類院校土木工程類相關專業課程教學改革提供一些參考和借鑒。

1 課程內容

材料力學是一門理論性較強的學科專業基礎課，與理論力學一起共同構成其它各門力學課程的基礎，同時也是其他專業基礎課和專業核心課之間緊密聯系的紐帶，是理論與實際工程緊密結合的橋梁。本課程的任務是使學生掌握受力構件變形及其變形過程中構件內部應力的分析和計算方法，掌握構件的強度、剛度和穩定性分析理論在工程設計、事故分析等方面的作用，為構件的經濟合理設計提供必要的理論基礎和計算方法，并為學好有關的后續課程打好必要的基礎。課程不僅要實現知識傳授和能力培養的教學目的，從學生的思想態度、學習能力、綜合素質全方位的實現知識傳授、能力培養和思想育人有機結合的“三位一體”的課程教學總目標。

2 現有問題

由于材料力學理論性較強、概念抽象、公式推導復雜，教材中的章節劃分順序使知識點變得較為散亂，缺乏聯系，加上長達64課時的學習，學生很容易學習了新知識忘記前面章節的內容，對整個材料力學知識框架的建立和知識的掌握非常不利。在目前社會傳統教育整體缺失的大環境下，工科學生的人文情懷更顯匱乏，盡管他們思維活躍且自學能力強，但是理論聯系實際的運用能力相對欠缺，需要加大實踐教學和案例教學的力度。目前土木工程專業課程從第3學期開始，材料力學是土木工程專業學生進入大學以來初次接觸的較有難度的專業基礎課程，遇到理論性強或沒有興趣的知識點，上課很容易走神。

3 改革創新

3.1 教學內容

教學中發現，如果按照教材順序進行，則對每種基本變形重復“外力—內力—應力—變形—強度校核”這一過程，教學過程單一，容易使學生對后面的學習失去興趣，也不利于知識的全面掌握。因此，對課程內容進行重新整理和排序，對不同的基本變形(拉壓、扭轉、剪切、彎曲)按照“外力—內力—應力—變形—強度校核—超靜定結構”這一思路進行串聯，例如，同時把拉壓、扭轉、剪切、彎曲的內力放在一起講解形成對比教學。通過對比有利于學生快速掌握相關知識點，同時還可以達到以此類推，舉一反三的效果，留出更多課時進行實踐教學。再者，將第八章組合變形及連接部分的計算放在第七章應力狀態和強度理論之前，將附錄Ⅰ截面的幾何性質放在第四章彎曲應力之前，作為一章獨立的內容進行講解。利用中國大學MOOC(慕課)、英華課堂等線上課程資源，作為教學補充和擴展，并于2022年建設《材料力學》微課程，獲校級重點教學項目，為學生提供有針對性的線上教學，微課程言簡意賅，學習環境無約束，隨時隨地點開即可學習。

3.2 課程思政與工科知識有機融合

材料力學開篇緒論對材料力學的任務、基本假設、研究內容做了簡要闡述，其中材料力學發展概述尤為重要，也是非常好的思政切入點，進一步說明了材料力學的重要性。講授緒論課時結合材料力學力學發展史，明確執著、創新、求真、務實、協作的科學精神；結合古今中外一些重大工程中力學原理運用，明確學好《材料力學》對學好專業課程重要性；結合《中國制造2025》和中國政府的“制造業強國戰略”，引導學生樹立遠大理想和愛國主義情懷，對相關思政元素熟記于心，在整個教學過程中，無論是理論教學還是實踐教學，適時融入。

3.3 工程實例與理論知識相結合

對于理論性比較強的課程，實踐教學無疑是重點，也是難點，在理論教學設計中注重知識與工程案例的結合。在課程開始導入工程事故案例，提高學生運用所學知識來分析實際工程問題的能力，并在分析工程實際問題的過程中，使學生逐步建立起辯證的工程科學觀，通過貼近生活的例子，使學生直觀感受到材料力學的魅力。

針對土木工程專業，為了更好培養大學生的創新意識、合作精神和工程實踐能力，教育部在2007年設立了大學生結構設計競賽，并逐步形成了國家級、區域級、省級、校級的多層次賽事，促進了高校的創新教育與實踐教學改革[5-8]。國內諸多高校對于結構設計競賽的模式及試題進行了較為廣泛的討論[9-10]，并與教學改革相結合，進行了多方面的探索與實踐[11-12]。本著以賽促教，以教促賽，兩者相輔相成，力求成效最大化，故成立土木工程創新工作室，作為專業實踐教學平臺，充分實現課上與課下學以致用。經過教師指導—學生討論—動手操作—實踐檢驗—解決問題，整個過程激發了學生主動學習的熱情，培養學生發現問題，研究問題的興趣。

3.4 學生為主體以及教師為主導

整個教學過程中注重學生的思考、交流，運用啟發式教學，合理利用暫停給予學生思考時間，不講過深過寬泛的內容。特別是對一些重要的概念進行反復提問，同時潛移默化地將新舊知識進行關聯，多次梳理知識框架，使學生明確材料力學這門課程的學習目標和任務，時刻清晰記憶課程知識框架。針對不同基礎的學生采取有差別的教學方案，注重課下輔導與答疑，在作業的安排上遵循因材施教，對于基礎薄弱學生則布置一些基礎概念和例題，對于程度較好，有考研需求的同學則在兼顧基礎的同時側重一些歷年真題和拔高題，對于熱衷參與競賽對結構分析有需求的同學，引入數值模擬分析教學，有針對性地進行軟件指導。

3.5 教學方法

教學方法和手段上主要體現在以下幾個方面。

1)課前回顧：以提問的方式引導學生復習前期所學的知識，緊接著提出本次課的內容，提高前后知識之間的銜接度和學生的課堂參與度。

2)導入階段：結合工程實例，闡述結果，強調本章節的重要性，結合案例融入思政元素，激發學生探求問題的好奇心。

3)提出問題：通過對一些簡單結構構件的設計計算，使學生深刻認識到校核構件的強度、剛度及穩定性是進行結構設計計算的關鍵條件。

4)理論推導：利用網絡多媒體，并輔以板書對公式推導過程加以詳解，以引導提問為主，提高公式推導過程中學生的參與度，讓學生理解數學知識在整個分析過程中的應用，培養用數學思維解決工科問題的思維習慣。

5)回顧與總結：總結本節學習內容、學習重點，提出與下節課相關聯的課后思考題，促使學生去預習，為下一節課作鋪墊。

3.6 課程考核

課程考核包括期末考試和過程性考核兩部分。期末考核方法為閉卷考試，考試時間為120min，采用百分制，60分為及格，期末考試成績占總成績的50%。

過程性考核成績占總成績的50%，主要包含平時考勤、思想表現、作業成績、期中測試和階段性測驗。其中考勤占10%，思想表現占5%，作業成績占10%，期中測試成績占15%，階段性測驗成績占10%。思想表現主要通過平時與學生交談、學生的言談舉止、學生學習的積極性及主動性、課堂學習表現等方面進行評價。

4 教學成效

選取有關教學創新的典型8個問題，分別為問題1：按照“外力—內力—應力—變形—強度校核—超靜定結構” 這一思路對課程內容進行重新整理和排序效果如何；問題2：課程思政與理論教學相結合是否合適；問題3：在課程教學中引入工程實例，是否幫助你更好的理解課程內容；問題4：“課前回顧—導入階段—提出問題—理論推導—回顧與總結”的教學方法，是否激發了學習該門課程的主動性和積極性；問題5：老師的教學手段運用如何；問題6：課程PPT是否清晰明了，生動易懂；問題7：《材料力學》的課程考核方案是否；滿意8：《材料力學》課程的總體創新性教學是否滿意。以問卷的形式發給學生，進行授課滿意度調研，問卷發出127份，收回118份。

從統計結果圖1可以看出，教學創新成果受到學生一致好評，平均滿意度達到94.48%，在調研的8個問題中問題8、問題2、問題4相對占比較大，分別為13.1%、12.8%、12.7%(見圖1)，說明學生對該教學改革總體較為滿意，特別是課程思政的融入和“課前回顧—導入階段—提出問題—理論推導—回顧與總結”的教學方法。

圖1 滿意度調研對比圖

從2020年開始進行教學改革后，學生的成績發生了大幅度變化。不及格率由2019年的55.46%下降到2020年的16.86%再到2021年的16.82%，良好率從17.64%上升到39.75%再到41.12%，優秀率則從9.24%上升到13.25%再到14.95%。不難發現通過教學改革大大降低了不及格率，有效提高了課程的通過率，同時大部分學生的成績都有了提高，良好人數增多(見圖2)。

圖2 2019-2021年學生成績對比圖

5 結語

通過以應用型高校為背景，以材料力學教學過程中出現的普遍問題為出發點，遵循“新工科”人才培養模式。通過一名高校教師的思考與實踐，從課程教學和課程思政兩方面詳細闡述了對于材料力學這門課程的創新性改革具體方案，同時對改革創新成果加以總結；對同類院校土木工程專業材料力學課程的教學改革有重要的借鑒意義。其次，為了提高學習的便捷性，在今后的教學過程中還需要繼續擴充和完善微課程的建設。