以解決工程真實問題為導(dǎo)向的材料力學(xué)課程與科研融合教學(xué)改革探索

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.22.145

摘 要 材料力學(xué)課程的傳統(tǒng)教學(xué)重理論、輕實踐，難以發(fā)揮材料力學(xué)在工程中的應(yīng)用價值。鑒于此，提出以解決工程真實問題為導(dǎo)向的材料力學(xué)課程與科研融合的教學(xué)改革思路，從教學(xué)改革的特色與創(chuàng)新，教學(xué)改革內(nèi)容、目標(biāo)、方案等環(huán)節(jié)闡述課堂教學(xué)與科研融合的教學(xué)改革措施，培養(yǎng)學(xué)生對材料力學(xué)理論知識的學(xué)習(xí)興趣和科研探索精神，提高學(xué)生運用力學(xué)知識和建模思維提出問題、分析問題、解決工程真實問題的能力，同時優(yōu)化教學(xué)大綱、教學(xué)方法、考核方式等，達(dá)到較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 工程真實問題；材料力學(xué)；課程與科研融合；教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）22-0-03

0 引言

在黨的二十大報告中，習(xí)近平總書記指出：“必須堅持問題導(dǎo)向。問題是時代的聲音，回答并指導(dǎo)解決問題是理論的根本任務(wù)[1]。”這為我國本科教學(xué)改革指明了方向。材料力學(xué)是工程力學(xué)、土木工程、機械工程、航空航天工程等專業(yè)的一門基礎(chǔ)課程[2]。學(xué)好材料力學(xué)是這些專業(yè)的學(xué)生從理論邁向?qū)嵺`的基礎(chǔ)。材料力學(xué)是一門理論性較強的課程，其教學(xué)內(nèi)容涉及大量公式推導(dǎo)[3]。在傳統(tǒng)教學(xué)中，往往強調(diào)理論知識的傳授，而忽視與工程問題相關(guān)的教學(xué)環(huán)節(jié)的拓展，導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容與工程實踐之間存在脫節(jié)，未能滿足以問題為導(dǎo)向的教學(xué)需求[4]。然而教師所承擔(dān)的科研項目往往來源于工程真實問題，需要通過開展理論分析、實驗室實驗、數(shù)值模擬、現(xiàn)場測試等一系列研究來解決這些工程問題。本文針對當(dāng)前材料力學(xué)課程教學(xué)中的不足之處，提出將科研項目與教學(xué)內(nèi)容相融合的教學(xué)改革措施，旨在構(gòu)建一個既積極靈活又科學(xué)的材料力學(xué)課程與科研相結(jié)合的教學(xué)新模式。

在以問題為導(dǎo)向的教學(xué)背景下，對材料力學(xué)課程進(jìn)行教學(xué)改革，將科研問題融入實踐教學(xué)，積極探索適應(yīng)新工科人才培養(yǎng)需求的課堂教學(xué)管理機制、教學(xué)方法和教學(xué)手段，推動以人才培養(yǎng)模式改革與創(chuàng)新為核心目標(biāo)的綜合改革實踐。將材料力學(xué)的教學(xué)從傳統(tǒng)的課堂環(huán)境擴展到科研實踐，讓本科生直接參與科研。通過結(jié)合課堂理論教學(xué)和科研實踐教學(xué)，學(xué)生能夠親身參與科研過程，將工程問題作為學(xué)習(xí)的核心，學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體，而教師則扮演輔助和引導(dǎo)的角色。這種教學(xué)模式旨在實現(xiàn)理論與實踐的緊密結(jié)合，提高材料力學(xué)課程的整體教學(xué)質(zhì)量，同時確保課程的教學(xué)內(nèi)容能夠指導(dǎo)學(xué)生解決實際問題，最終目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生運用力學(xué)知識和建模思維提出問題、分析問題、解決工程真實問題的能力。

1 課程與科研融合教學(xué)改革的特色與創(chuàng)新

針對當(dāng)前材料力學(xué)課程教學(xué)中的不足之處，融合科研項目，采取積極靈活而又科學(xué)的教學(xué)改革措施，提高材料力學(xué)課程教學(xué)的整體質(zhì)量，使本課程的教學(xué)內(nèi)容能夠指導(dǎo)學(xué)生解決實際問題。

1.1 教學(xué)改革特色

1.1.1 適應(yīng)性廣，具有共性

分析以真實問題為導(dǎo)向的教學(xué)改革思路和方法，完善材料力學(xué)課程體系建設(shè)。注重加強學(xué)生科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，讓學(xué)生能夠解決復(fù)雜工程問題，為工程力學(xué)領(lǐng)域提供優(yōu)秀的專業(yè)技術(shù)人才。

1.1.2 多方視角，全面考慮

將真實問題導(dǎo)向、課程思政、新工科建設(shè)等要求引入教學(xué)改革，將三者的目標(biāo)全部融入教學(xué)大綱、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和考核方式的改革，提升新工科人才人文軟實力。

1.1.3 調(diào)查研究，鼓勵創(chuàng)新

通過大量調(diào)查研究，及時了解學(xué)生對課程授課方式和考核的想法。鼓勵學(xué)生參與教師的科研項目，參與研究創(chuàng)新，利用研究成果參加各類競賽，以賽代課，提高學(xué)生的組織協(xié)調(diào)能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

1.2 教學(xué)改革創(chuàng)新

在教學(xué)模式方面，結(jié)合真實問題導(dǎo)向、新工科人才培養(yǎng)特點，將材料力學(xué)課程教學(xué)與科研項目相融合。注重學(xué)生科研能力、歸納總結(jié)能力、提出問題能力和解決問題能力的培養(yǎng)，理論與真實問題相結(jié)合，以為工程力學(xué)領(lǐng)域輸送合格的專業(yè)技術(shù)人才為培養(yǎng)目標(biāo)。在教學(xué)過程中，廣泛應(yīng)用先進(jìn)的教學(xué)理念，逐步采用項目教學(xué)法、案例教學(xué)法、任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法等符合實際、滿足學(xué)生需要、新穎高效的教學(xué)方法。

2 課程與科研融合教學(xué)改革的內(nèi)容

以解決工程真實問題為導(dǎo)向，充分縮小材料力學(xué)基礎(chǔ)課與工程實際之間的差距，提高學(xué)生解決實際工程問題的能力，建立適應(yīng)社會發(fā)展的人才培養(yǎng)模式、課程體系、教學(xué)方法。主要從以下幾個方面提出具體改革措施。

2.1 教學(xué)內(nèi)容實用化

以真實問題為導(dǎo)向進(jìn)行課程內(nèi)容設(shè)計，順應(yīng)社會對應(yīng)用型人才的需求。以科研項目真實問題為切入點，并將解決真實問題貫穿整個教學(xué)環(huán)節(jié)，結(jié)合傳統(tǒng)理論教學(xué)內(nèi)容，強調(diào)理論聯(lián)系實際，讓學(xué)生在具體的問題情境中積極思考、主動探索，深化對相關(guān)理論知識的認(rèn)知和掌握程度，培養(yǎng)學(xué)生將實際問題抽象為力學(xué)模型的能力，發(fā)展學(xué)生的力學(xué)思維。

2.2 教學(xué)模式多樣化

在課堂教學(xué)中布置科研問題，充分利用小組合作學(xué)習(xí)、情境教學(xué)、實踐教學(xué)等新型教學(xué)方法，如設(shè)立“賈老師講堂”，體現(xiàn)“以生為本”和“理論聯(lián)系實際”的教學(xué)理念，讓學(xué)生親自講授解決真實問題的方法和過程，在促進(jìn)學(xué)生個性化發(fā)展的同時提升課程教學(xué)質(zhì)量。

2.3 科研實踐增強化

支持學(xué)生跨學(xué)科組建團(tuán)隊，以材料力學(xué)解決工程真實問題，開展大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃等科技創(chuàng)新性活動。鼓勵學(xué)生參與教師的科研項目，讓研究生“傳、幫、帶”本科生。增加實驗室開放時間，為學(xué)生提供實驗與創(chuàng)新空間，鼓勵學(xué)生進(jìn)行科研探索，以提高解決工程真實問題的能力。

2.4 考核方式多元化

變革傳統(tǒng)的考核方式，考核分階段并以多種形式進(jìn)行。降低期末成績占總評成績的比例，提高平時成績所占的比例。平時成績由真實問題考核（題目、來源、具體描述、解決方案）、科研訓(xùn)練、方案設(shè)計、專題研討、小組答辯等的成績組成，并采用合理的權(quán)重系數(shù)來處理平時過程性評價和期末結(jié)果性評價的關(guān)系。

2.5 融入真實問題思政元素

根據(jù)案例教學(xué)內(nèi)容設(shè)計思政要素切入點，采用隱性式或滲透式教學(xué)手段[5]，把專業(yè)知識點和人文素養(yǎng)結(jié)合起來。比如，對復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時，引入與材料力學(xué)知識相關(guān)的重大工程案例，如三峽工程、“兩彈一星”工程、航天工程等，引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)創(chuàng)造性思維、大國工匠精神。對工程事故發(fā)生的原因和產(chǎn)生的危害進(jìn)行分析時，培養(yǎng)學(xué)生愛崗敬業(yè)的使命感和責(zé)任感、精益求精的工程師素養(yǎng)，弘揚老一輩工程師所具有的中華民族傳統(tǒng)美德和民族精神。同時通過教師的以身作則、言傳身教，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)結(jié)合作精神，增強凝聚力。

3 課程與科研融合教學(xué)改革實施方案

材料力學(xué)課程與科研融合教學(xué)改革實施方案采用課堂教學(xué)和課下科研訓(xùn)練相結(jié)合的教學(xué)方式，如圖1所示。在課堂教學(xué)方面，依次進(jìn)行科研問題課程導(dǎo)入、科研問題多元分析、真實問題案例分析，將科研和工程真實問題融入課堂教學(xué)，使理論教學(xué)有的放矢。課堂教學(xué)對接課下科研訓(xùn)練，包括課外競賽與科研結(jié)合、理論學(xué)習(xí)與科研融合、課后輔導(dǎo)與答疑等教學(xué)內(nèi)容，使理論知識與解決實際問題相結(jié)合，發(fā)揮理論知識在工程問題中的實用價值。

3.1 科研問題課程導(dǎo)入

結(jié)合新工科建設(shè)、課程思政建設(shè)等，完善課程教學(xué)培養(yǎng)計劃。在課程內(nèi)容上突出科研，將理論課、實踐課有機結(jié)合，著重引入與材料力學(xué)相關(guān)的科研問題。比如在教授強度理論時，可引入礦山動力災(zāi)害發(fā)生等問題。

3.2 科研問題多元分析

采用多媒體教學(xué)方式，選擇運用動畫和視頻展示與材料力學(xué)相關(guān)的科研項目，拋出真實問題，通過動畫演示解決機理，將書本上晦澀難懂的理論知識以這種形式展示給學(xué)生，將理論學(xué)習(xí)與工程實際應(yīng)用密切結(jié)合起來。

3.3 真實問題案例分析

在課程設(shè)置中，廣泛整合工程真實問題與案例，促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容與“問題導(dǎo)向”“工程實踐”深度融合，幫助學(xué)生在抽象的理論知識與實際工程案例間建立聯(lián)系。比如，在教授材料失效分析時，鼓勵學(xué)生以校園健身器材為研究對象，對其進(jìn)行受力分析，計算相關(guān)健身器材的承載力并進(jìn)行校核計算。這一過程既幫助了學(xué)生熟練應(yīng)用所學(xué)知識，又能提高校園設(shè)施的安全性。

3.4 課外競賽與科研結(jié)合

以大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目或競賽為契機，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提升學(xué)生的理論應(yīng)用能力。比如，以“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽為平臺，將教師的科研課題作為比賽題目，將工程實際與理論學(xué)習(xí)密切結(jié)合，讓學(xué)生學(xué)習(xí)掌握立項論證、方案設(shè)計、實驗研究、數(shù)值模擬、大數(shù)據(jù)分析等技能，提高學(xué)生解決實際工程問題的能力。

3.5 理論學(xué)習(xí)與科研融合

以解決工程真實問題為導(dǎo)向的教育模式，就是培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。教師將相關(guān)科研項目中的工程真實問題發(fā)給學(xué)生，學(xué)生利用所學(xué)的理論知識設(shè)計解決方案，克服工程問題。教師鼓勵學(xué)生上臺進(jìn)行專題講解，再根據(jù)學(xué)生的講解情況進(jìn)行專業(yè)評析和補充完善。

3.6 課后輔導(dǎo)與答疑

為確保學(xué)生能夠充分掌握材料力學(xué)知識并有效解決實際問題，除課堂教學(xué)外，還應(yīng)重視課后的輔導(dǎo)和答疑工作。通過答疑，教師可以了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和科研能力，針對學(xué)生的情況及時進(jìn)行查漏補缺并調(diào)整培養(yǎng)方案，以進(jìn)一步提高學(xué)生解決實際工程問題的能力。

4 課程與科研融合教學(xué)改革解決的教學(xué)問題

4.1 教學(xué)與科研結(jié)合

在解決工程真實問題導(dǎo)向下，將材料力學(xué)課程教學(xué)與科研項目相結(jié)合，修改完善教學(xué)計劃和教學(xué)大綱，并對教學(xué)資源庫進(jìn)行整理完善，將專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求與工程問題有機結(jié)合。

4.2 教學(xué)方法的創(chuàng)新

探索新穎的教學(xué)方法，例如加入真實問題考核，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和解決工程實際問題的能力。

4.3 評價體系的建立

制定嚴(yán)謹(jǐn)、公正的評價標(biāo)準(zhǔn)，讓學(xué)生深刻認(rèn)識到考核不僅是對他們學(xué)習(xí)成果的檢驗，也是對他們創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的全面評估。

4.4 精神文化的滲透

將理想信念層面的精神指引做到“潤物細(xì)無聲”，在講解材料力學(xué)最新動態(tài)和發(fā)展方向的同時，培養(yǎng)學(xué)生攻堅克難的精神，幫助他們樹立解決重大工程問題的決心，增強社會責(zé)任感。

5 結(jié)束語

材料力學(xué)課程理論知識體系復(fù)雜，力學(xué)模型抽象難以建立。本文以深度融合工程真實問題為教學(xué)改革理念和設(shè)計模式，以學(xué)生為主體，以解決工程真實問題能力培養(yǎng)為目標(biāo)，將理論教學(xué)與科研訓(xùn)練相結(jié)合，將教師的科研項目引入教學(xué)，讓學(xué)生直接參與科學(xué)研究，使學(xué)生的學(xué)習(xí)由被動轉(zhuǎn)為主動，培養(yǎng)學(xué)生對材料力學(xué)的學(xué)習(xí)興趣和科研探索精神，提高學(xué)生運用力學(xué)知識提出問題、分析問題、解決工程真實問題的能力，幫助學(xué)生增強愛國情懷，達(dá)到了較好的教學(xué)效果。

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*項目來源：遼寧省科學(xué)技術(shù)廳博士科研啟動基金計劃項目“煤礦沖擊地壓電荷監(jiān)測指標(biāo)及其臨界預(yù)警值研究”（項目編號：2022-BS-117）；2022年度遼寧大學(xué)本科教學(xué)改革研究項目“以解決工程真實問題為導(dǎo)向的材料力學(xué)課程與科研融合教學(xué)改革探索”（項目編號：JG2022ZSWT004）。

作者簡介：王崗、施天威，博士，講師；徐連滿，通信作者，博士，副教授；李玉偉、王愛文，博士，教授。