以工程案例為核心的材料力學教學研究與實踐*

朱公志　夏冬生　于彥　金蓉（大連海事大學交通運輸裝備與海洋工程學院，遼寧大連116026）

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以工程案例為核心的材料力學教學研究與實踐*

朱公志夏冬生于彥金蓉
（大連海事大學交通運輸裝備與海洋工程學院，遼寧大連116026）

摘要：分析了以工程實際案例為核心的材料力學教學的基本特點和優勢，闡述了其在教學中的具體應用經驗。實踐證明，以工程實際案例為核心的材料力學教學，能有效激發學生的學習潛能，明顯促進課堂教學效率和質量的提高。

關鍵詞：工程實際案例；材料力學；教學

Abstract:The main features, advantages and application experiences in the teaching of materials mechanics with real engineering cases as the core are analyzed and elaborated. The practice proves that introducing the teaching of materials mechanics with real engineering cases as the core can greatly stimulate the learning potential of students, and effectively help them to improve efficiency and quality of classroom teaching.

Keywords:real engineering cases; materials mechanics; teaching

引言

材料力學是大學工科中許多專業最重要的基礎課程之一。現階段，材料力學課程基本沿襲了前蘇聯鐵摩辛柯的材料力學體系，即先研究基本變形后，再研究組合變形。這樣做，使得所研究的問題由簡單到復雜，符合認識論的基本規律。按著這樣的課程體系教學，其優點是非常明顯的，在我國幾十年的人才培養中發揮了重要作用。

但是，為了適應這種課程體系，材料力學的教學一般都是采用演繹模式授課。即先進行理論推導，然后再應用到具體問題。這樣，在進行理論推導之前，必須把應力、應變等一些推導所必須的基本概念先行提出。而這些具有深刻內含的重要概念，由于學生缺乏實際經驗作支撐，以原有的知識結構，接受、理解起來是非常困難的。這就導致了許多學生認為材料力學理論抽象，枯燥無味，從而產生畏難、抵觸情緒，進而失去學習的興趣；同時，隨著材料力學教學學時大幅度縮減，為了保證教學進度，教師很難留有足夠的時間去啟發學生獨立地思考問題、解決問題。這是現階段教師一言堂、滿堂灌，學生被動接受的填鴨式教學形成的根源之一。另外，材料力學是一門與工程實際密切相連的課程，它所涉及的每一個問題都有著相應的工程背景知識。而學生們恰恰缺少相關的工程經歷。為此，在現階段的材料力學的教學中，每一章節的引言，通常會介紹一些工程實例來彌補學生工程背景知識的欠缺，來激發學生的學習熱情。雖然介紹工程實例時，學生會產生好奇心，但按照原有的教學模式，不可能對這些這些工程實例做深刻地剖析。于是隨后的理論推導就會使得學生的好奇心逐漸消失。學生們感受不到學習內容與生產、生活的密切關聯，感受不到學以致用的重要。因此，很難真正激發出學生獨立思考、獨立解決問題的勇氣和欲望，學習動力也逐漸消失殆盡。

由此可見，隨著教學改革的逐步深入，原有教學模式的相關問題，嚴重影響材料力學的教學效果。而近幾年來的探索實踐證明，通過在教學中引入真實的工程實際案例，并以它們為核心組織教學，既保留了原有材料力學教學模式的優點，又克服了上述弊端，在教學中取得了非常好的教學效果。

一、以工程實際案例為核心的教學優點

以工程實際案例為核心的材料力學教學的本質就是案例教學。案例教學（Case Method）是由美國哈佛法學院前院長克里斯托弗.哥倫布.朗代爾于1870年首創，后經哈佛企管研究所所長鄭漢姆推廣，并從美國迅速傳播到世界許多地方，被認為是代表未來教育方向的一種成功教育方法。20世紀80年代，案例教學引入我國。多年以來，國內外的學者對案例教學進行了大量的研究，并把研究結果應用到實際的教學中，取得了非常好的教學效果。但案例教學多局限于商學、法學以及醫學等少數幾個領域。把案例教學引入理工科的教學中卻鮮有報道。如果把恰當的工程實際案例引入到材料力學的教學中，并圍繞著它展開教學，將是一件非常有意義的事情。

（一）提高學生的研究熱情，充分調動學生學習的主觀能動性

在以工程實際案例為核心的材料力學教學過程中，通過引用實際工程中真實發生過的案例，從而引導學生對它們進行深度分析。通過設計解決方案，使學生具有身臨其境的感覺，從而激發出學生強烈的興趣和求知欲望。

（二）有利于培養學生科學的思維方法、提高分析和解決工程實際問題的能力

由于現階段材料力學教學中，過于重視理論的演繹、推導，結果忽視了學生用科學的思維方法分析、解決問題能力的培養。在以工程實際案例為核心進行教學的過程中，由于案例是工程實際中真實發生的實際問題，學生只有用正確的方法才能有效地去解決問題。這樣，學生解決實際問題的能力會逐步積累，逐步提高。

（三）有利于教師采用啟發式教學，讓學生真正成為課堂的主人

采用以工程實際案例為核心的材料力學教學，需要學生在上課前對所要研究的問題做充分的準備工作并完成案例分析報告。學生在完成案例分析報告的過程中，對所要研究的問題有了一定的了解。因此，教師在教學過程中，已不必像以前一樣，忙于教學任務的完成，而有充足的時間針對學生的案例分析報告進行啟發式教學。

（四）可以有效地克服因學時減少給教學帶來的不利影響

課時減少是大勢所趨勢，不可逆轉。但又不能通過大幅度地縮減授課內容來解決問題。于是，教師為了完成教學任務，很少有時間顧及學生的感受，一系列弊端由此產生。而采用以工程實際案例為核心進行材料力學教學時，因為學生在上課之前，已經對案例做了充分的調查研究。因此，教師可以根據實際情況，對學生掌握很較的內容，點到為止。而對于學生掌握不好的內容，教師可以集中精力，組織學生進行分析、討論、研究。這樣，大大節省了上課時間，有利于教學任務的完成。

二、工程實際案例選取的注意事項

如前所述，現階段，案例教學多局限于商學、法學以及醫學等少數幾個領域。而在理工科各個專業，案例教學應用的并不多。這主要是由于采用案例教學的主要任務是在學生分析案例時引導他們學習與課程有關的知識，并以此為基礎，來分析問題、解決問題。

以材料力學為例，雖然工程實際案例非常多，但受制于學生的現階段的知識結構，適合材料力學案例教學的案列卻相對較少。因此，這就需要教師盡可能多的收集相關的工程實際案例，并在其中找出適合材料力學教學的案例。這項工作雖然困難，但是，一旦找到適合的工程實際案例，并以它為核心組織教學，就會取得非常好的教學效果。

在實踐中，可以做為核心展開材料力學教學的工程實際案例要滿足四個條件：（1）案例必須是在工程實際中真實存在的。（2）案例背景知識易于學生理解。（3）案例要有完整的在工程實際中的真實解決方案。（4）解決方案中的全部或絕大部分過程適合運用材料力學知識和分析方法。這四個條件對所需的工程實際案例的要求是非常高的。因此，找到恰當的工程實際案例是解決問題的關鍵。

三、以工程實際案例為核心的教學實施

以工程實際案例為核心的材料力學教學過程主要分為五個階段，即教師案例準備階段、學生案例分析報告的形成階段、教師對學生案例分析報告的研讀階段、課堂實施階段和評價階段：

（一）教師案例準備階段

為了保障以工程實際案例為核心的材料力學教學的教學過程順利進行，教師必須在上課之前，對上課所要用到的工程實際案例做精心的準備。

例如，在研究彎曲內力、彎曲應力和彎曲變形三章時，可以以這樣一個真實的工程實際案例做為核心，圍繞著它來展開教學：某廠機修車間，在緊急情況下，需要用最大起重量為5噸的橋式吊車吊裝重達6.5噸的容器。要求：不能蠻干，施工方案的每一步都要經過科學的計算，不能損壞吊車，不能出現安全事故。那么，如何去解決這個問題？

事實上問題的解決，所用到的是材料力學知識和研究方法，幾乎涵蓋了材料力學教學大綱關于彎曲部分的所有內容。選擇這樣的案例，才會使學生感到問題的真實而不再是虛無縹緲，從而使學生迸發出好奇心，激發出強烈的探索欲望。

（二）學生案例分析報告形成階段

案例準備好后，提前一到兩周交待給學生。交待案例時著重介紹案例的實際工程背景，明確需要解決的問題。學生課后可以通過查閱參考書、上網、相互之間討論、應用軟件模擬或做試驗等方式來解決問題，最終形成案例分析報告。

案例分析報告的格式沒有定式，學生可以以自己喜歡的方式完成。案例分析報告并不期待學生能夠真正解決問題。重點也不在于對理論問題的推導，而在于引導學生認識工程實際問題，發現問題，嘗試著去解決問題。在其中，慢慢地體會分析、解決工程實際問題的思路和方法。

（三）教師對學生案例分析報告的研讀階段

在以工程實際案例為核心的教學實施之前，有一項工作必須由教師來完成。這就是對學生的案例分析報告進行研讀。研讀的重點放在：（1）學生對案例的理解程度。（2）學生解決問題思路中哪些是常規方法，哪些是非常規。（3）對學生提出的一些非常規思路做進一步分析，看按這樣的思路可不可以解決問題。如果可以解決，這可能就意味著學生創新的開始。最后，教師從中找到有代表性的研究報告來進行教學活動。

（四）課堂實施階段

在課堂實施階段，主角是學生，而教師應甘當配角。但這并不意味著配角不重要。教師最主要的作用是啟發學生去思考。教師可以把學生提出的問題以及解決問題的方法整理出來，制作出思維導圖，從而引導學生學會使用科學的分析問題的方法解決問題并逐步形成能力。這就如同球場上的裁判，其任務是使比賽流暢的進行，卻不能成為場上的主角。教師在教學中追求的目標應該是如春雨般的潤物細無聲。

（五）評價階段

通過以往的實踐可知，采用以工程實際案例為核心的材料力學教學，可以激發學生的學習熱情，讓更多的學生參與問題的討論中來。但對少部分學生則效果不明顯。具體表現在，在課后并沒有認真完成研究報告，而是部分或全部地抄襲別人的成果；在課上也不去積極發言，參與討論。為了應對這樣的問題，制定切實可行的評價機制就顯得非常重要了。可以將研究報告和課內討論及發言的情況作為平時成績加入到最終的考核成績中。

四、結束語

本項目的創新是把案例教學引入到材料力學的教學中。采用以工程實際案例為核心的材料力學教學，可以提高學生的研究熱情，充分調動學生學習的主觀能動性；有利于培養學生科學的思維方法，提高分析和解決工程實際問題的能力；有利于教師采用啟發式教學，讓學生真正成為課堂的主人；可以有效地克服因學時減少、單位時間所需講授內容大大增加而給教學帶來的不利影響。

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作者簡介：朱公志（1970-），男，遼寧大連，副教授，研究方向：計算固體力學。

*基金項目：遼寧省精品資源共享課（ZY20120807）；遼寧省普通高等學校本科教育教學改革研究項目（UPRP20140916）；遼寧省精品資源共享課（ZY20150916）

中圖分類號：G642

文獻標志碼：A

文章編號：2096-000X（2016）09-0153-02