新工科背景下材料力學課程教學改革探索

彭雅軒

【摘 要】為促進我國從工程教育大國走向工程教育強國，在世界新一輪工程教育改革中發揮全球影響力，在新工科背景下，以成果為導向，以學生為中心，從教學理念、教學方式、考核評價等方面探索材料力學課程改革，以提高工程類專業人才的科學思維能力及創新能力。為培養更多高素質的新工科人才提供了課程改革的有益經驗。

【關鍵詞】新工科;人才培養;OBE教育理念;材料力學

中圖分類號： G642;TP311.5-4 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）32-0159-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.32.074

0 引言

新工科理念形成于2017年的新工科建設“復旦共識”、“天大行動”和“北京指南”，同年教育部發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》，2018年教育部辦公廳公布了《關于推薦新工科研究與實踐項目的通知》，形成領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗，助力高等教育強國建設。提出新工科建設的目的在于促進我國從工程教育大國走向工程教育強國，在世界新一輪工程教育改革中發揮全球影響力[1]。復旦共識提出我國高等工程教育改革發展已經站在新的歷史起點，地方高校要對區域經濟發展和產業轉型升級發揮支撐作用，新工科建設需要加強研究和實踐[2]。而天大行動認為，培養造就一大批多樣化、創新型卓越工程科技人才，為我國產業發展和國際競爭提供智力和人才支撐，既是當務之急，也是長遠之策。新工科教育不是傳統工科的對立版，而是卓越教育的升級版[3]。北京指南指出要明確目標要求、更加注重理念引領、更加注重模式創新、更加注重質量保障、形成一批示范成果[4]。

2016年我國正式加入國際工程聯盟（IEA）《華盛頓協議》組織，這標志中國高等教育已實現了歷史性跨越[5]，國家以“新工科”建設為契機，進一步推動高等教育改革，以適應新的經濟發展需求。當前，國家戰略性新興產業迅猛發展，培養具備全球視野、創新精神和實踐能力的新工科復合型人才，在促進多學科交叉融合的新型工程技術學科建設中尤為重要，新工科建設為“工學并舉”提供了新動能[6]。在全面提高教育質量已上升為國家戰略、政府意志和社會共識這一大背景下，課程的地位、課程的價值、課程的作用日益凸顯。材料力學課程作為多個工科專業的重要專業基礎課，對學生能力培養及后續專業課的學習具有深遠的影響。論文以東北電力大學開設的材料力學課程為背景，從理念引領、內容及方法創新角度開展教學改革，通過教學內容和教學方法的論證與實踐，就教學理念、教學方式、考核評價方式等方面進行了分析與總結，以求問技術發展改內容，問學校主體推改革，問學生志趣變方法。目前，改革已取得了較好的階段性成果，為培養更多高素質的新工科人才提供了課程改革的有益經驗。

1 注重理念引領，以新工科為契機，以工程教育為導向，推動材料力學課程改革

課程是高等教育的心臟，是人才培養和教學工作的依據，也是影響乃至決定教育教學質量的關鍵要素。材料力學課是工程類專業學生接觸到的一門與工程實際有直接聯系的課程，屬于實踐應用型工科課程，其理論性、邏輯性、系統性均較強。該課程既培養學生邏輯思維能力又培養學生分析和解決實際工程問題的能力。任何工程中，物體的受力、變形、失效等力學現象無所不在，力學分析計算在工程設計中占據著重要的地位。材料力學研究構件的承載能力，即研究構件的強度、剛度和穩定性，解決構件經濟與安全的矛盾，同時為后繼課程和今后工作打好基礎。從知識的角度看，該課程理論性強、教學推導多，而傳統的課程模式注重的是講授知識，教學偏向學術化， 這種教學方式已不適應當下高等學校轉型發展的要求，因此新的形勢下必須按照工程認證要求，把成果導向教育（Outcome based education，簡稱OBE，）作為一種先進的教育理念，為培養“應用型人才”打下良好基礎。培養學生工程應用能力和工程創新能力，提高學生社會職業素養和就業競爭力。為充分發揮材料力學的基礎先導作用，必須首先培養好學生的科學思維能力和自主學習的能力，這也是培養學生學習能力、應用能力的先決條件。材料力學課程改革的目標就是以OBE教育理念構建“應用型人才”培養需要的新型課程體系，對教育理念、教學內容、教學方法等諸多方面進行系統優化。以推進“新工科”建設為契機，以工程教育為導向，全面開展材料力學課程改革探索與實踐。

2 注重內容及方法創新，探索新工科背景下課程改革途徑

2.1 教學內容創新，從科學和文化層面展現課程魅力

以專業需求為出發點，拓展與工程實際密切相關的教學內容，充分提煉材料力學課程中蘊含的文化基因和價值范式，并將其滲透于課程目標、課程結構、課程內容之中，從科學知識層面和文化價值層面具體化、生動化展現課程的魅力，同時作為“課程思政”的有效載體，在知識傳授中融入理想信念層面的精神指引。

科學知識層面，以材料力學課程的研究對象為背景，通過工程實例分析，與學生一起探討諸如構件在外力作用下產生變形和破壞的規律、失效形式和失效原因，摒棄泛泛、枯燥的理論內容講解，把力學理論分析和實際工程問題進行有機融合，在激發學生學習興趣的同時提高教學效果。比如，結合輸電鐵塔失效，風力發電機塔筒失效現象，提出材料力學分析思路，引導學生深入探討產生失效的原因，再通過應力狀態分析給出分析結果。從工程材料的力學性質、構件應力狀態分析，再到構件失效的原因，以問題導向的教學方式逐步引導學生學習，以成果導向的方式檢查教學效果看，不但可以激發學生獨立分析工程問題的興趣，還在教學中培養了學生運用科學知識獨立分析和解決工程實際問題的能力，達到了學以致用的預期效果。

文化價值層面，注重在材料力學課程教學中培養學生在智慧、情懷、志向、品格上形成良好的人格，在哲學、歷史、文化的積淀上形成良好的文化修養。實踐中，把專業知識與社會責任感緊密聯系是加強文化價值層面教育的重要途徑。材料力學的主要任務是解決構件的強度問題，若構件的強度不夠，則可能導致嚴重的安全事故或經濟損失。選擇工程上典型案例生動講解，就能在學生心里打下深刻的烙印，這既是社會責任感教育，也能讓“安全第一、生命至上”理念深入人心。教學中增加文化教育能使學生了解力學發展歷史、領略力學內在文化并培養學生愛國主義情懷。

2.2 理念及方法創新，采取多元化的教學方式提高教學效果

（1）樹立OBE工程教育理念。專業知識傳授與引導學生學習需求及明確學習目標并重。教育觀點首先由美國心理學家卡爾·羅杰斯在1952年提出，并給高等教育帶來了巨大影響，引發了本科教育基本觀念、教學方法、教學管理的系列變革。作為高校教師應該明白，學生是自己學習的決策者，而實現自主學習的核心是提高學習的主動性[7]。OBE特別強調學生學到了什么而非老師教了什么。目前，大學生學習積極性不高，這是一個不爭的事實[8]，究其原因多種多樣，有外因也有內因，其中一個主要的原因是學生不明確上大學對自己意味著什么，因此，學習積極性欠缺，教師在傳授專業知識的同時，要引導學生的學習需求，讓學生明確學習目標，從而調動學生內在的學習積極性和主動性。

（2）采用互動式、啟發式、探究式教學等多元化的教學方式，培養新工科人才。教師的魅力不僅僅是在于自身有深厚的專業功底，對現階段的學生而言，怎樣能夠讓學生接受知識才是至關重要。這就需要教師能夠與學生進行恰當、良好的溝通，即采用互動式的教學方式吸引學生學習的注意力。怎樣讓學生不僅僅是想學習知識，還要能夠學好知識，這需要教師采用啟發式教學替代以往的詮釋性教學方式，再加之探究式的教學方法，由淺入深把知識傳遞給學生。

（3）推廣多尺度、多維度立體化的教學方式。多尺度教學具有考慮空間和時間跨尺度跨層次的特點。材料力學課教學內容廣、體系較復雜且知識抽象不易理解。將每個教學單元做模塊化處理，在多尺度空間上構建循環教學系統，不僅可以提高學生的自學能力，同時為學生提供了一個很好的擴充知識、鞏固知識的渠道。 多維度立體化教學可以從理論知識、課程實驗、力學競賽、慕課等網絡學習幾個方面鼓勵和支持學生學習和深化理解知識。既提高學生的自學能力和獨立思考問題的能力，亦可潛在提高他們在“新工科”建設背景下的創新意識和創新能力。多維度立體化教學過程實現了從“以教師為中心”向“以學生為中心”的轉變，也為他們日后工作需要，打開了一道可以不斷自主獲取知識的大門。

（4）考核方式的改革。

為適應培養具有創新意識和創新能力的新工科人才，我們對東北電力大學土木工程專業學生材料力學課的考試考核方式進行了探索式的改革。在評分環節上，改變了以往以學生期末考試卷面成績為主的單調評分模式，增加了平時學習表現和平時作業成績、體現學生動手能力和相互協作能力的實驗成績等。為使學生重視創新意識和創新能力的培養，體現新工科理念，我們在期末總成績中增加了一個評分環節，讓學生自己設計一個廣告牌或路燈架，讓力學知識與工程實際有效結合，為將來走上工作崗位奠定了基礎。

3 結束語

在整個高等教育改革中，課程改革是最活躍的部分之一。多年來各高校課程改革和課程建設的實際效果并不盡人意，特別是對于提高人才培養質量所發揮的作用不能估計過高。

以新工科為契機，引領高等教育教學改革的主要目標是要培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才。本文提出的新工科背景下工程類專業材料力學教學改革探索，經近兩年的實踐，在更新教育觀念，改進教學方法、探索新的考試、考核方式以及采用新的教學手段方面進行了廣泛探索，對課程進行了大膽改革和實踐，收到了良好的效果。改革是個持續性的概念，我們會不斷總結改革的經驗，在不斷探索中前行，以期達到更好的效果和更高的目標。

【參考文獻】

[1]王樹新：以“新工科”理念為牽引推進工程教育改革.新華網[引用日期2018-12-11].

[2]“新工科”建設復旦共識.中華人民共和國教育部[引用日期2018-12-13].

[3]“新工科”建設行動路線（“天大行動”）.中華人民共和國教育部[引用日期2018-12-13].

[4]新工科建設指南（“北京指南”）.新華網[引用日期2018-12-13].

[5]吳愛華，楊秋波，郝杰.以”新工科”建設引領高等教育創新變革[J].高等工程教育研究.，2019（1）：1-7.

[6]韓旭.堅持工學并舉辦學思想推動學校新工科建設[J].中國高等教育.2019（03/04）：27-29.

[7]蔡玉潔，李秀.大學生學習主動性的調查研究[J].現代教育科學.2018（12）：32-41.

[8]劉獻君.新時代院校研究的規范發展[J].高等工程教育研究，2019（1）：93-98.