問題式方法在材料力學課程中的探索與應用

商俊娟 袁志華 李連豪 田輝 何予鵬

摘要：材料力學是工科專業基礎課，在本科教學中具有重要作用。鑒于近年來材料力學課時減少，傳統課堂難以實現完整教學的現狀，本課題組在材料力學教學過程中引入了問題式導入法，在課前引導學生預習新課，課后布置作業，并以作業作為課堂引入。通過在材料力學課程中的探索與實踐，問題式教學模式收效良好。

關鍵詞：問題式方法;材料力學;課程改革

以學生為主體的教學與以往的“灌輸式”“填鴨式”不同，它是使學生主動參與到教學活動中，從以往的被動接受知識轉化為主動探索掌握知識，從知識被附加給學生轉化為學生積極轉化知識，學生在學習過程中享受探索知識的樂趣，學習成了一種快樂的事情而不是任務。1991年查克林和加姆森在專著《在大學本科教育中恰當運用七條教學原則》中提出本科教育的七項原則，鼓勵師生之間密切聯系、鼓勵學生之間密切合作、鼓勵學生主動學習、及時反饋教與學的信息、強調有效利用時間、對學生寄予較高的期望和因材施教。本科教育不只是讓學生獲得新知識，而是培養學生自主學習能力，培養溝通能力，并學會合理地分配時間，培養自信心，最終塑造完美的人格。

材料力學是研究物體應力與變形的一門學科，理論性較強，同時，又與工程實踐緊密結合。本課程對提高學生工程概念和力學概念有著重要作用。學生通過材料力學的學習，應掌握桿件在常見荷載條件下的強度、剛度及穩定性的基本概念和計算方法，運用強度、剛度及穩定性理論對桿件進行校核、截面設計及載荷確定等基本計算工作。掌握材料的力學性能及材料力學實驗的基本知識和操作技能。為學習后續有關課程打下基礎，為設計既經濟又安全的構件，提供必要的理論基礎和計算方法。通過材料力學的學習，培養學生分析和解決簡單工程問題的能力，培養學生辯證唯物主義的世界觀。奠定自主學習基礎，加強適應知識更新過程中需要不斷學習的意識和自主學習能力。材料力學是工科專業必修課，在本科課程教學中起到承上啟下的作用，具有理論性強、知識點繁多等特點。

傳統上課方法是“滿堂灌”，教師按照總學時來分配每堂課的內容，提前備好課。通過作業的完成情況，教師可以評估出學生對知識點的掌握水平，但由于課堂時間有限，導致部分學生對知識點理解得不夠深入。材料力學知識點前后銜接，第一章中內力的求解方法是軸向拉伸和壓縮、扭轉和彎曲變形中強度校核的基礎。新修訂的教學大綱中材料力學由原來的56學時縮減為48學時，在教學過程中如何處理好學時短內容多的問題，教師一方面需要加強自我專業素質，另一方面要對教學計劃、方法進行改革。鑒于以上問題，本課題組在教學實踐中嘗試采用問題式教學方法以加強教學效果。

一、問題式教學方法的教學活動設計

材料力學課程理論性較強，公式較多，同時，課堂教學時間有限，導致學生對知識點的掌握程度較差。鑒于以上問題，課題組引入問題式教學方法。主要分兩部分內容，一是作業引導式;二為理論聯系實際。

（一）作業引導式的問題式教學方法

課前，教師在上堂課的基礎上在作業中增加下堂課內容題目，讓學生在作業中思考新的教學內容，通過電腦、手機等媒介，借助互聯網的知識、教材的內容，以及與同學討論等方式尋求解決方法，總結知識點，上交作業。教師批改作業，在作業中找到學生理解的問題所在，掌握學生對新課內容的理解程度，有針對性地準備下堂課的內容，為課堂講授做好準備。課中，教師找幾個典型的同學講解有關本堂課內容的作業題目，然后讓同學們討論講解是否正確。最后，教師進行講解補充，強調本堂課的重點和難點。課后，教師布置適量的、知識點不同的作業。讓同學們在作業中鞏固知識，將知識轉化吸收。

以軸向拉伸或壓縮時的變形課程為例，具體方法如下。第一，教師在第一次課中講解如圖1左側所示的例題，它屬于靜定問題，由靜平衡方程和幾何關系可求得所有未知量。通過多個類似例題的講解使學生達到融會貫通的效果，給出如圖1右側所示的例題，讓學生課后思考如何求解，課后作業中不止包含靜定問題的內容，還增加一個超靜定問題，讓學生預習新課后完成作業。作業中超靜定問題的達成度不計入作業成績，目的只是引導學生思考;第二，隨后課堂上以超靜定問題的作業作為切入點讓學生討論解決方法，根據學生作業中出現的問題和討論的結果，教師開始新課的講解，學生帶著問題和自己的理解聽課，跟著老師的思路找到超靜定問題與靜定問題的區別，并對比自己的理解，找到自己理解的問題所在。通過這樣一個過程，學生可以加深對知識點的理解;第三，課后學生完成作業，鞏固靜定問題和超靜定問題的區別，熟練掌握超靜定問題的解決步驟和方法。

（二）理論聯系實際的問題式教學方法

材料力學是一門理論基礎課，是變形體力學的分支，是純力學的關系模型。為了使學生更容易掌握知識，運用知識，教師讓學生通過調研討論設計真實的構件。具體方法如下。第一，課前教師根據課程內容準備幾個真實構件的設計案例，設定一定的設計條件。第二，第一堂課講授新知識后將學生以宿舍為單位分組，并指定一名組長，組長以抽簽的形式分配設計案例，教師安排學生在課后調研討論出設計方案。第三，第二堂課每組匯報自己的設計方法，匯報人以隨機抽取的方法確定，同學們討論設計方案的優缺點，教師進行點評。指出哪種設計方案既經濟又合理。

二、問題式教學方法效果評價

問題式教學方法效果主要表現在學生對知識的掌握程度和思維方式轉變兩個方面。

（一）問題式教學方法對知識掌握程度的影響

以2016屆和2017屆交通運輸與汽車服務兩個專業的學生為例分析教學改革的效果。2016屆學生材料力學學時設置為56學時，按照學時和難易程度劃分每節課的任務，采用教師課堂上講解作業和新課，學生課后完成作業的傳統模式進行教學。由于課上時間有限，有些學生可能對課后作業沒有理解透徹就又要學習新的教學內容，導致這些學生對內容的理解不到位。2017屆學生材料力學的學時為48，采用問題式導入法進行授課，學生在聽課的過程中有的放矢，在這過程中將自己對知識點的理解與老師的講解進行對比，這樣對知識點的印象更深刻。

表1為2016屆和2017屆交通運輸和汽車服務專業學生的期末考試成績。由表1可知，中等水平（80～90分）學生比例增加了接近一半，中等偏下（60-70分和70～80分）的學生比例減少，90分以上和不及格的學生基本持平。通過表中數據可以看出教學改革對中等學生成績提升效果明顯，其他分數段學生的效果不明顯，主要原因是優秀學生自學能力較強，教學方法的改革對他們影響較小，而不及格的學生是由于他們學習的自制力不夠。

（二）問題式教學方法對思維轉變的影響

問題式教學方法以問題為導向，以作業或者課后調研設計的形式督促學生思考和討論，通過一個學期的訓練，學生調研能力、查閱資料的能力、自學能力和解決問題的能力得到大幅提高，對學生自身的發展起到了不可替代的作用。

三、總結

通過教學改革，學生的學習能力有了很大提高，學習的自主性增強了，體現在對課后作業的完成度和對新課的預習程度上，同時，課上聽講的參與程度也增加了。通過課程改革，雖然課時減少了，但教學效果有了明顯提高。問題式教學不僅提高了學生掌握知識的程度，而且增強了學生的自信心，促進了學生理想人格的塑造。