基于“四維統一”模式的“材料力學”教學改革探索

韓美東　何巍　王娜

[摘 要] “材料力學”是高校開設的一門高度普及的專業基礎課，重點研究構件的強度、剛度和穩定性問題。在新工科建設大背景下，課程的傳統知識型教學已經無法滿足全方位的育人需求。為此，提出基于“四維統一”模式的“材料力學”教學改革理念，旨在達成課程教學在基礎性與高階性、理論性與應用性、思想性與科學性、線上教學與線下教學等多個方面的有機統一，進而提高教學活動的適應性，推動創新型人才在“知識體系+能力體系+價值體系”的全方位培養。

[關鍵詞] 材料力學;高階性;應用性;課程思政;線上教學

[基金項目] 2019年度南昌航空大學教改課題“多維度構建材料力學教學的探索與實踐”（JY2027）;2021年度南昌航空大學“課程思政”示范課程建設項目“材料力學”

[作者簡介] 韓美東（1987—），男，遼寧阜新人，博士，南昌航空大學飛行器工程學院講師，主要從事固體力學數值計算方法研究;何 巍（1989—），男，江西鷹潭人，博士，湖南大學機械與運載工程學院副教授，主要從事光測力學研究;王 娜（1988—），女，江西贛州人，碩士，航空工業江西洪都航空工業集團有限責任公司飛機總裝廠工程師，主要從事飛行器的氣動力工程計算研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）45-0063-04? ?[收稿日期] 2021-03-04

一、引言

“材料力學”是高校工科專業必修的基礎課程之一，在機械、土木、航空航天等專業的培養體系中具有重要支撐作用[1]。首先，受課程知識體量大、理論性強、難度高等因素的限制及傳統教育思維的影響，目前材料力學的教學多側重于力學概念與基礎理論的講解，致使課程學習與工程實際存在一定的脫節，且習題案例均以簡化模型為主，學生在學習過程中難以觸及知識的整合運用，認知深度和思維廣度均有所欠缺。其次，在新工科建設大背景下，傳統的知識型教學已無法滿足育人需求，課程教學亟須融入新的時代元素、國家需求、學科前沿及價值理念，達到思想與科學的共同傳承，學識與能力的同步提升，并促進經典理論的創新性應用[2，3]。此外，新冠肺炎疫情的出現又對傳統的課堂教學提出了新的挑戰，線上教學應運而生。如何充分利用線下教學與線上教學各自的優勢，使兩者有機結合、相互促進，是當下材料力學教學改革亟待探究的課題。為此，本文提出“四維統一”的教學理念，以實現“材料力學”課程教學對學生能力的全方位培養。

二、“四維統一”模式的教學理念與實施措施

（一）基礎性與高階性的統一

材料力學為變形體力學的學習起點，其知識體系復雜且偏于基礎理論。本文以剛度、強度和穩定性為三大主線，對課程的知識體系進行拆解和重構（如圖1所示）。首先，分別以拉壓、扭轉和彎曲三種基本變形為載體，建立“單一變形”“靜定條件”“靜態載荷”簡單工況下剛度、強度和穩定性分析的基礎理論架構。該部分內容的教學以精細的概念解讀、完備的過程推導和詳細的思路分析為主，側重學生對力學概念和基礎理論的理解，并夯實基礎。其次，對簡單工況進行升級，開展由“單一變形”到“組合變形”，由“靜定條件”到“超靜定條件”，由“靜態載荷”到“動態載荷”的升級式學習，側重解讀由簡單到復雜的轉換過程中知識的差異性和關聯性，引導學生主動思考如何從舊知中獲取新知，進而從溫故知新中深化對底層知識的理解。最后，對復雜條件做進一步的整合，設計綜合性問題和案例，挖掘各知識分支的結合點，注重知識的整合運用與變換應用，進而提升學生的思維深度和廣度。此外，注重發掘學科間的關聯性，在課程講解中融入其他課程的相關知識和思想，以培養學生的交叉思維能力。在此架構下，課程教學以扎實基礎為前提，通過“分級學習，逐級深入，關聯整合，創新應用”的遞進模式，實現課程教學在基礎性與高階性上的有機統一。

（二）理論性與應用性的統一

作為專業基礎課，材料力學具有其自身的優勢，即知識體系與工程實際高度相關。首先，圍繞強度、剛度和穩定性三大核心知識點，對相關工程案例進行分類總結。基于大量的文獻調研和案例挖掘，本研究建立的知識內容與工程應用的結合關系如圖2所示。其中，強度為結構抵抗破壞的能力，因此建筑倒塌、隧道施工、橋梁斷裂、容器炸裂等與破壞相關的問題都可與強度分析的教學內容相結合。剛度為結構抵抗變形的能力，故精密加工、橋面形變、機翼設計等對變形控制有較高要求的工程案例，皆可引入剛度理論的教學之中。穩定性是結構維持原有平衡狀態的能力，因此千斤頂的設計、腳手架的失穩、桁架結構的垮塌等與穩定性相關的案例均可融入理論教學之中。其次，在課程的整體教學設計中，明確理論聯系實際的教學指導思想，將工程案例與基礎理論有機結合，提出工程中對于安全可靠和經濟美觀的矛盾關系，引導學生主動思考、互動討論，培養其由理論到實際的分析思維及解決實際問題的能力，做到活學活用。

（三）科學性與思想性的統一

作為經典力學課程，“材料力學”的發展歷史悠久，內容體系完備，又具有廣泛的工程應用背景。基于上述特點，本研究從三個維度開展“材料力學”課程思政，具體架構如圖3所示。（1）科學人物與發展歷程：在知識的背景介紹中，引入力學家的典型事跡、探索歷程、知識的形成與演化過程，以培養和激發學生的創新精神及不畏艱難、刻苦鉆研、堅持不懈的優良品質。（2）工程案例和科學研究：在相關知識的工程應用、典型案例和科研熱點問題的講解中，融入工匠精神、奉獻精神和職業道德等素質教育。（3）歷史文化和時代背景：力學學科的發展離不開中華民族的偉大貢獻，從經典的斗拱結構、鄭玄的“胡克定律”到如今的北斗導航、高速鐵路，諸多案例都與材料力學緊密相連。在相關知識的教學中融入經典案例的分析，并結合歷史文化和時代背景的解讀，既可提升學生的學習興趣，又可增進其對民族文化的了解，培養其文化自信和家國情懷。此外，要對思想政治內容的切入時機和融合方式進行精心設計，并通過教學實踐不斷調整和完善，以實現專業內容與思想政治內容“轉場自然”，學生情感與思想自然升溫。

（四）線上教學與線下教學的統一

新冠肺炎疫情的出現對傳統的課堂教學提出了新的挑戰，線上教學應運而生。立足長遠，隨著信息技術的不斷升級完善，線上與線下相結合的教學模式將成為未來高等教育重要的發展方向。線上教學具有資源豐富、模式靈活、信息統計便捷等優勢，而傳統的課堂教學具有互動性強、反饋及時、有創造性和針對性等優勢。為了充分利用兩種模式的優點，本研究按功能性將材料力學的教學過程拆分為三大環節：課前引導、課堂教學和課后研討。（1）課前引導的目的在于讓學生對課堂學習做好預習和準備，了解知識背景，明確后續的課堂聽課目標，并鎖定重點。考慮到課前學習的靈活性和自由性，該環節通過線上學習平臺完成。建立線上學習班級，課前在平臺上發布預習任務、背景知識、重點、難點和預設問題。（2）課堂教學是整個教學的核心環節，擬分八個步驟開展：知識回顧、內容引入、基礎講解、例題分析、綜合應用、課堂留白、強化提高和知識總結。課堂教學以引導式和啟發式教學為主，并要充分利用師生面對面的環境優勢來增強互動，注重學生的聽課反饋，并及時調整授課節奏和講解方式。拋開“模板”，因班制宜，建立不同班級的定制化專屬課堂。需特別指出的是課堂考勤簽到和隨堂測驗環節將通過線上平臺完成，以改進傳統點名和測試的費時費力、覆蓋面局限、統計煩瑣等不足，使得考勤記錄更加全面、快捷、準確。（3）課后研討是學生消化吸收課堂知識的重要環節，由習題訓練、拓展學習和答疑討論三部分組成。首先，通過線上平臺發布課后作業并進行批改，借助線上平臺多樣化的信息統計工具，量化每個學生的作業完成情況，并以此為依據向學生進行有針對性的反饋。其次，圍繞課堂內容在線上發布相關拓展學習資料，供有余力的學生拓寬視野，提升認知深度和廣度。最后，利用線上平臺的便捷性，可實時為學生進行答疑解惑，突破傳統答疑方式對時間和空間的限制。基于上述探索，本文所建立的“四維統一”模式下的“材料力學”課程的整體教學實施方案，如圖4所示。

三、結語

在新工科背景下，對傳統的“材料力學”課程教學進行多維度的重構與優化是大勢所趨。本文以推動創新型人才的全方位培養為導向，構建了“四維統一”的教學理念，并給出了具體舉措，旨在提升課程教學的高階性、思想性、應用性和靈活性。

參考文獻

[1]周嶺.“材料力學”課程思政的教學探索[J].教育教學論壇，2020（20）：110-111.

[2]彭雅軒.新工科背景下材料力學課程教學改革探索[J].科技視界，2019（32）：159-160.

[3]宋秋紅，袁軍亭，張俊，等.“材料力學”課程思政建設實踐探索[J].課程教育研究，2019（5）：64-65.

Exploration on Teaching Reform of Mechanics of Materials Course Based on “Four Dimensional Unification” Mode

HAN Mei-dong1， HE Wei2， WANG Na3

（1. School of Aircraft Engineering， Nanchang Hangkong University， Nanchang， Jiangxi 330063， China; 2. College of Mechanical and Vehicle Engineering， Hunan University， Changsha， Hunan 410082， China; 3. Aircraft Assembly Factory of Jiangxi Hongdu Aviation Industry Group Company Ltd， Nanchang， Jiangxi 330024， China）

Abstract： Mechanics of Materials is a highly popular basic course in universities， focusing on the strength， stiffness and stability of components. Under the background of the construction of Emerging Engineering， the traditional knowledge-based teaching has been unable to meet the needs of all-round education. Therefore， this paper puts forward the teaching reform concept of this course based on the “four-dimensional unification” mode， aiming to achieve the unification of course teaching in four aspects： basic and higher-order， theoretical and applied， ideological and scientific， online and offline teaching， to improve the adaptability of teaching activities， and promote the all-round cultivation of innovative talents in the “knowledge system + ability system + value system”.

Key words： Mechanics of Materials; higher-order; applicability; “curriculum ideology and politics”; online teaching