材料力学课程教学优化与探索.pdf

2023年第17期总第593期No.17,2023Sum No.593Journal of Science and Education材料力学是土木工程、机械制造等专业的必修基础课程，其教学效果既影响学生形成工程思维，也影响研究者能否顺利进行工科类科研工作。现如今材料力学在社会建设、科技进步中依然扮演着不可替代的角色。我们要锚定2035年跻身创新型国家前列、建成人才强国的目标，全方位培养、引进、用好人才，大力建设战略人才力量，加快建设世界重要人才中心和创新高地，厚植人才资源竞争优势。随着国家进入新的发展时期，当代学生对于自身理想的追求已经不同于过去的大学生，他们面临的竞争环境更加严峻1，因此为顺应时代发展的需求，材料力学的教学形式亟待优化。本文将从材料力学教学的多个方面进行探讨和优化，包括上好第一堂课、模拟授课、教学实践、师生互馈和非标准答案考核。1 课程知识点引入凡事开头难，但良好的开端是成功的一半。作为一门重要的基础学科，材料力学的第一堂课对学生至关重要。刚开始接触材料力学的学生会感到迷茫，因此，第一节课的关键在于让学生了解学科的实质内容和知识框架；了解材料力学在社会建设和国家发展中的作用；展示学科的吸引力，激发学生的学习兴趣和动力；了解有效的学习方法；建立良好的师生关系，加深师生之间的互信，因为“亲其师信其道”。为了引起学生对材料力学学习的兴趣和重视，在课程之初，教师可以通过多个图片和实例从不同角度来展现材料力学的应用2。例如：在日常生活中，解释锯齿状边缘的零食袋以及公共汽车上锋利的锤头中包含的力学知识；在工程领域方面，通过展示美国华盛顿州塔科马悬索桥垮塌事故的图片，引出非圆截面的扭转和杆件轴向拉等知识点，并以此失败案例引起学生对材料力学的重视3；在国家发展方面，介绍中国天眼FAST建设中自主研究与制造拉索的故事，激发学生对材料力学的重视和学材料力学课程教学优化与探索刘 闯 刘 贤（南京工业大学土木工程学院 江苏 南京 211800）摘要：传统的材料力学教学方式已经不能适应当代大学生的知识和技能需求，亟待改进。该文从学生和教师的角度分析了材料力学课程教学中存在的问题和不足，并通过对教学全过程中各个阶段的分析，提出了一系列教学优化方法：从第一节课开始激起学生学习材料力学的兴趣和动力，通过翻转课堂和课程实践来提高学生的自主学习能力和对知识的运用水平，建立师生相互反馈机制，促进师生交流，提高教学效率，优化考核方式，提升教学质量。关键词：主动学习；教学实践；师生交流；多形式考核中图分类号：G642.0 文献标识码：A DOI：10.16871/ki.kjwh.2023.17.022基金项目：南京工业大学教育教学改革研究项目“理论力学课程国际化教学研究”（125）。作者简介：刘闯（1992），男，博士，副教授，研究方向为计算力学和力学超材料；刘贤（1998），男，硕士研究生在读，研究方向为力学超材料。82教改教法习动力。其间结合思维导图概述材料力学的课程内容，因为思维导图将形象思维和抽象思维结合在一起，可以帮助学生理解和记忆4，并能使学生从宏观角度了解课程的主要内容。第一堂课是引导学生进行学科思考和发现问题的好时机，因为学生对新的课程充满好奇与期待。为此，在课堂中引入一些互动的力学实验是一种很好的方式。力学实验可以通过竹条拼接成各种截面形式和长度的杆件进行稳定性试验、压弯试验等多种实验，这种竹制的杆件方便制作与实验。例如用手对多个等长度、不同截面形式的杆件进行竖向挤压或横向压弯，展示并比较它们的力学性能。力学实验由教师和学生共同完成，可以激发学生的学习兴趣，并拉近师生距离。对于实验现象，教师可以选择性地进行解释，其他现象和问题留给学生在后续的学习中自行解决，从而增加学生对后续学习的期待感，引导学生主动学习。2 模拟授课在传统教学模式中，学生被动接受知识，缺乏主动学习。但在以创新为发展动力的时代下，新青年的创新能力是不可或缺的，创新往往产生于发现和解决问题的过程中，而这两个过程都需要主动学习。为此利用翻转课堂的教学模式让学生进行模拟授课，这个可以引导学生主动学习、主动发现问题、主动解决问题。在高度个性化的翻转课堂中，学生自行设计授课方式和内容，以符合当代学生学习和发展的需求。这样有助于学生消化和运用知识5，提高学生的自主学习能力。为了满足学生个性化的需求，模拟授课以小组为单位，通过学生演示PPT来进行授课。每个小组由34人组成，并且取一个队名以增强团队凝聚力。模拟授课的课程类型分为文献类、实验课题类、竞赛类和案例解析类。小组成员轮流担任队长，队长要上台演示授课，其他成员协助队长完成模拟授课的稿件。每次模拟授课都要接受其他小组和教师的点评和评分，并编制模拟授课评分表进行评分，其平均分将作为期末考评成绩的重要依据。以小组形式进行模拟授课，既能增强集体意识和团队荣誉感，又能营造相互监督与学习的良好学风，可有效提高学生的自主学习能力、语言组织能力和创新能力。同时，能让学生从教师的视角理解教师备课和授课的用心和不易，珍惜每一堂课。学生的授课内容还可以为教师提供教学思路和案例。3 课程实践课程实践将案例分析、数值模拟和模型及构件实验相结合。案例分析有助于培养学生的工程思维能力和直觉。数值模拟辅助教学有助于学生更好地理解理论，提高数值模拟能力，为后续深造和就业提供帮助6。模型及构件实验借鉴大学生结构设计竞赛中的模型制作和实验加载方法，自设加载场景进行实验，这种实验形式既灵活又方便。课程实践的具体形式如下：对于重难点，教师在课前选择典型案例，从中提取能够展现知识点的构建，并进行模型制作和数值建模。在授课中，教师通过案例来引出知识点，接着进行模型的实验加载，模拟力学效应。然后通过有限元分析软件进行数值运算，得到结构及构件的变形数据、内力数据等。最后，通过将数值模拟得到的力学结果、模型实验得到的力学效应和案例中的力学现象进行比较和分析。由此更加清晰地解释知识点，提升学生对知识的理解和运用能力，也可以提高学生在参加课题研究和学科竞赛时的效率和成果。4 师生互馈学科教学中，良好的师生交流有助于提升教学效果，营造良好的课堂环境并推动教学进展。然而，在实际的教学中，师生之间的交流往往只限于上课时间，课后交流少且往往是由教师主导，很少有学生主动与教师交流，是因为学生不仅对教师持有敬畏之心而缺乏主动交流的勇气，还缺乏与教师交流的话题。为了有效交流，教师需要构建能让学生主动参与反馈的话题和交流方式。为此建立师生互馈机制，并通过“师生互馈表”汇总话题和接收反馈。具体形式如下：每次课程结束，教师根据授课情况编制“师生互馈表”，其中不仅包括学生方面的话题，教师方面的话题也不可或缺。因为在教学活动中，教师与学生之间互为关怀者，彼此都需要被关怀。相互了解和关怀有助于构建融洽的、相互理解的师生关系7。因此，在教师了解学生的同时也让学生了解教师。课程结束当天，通过线下纸质表或线上电子问卷等方式发放“师生互馈表”，学生完成反馈表的填写后，教师及时给予反馈。选择在线上进行反馈的主要原因是互联网社交平台具有沟通便捷83的优势，学生乐于接受线上互动的方式8。学生和教师通过相互反馈教学与学习中的问题和看法，可以有效增加师生之间的话题，促进师生交流，提升教学效果。以弯曲应力小节教学为例，编制表1。5 课程考核为督促学生学习并检验其学习情况，在课程教学中诞生了课程考核。在传统材料力学教学的考核中，往往采用一考定成绩的方式。这种考核方式容易误导学生认为只要通过期末考试即可完成学科学习，不能达到督促学生学习的作用，不利于学生深入学习，不利于教师及时掌握学生各个阶段的情况，更不利于培养学生的自学能力和创新能力9。为此，采用多种考核方式并行的方式来决定最终考核成绩，并将考核贯穿整个教学周期，可包括课后作业、随堂测验、模拟授课、绘制思维导图和期末考试，并对每种考核方式进行优化。这些考核能发挥信息反馈效应，在考核内容的选择与设置中，注重对课程知识重难点与学习要求的反馈，通过信息反馈帮助学生明晰知识掌握情况、调整学习进度及方法10，这有利于提升教学效果。课后作业的目的是让学生巩固知识点，同时让教师及时了解学生对知识点的掌握程度。但是在现实中，学生在完成课后作业时，易发生套用公式而不加以深思以及抄袭等情况。为此要求学生写出自己的做题思路并附上文字解释，以避免上述情况，让教师更好地掌握学生的学习情况。由于材料力学知识点众多，容易忘记，因此通过随堂测验让学生及时回顾前面学习的重要知识点，加深学习和理解。对于期末考试，其形式设为闭卷考试形式，试卷包含多种类型的客观题以及案例分析题、应用解析题等主观题，通过采用开放式、非标准化的方式检验学生对知识掌握和运用、问题分析能力和创新能力的情况。通过模拟授课为学生提供学以致用的机会，增强知识应用和自我学习的能力，并且让学生更好地理解教师授课的不易，促进师生感情。绘制思维导图是非常有助于理解和记忆的学习工具。通过发散、全面而又有逻辑性的思维导图，学生能够锻炼缜密的逻辑思维、提高学习能力和记忆。对于知识点烦琐的材料力学，绘制思维导图是一种高效的学习方法11。在第一堂课中，已经建立了材料力学总体知识架构的思维导图。在接下来的教学中，教师为学生建立每章节的总体架构。但具体内容要求学生自行补充与完善，这有助于学生进行课前预习。同时，每小节设有“自学扩展”的分支，学生可以在这个分支中添加学习过程中遇到的典型题型和案例、学习心得等内容，以便学生自行发挥，形成自己独一无二的思维导图。在师生互馈表1.对梁的剪力和弯矩计算原理掌握程度如何？熟练掌握 掌握一般 掌握部分 没有掌握2.对于绘制梁的计算简图掌握程度如何？熟练掌握 掌握一般 掌握部分 没有掌握3.课堂中讲解的例题能否全部理解？全部理解 部分理解 全未理解4.弯矩、剪力与分布荷载集度之间的微分关系掌握程度如何？熟练掌握 掌握一般 掌握部分 没有掌握5.本次课程内容学习情况如何？内容简单 内容较难 内容很难 其他6.评价教师本次的课程教学7.课外学习碰到的问题8.课程教学中教师想对同学说的话9.教师的教学心得和自我评价10.下一节课的教学计划11.其他要反馈的问题及建议姓名：有哪些疑问：有哪些疑问：哪些例题没有理解，碰到哪些问题：有哪些疑问：课程中碰到的其他问题：评价内容和建议：问题内容：内容：（发表格之前填好）内容：（发表格之前填好）内容：（发表格之前填好）内容：表1 师生互馈表范例教改教法84教学结束后，学生将各章节的思维导图汇总并进行评分，最后再展示教师版的思维导图，供学生进行查漏。这些多样的考核形式有效地将标准考核与非标准考核、灵活考查与基础考核、动态与静态考核、个人与团队成绩相结合，全面优化了考核方式12，与非标准答案考核的教学改革相一致。还能有效培养学生的自学能力和创新思维，全面提升教学效果。6 结语材料力学教学应以全方位培养学生为目标，结合国家发展需要，优化教育方式和方法。除了要求学生掌握材料力学理论知识以外，还要求培养学生的自主学习和创新思维能力。课程教学初期，通过小实验、案例分析和思维导图激发学生对材料力学的兴趣和动力，帮助他们克服学科学习的难度，为后续教学打下良好的基础。通过模拟授课和实践教学，促进学生理解和掌握知识，培养学生的自主学习能力、工程思维能力以及将理论运用于实践的能力，增添教学和学习的乐趣。通过深入交流，促进师生之间在课上和课外相互主动反馈和交流，建立良好的师生关系。多种考核方式与完善的考核制度将促进学生全面学习和发展。通过多角度的优化和探索，提高材料力学的教学水平，全方位培养和发展新时代的大学生。参考文献1 白强.大学知识生产模式变革与学科建设创新J.大学教育科学,2020(3):31-38.2 杨静宁,马连生,王鹏.基于案例库建设的材料力学互动教学设计与实施J.力学与实践,2020,42(2):237-241.3 张桂民,王贞硕,董纪伟.土木工程专业材料力学课程教学典型案例分析J.高等建筑教育,2020,29(1):181-188.4 孙训方,方孝淑,关来泰.材料力学M.北京:高等教育出版社,2009:7.5 赵富春,汤亚,倪亚红.“翻转课堂”模式下学生课堂学习参与度量表编制J.江苏高教,2021(4):66-72.6 罗国宇,叶琦旦.基于数值模拟的材料力学课题式教学初探J.高教学刊,2019(16):82-85.7 杨晓.课堂教学的关怀取向J.当代教育与文化,2021(5):26-32.8 吴薇,姚蕊.本科生在线课堂师生互动的满意度及其影响因素J.大学教育科学,2020(4):95-104.9 吴蒙蒙,杨少红,章向明.材料力学考核评价方式的改革与探索J.力学与实践,2019,41(4):475-477.10 张亮亮,袁建林.大学课程考核对学生学习时间投入的影响研究:基于H大学本科生课程考核现状调查数据分析J.现代教育科学,2022(2):136-143,150.11 周海龙,安珍,李平.基于学科思维导图的结构力学教学研究J.高教学刊,2019(8):94-96,99.12 谢和平.对大学教育的几点思考J.大学教育科学,2021(4):4-11.Teaching Optimization and Exploration of the Material Mechanics CourseLIU Chuang,LIU XianAbstract:The traditional teaching methods of Material Mechanics are no longer suitable for the knowledge and skills needs of contemporary college students,and need to be improved.This paper analyzes the problems and shortcomings in the teaching of Material Mechanics from the perspective of students and teachers,and puts forward a series of teaching optimization methods through the analysis of each stage in the whole teaching process,such as starting from the first class to arouse students interest and motivation in learning Material Mechanics,improving students autonomous learning ability and knowledge application level through flipped classroom and curriculum practice,establishing mutual feedback mechanism between teachers and students,promoting communication between teachers and students,improving teaching efficiency,optimizing assessment methods,and improving teaching quality.Key words:active learning;teaching practice;teacher-student communication;multiple forms of assessment编辑：李金枝教改教法85