姚征 孫先念 夏冬生

摘? ? 要：“材料力學(xué)”是工科類專業(yè)的必修課程，是學(xué)生進(jìn)入工程領(lǐng)域的起點(diǎn)。“材料力學(xué)”課程設(shè)計(jì)既要考慮與已修課程的知識(shí)銜接，也要考慮對(duì)后續(xù)課程的鋪墊，而且要做好所在專業(yè)領(lǐng)域的最新知識(shí)拓展，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效果，增強(qiáng)職業(yè)信心。文章針對(duì)大連海事大學(xué)“雙一流”建設(shè)的交通運(yùn)輸工程專業(yè)特色和教學(xué)特點(diǎn)，將自主完成的交通運(yùn)輸領(lǐng)域部分科研成果作為工程實(shí)例引入教學(xué)，通過對(duì)案例的基礎(chǔ)知識(shí)分析、計(jì)算過程進(jìn)行優(yōu)化，培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力、抽象化能力和計(jì)算能力，并通過分組研討和互評(píng)總結(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的表達(dá)能力、自學(xué)能力以及協(xié)作能力。

關(guān)鍵詞：混合式教學(xué);案例式教學(xué);慕課;翻轉(zhuǎn)課堂;思政教育

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1002-4107（2022）01-0052-03

近幾年多所高校新增新工科相關(guān)專業(yè)，穩(wěn)步擴(kuò)招理工類學(xué)生，并開設(shè)或準(zhǔn)備開設(shè)國際班。這反映了我國在這些領(lǐng)域的不斷強(qiáng)大及專業(yè)建設(shè)的需求，因此相關(guān)課程既要滿足人才的培養(yǎng)要求，也要通過教學(xué)改革提高教學(xué)效果，而“材料力學(xué)”及相關(guān)力學(xué)課程正是理工類專業(yè)學(xué)生的專業(yè)核心課程之一。通過“材料力學(xué)”課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生對(duì)桿件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問題具有明確的基本概念、必要的基礎(chǔ)知識(shí)和初步的計(jì)算能力，對(duì)材料的基本力學(xué)性質(zhì)有初步認(rèn)識(shí)，為工程選擇既安全又經(jīng)濟(jì)的構(gòu)件提供基礎(chǔ)理論和分析計(jì)算方法。“材料力學(xué)”的先修課程為“理論力學(xué)”“高等數(shù)學(xué)”“大學(xué)物理”“機(jī)械制圖”，授課時(shí)需要考慮知識(shí)間的邏輯性與連貫性，以提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和應(yīng)用能力。通過課程學(xué)習(xí)為后續(xù)相關(guān)課程提供必要的力學(xué)基礎(chǔ)，并培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力、表達(dá)能力、計(jì)算能力和自學(xué)能力。

一、“材料力學(xué)”授課特點(diǎn)及教改措施

“材料力學(xué)”課程的授課對(duì)象主要為大二學(xué)生，根據(jù)不同專業(yè)的培養(yǎng)需求，授課學(xué)時(shí)從32學(xué)時(shí)到80學(xué)時(shí)不等。其中面向機(jī)械設(shè)計(jì)、船舶與海洋工程、土木工程等專業(yè)的學(xué)生時(shí)“材料力學(xué)”課程授課時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)理論基礎(chǔ)要求高，兼顧理解和應(yīng)用且學(xué)習(xí)難度較大，在傳統(tǒng)教學(xué)模式下的成績(jī)并不理想，學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握也比較生硬，從而造成課程成績(jī)不理想，并對(duì)后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生不利影響。引起這一現(xiàn)象的主要原因有兩個(gè)：一個(gè)是課程的知識(shí)跨度較大，需要綜合應(yīng)用多門先修課程中相關(guān)內(nèi)容的理論知識(shí)，而且在“材料力學(xué)”不同章節(jié)中的要求和難易度均不盡相同，在學(xué)習(xí)時(shí)很容易產(chǎn)生對(duì)已學(xué)課程相關(guān)知識(shí)的生疏與淡忘現(xiàn)象，嚴(yán)重影響后續(xù)的學(xué)習(xí)效果，從而破壞了課程學(xué)習(xí)的連貫性;另一個(gè)是經(jīng)過大學(xué)一年的學(xué)習(xí)之后，會(huì)有部分學(xué)生由于自主學(xué)習(xí)能力不足而處于被動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài)，存在上課不注意聽講、實(shí)驗(yàn)與作業(yè)應(yīng)付了事、試圖通過考前突擊來通過課程考核等現(xiàn)象。針對(duì)這些問題，教學(xué)團(tuán)隊(duì)從培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與自學(xué)能力出發(fā)，充分利用精品慕課、直播授課平臺(tái)、智慧教室等資源豐富傳統(tǒng)的教學(xué)模式，積極開展“材料力學(xué)”混合式授課。

為了充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并加深知識(shí)的理解與應(yīng)用，教學(xué)團(tuán)隊(duì)將多個(gè)自主完成的工程項(xiàng)目轉(zhuǎn)化為實(shí)例引入課程教學(xué)。通過對(duì)案例的選擇、簡(jiǎn)化與設(shè)計(jì)，讓其與教材各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)充分融合，還充分考慮了與先修課程和后續(xù)專業(yè)知識(shí)的關(guān)聯(lián)，使得整個(gè)課程知識(shí)體系的內(nèi)容更加連貫，有利于學(xué)生理解與記憶。而包含多個(gè)知識(shí)環(huán)節(jié)且不同難易度的開放性設(shè)計(jì)作業(yè)的設(shè)置，以及翻轉(zhuǎn)課堂各小組講解答疑人員的輪換要求，使得學(xué)生必須認(rèn)真參與工程設(shè)計(jì)模擬過程中各階段的作業(yè)，并通過合作研討發(fā)表自己的見解。這樣做既增加了知識(shí)的實(shí)踐性和趣味性，又提升了學(xué)生的協(xié)作能力和表述能力。結(jié)合在慕課堂開展的各類線上線下隨機(jī)提問，選擇、判斷題提交和學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，可全過程掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況并對(duì)其進(jìn)行督促，從而最大程度上減少考前突擊現(xiàn)象。通過對(duì)教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)過程的設(shè)計(jì)與改革，“材料力學(xué)”課程的整體成績(jī)得到提升，優(yōu)秀率大幅提升，而且學(xué)生評(píng)教結(jié)果喜人。

二、基于進(jìn)階性案例的“材料力學(xué)”混合式課程設(shè)計(jì)

“材料力學(xué)”課程的開課對(duì)象為大二學(xué)生，大二階段既是學(xué)習(xí)最繁重的大學(xué)階段，也是剛剛適應(yīng)大學(xué)生活后開始思考自身發(fā)展的關(guān)鍵階段。此時(shí)的課程設(shè)計(jì)既要考慮與先修課程的知識(shí)銜接，也要考慮對(duì)后續(xù)課程的鋪墊，而且要做好學(xué)生所在專業(yè)領(lǐng)域的最新知識(shí)拓展與心理疏導(dǎo)，以促進(jìn)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效果，提升職業(yè)信心。因此，教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過總結(jié)多年的課程數(shù)據(jù)與授課經(jīng)驗(yàn)，基于工程案例開展“材料力學(xué)”課程混合式授課。針對(duì)大連海事大學(xué)“雙一流”建設(shè)的交通運(yùn)輸工程的專業(yè)特色和教學(xué)特點(diǎn)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)結(jié)合近幾年的科學(xué)研究成果與教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，并充分考慮工程背景的前沿性、知識(shí)的相關(guān)性以及知識(shí)點(diǎn)難易程度，選取并設(shè)計(jì)了交通運(yùn)輸工程領(lǐng)域的一個(gè)核心案例和兩個(gè)輔助案例融入教學(xué)過程。這三個(gè)案例分別是：鋼卷運(yùn)輸過程中的吊裝設(shè)備——雙臂立卷夾鉗（核心案例，中型機(jī)械結(jié)構(gòu)）;煤炭運(yùn)輸過程的港口卸貨設(shè)備——全機(jī)械式雙車翻車機(jī)（輔助案例，大型機(jī)械結(jié)構(gòu)）;散料挖掘，堆放的高效裝卸機(jī)械——斗輪堆取料機(jī)（輔助案例，超大型機(jī)械結(jié)構(gòu)）。這三個(gè)工程案例貫穿整個(gè)“材料力學(xué)”授課內(nèi)容（如圖1所示），并圍繞核心案例設(shè)計(jì)一系列的工程設(shè)計(jì)模擬作業(yè)，以提高學(xué)生知識(shí)融合能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

“材料力學(xué)”各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)間既存在關(guān)聯(lián)性，也有一定的獨(dú)立性。為了讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中認(rèn)識(shí)到知識(shí)間的關(guān)聯(lián)性與積累的重要性，課程設(shè)計(jì)的三個(gè)案例覆蓋了課程全部章節(jié)的主要知識(shí)點(diǎn)，并利用一系列階段性設(shè)計(jì)作業(yè)把多個(gè)章節(jié)的內(nèi)容關(guān)聯(lián)起來。建立學(xué)習(xí)小組并給各組分派不同的工況條件來完成設(shè)計(jì)作業(yè)，以提高學(xué)生的邏輯思維與分析能力。由于每個(gè)階段性設(shè)計(jì)作業(yè)并不獨(dú)立，需要基于之前設(shè)計(jì)作業(yè)的結(jié)果進(jìn)行，所以可以使學(xué)生在趣味十足的學(xué)習(xí)討論過程中不斷溫故知新，逐漸加強(qiáng)對(duì)知識(shí)的理解與應(yīng)用，這正是進(jìn)階性案例設(shè)計(jì)的核心所在。以案例一為例，簡(jiǎn)單闡述進(jìn)階性案例設(shè)計(jì)在課程設(shè)計(jì)中的特點(diǎn)。通過線上演示工程實(shí)例到CAE模型的構(gòu)建過程，讓學(xué)生初步了解工程實(shí)踐到理論模型的演變過程。隨后將根據(jù)雙臂立卷夾鉗的CAD圖紙簡(jiǎn)化修改過的模型紙板分組下發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)圖紙組裝各小組的簡(jiǎn)化模型，進(jìn)而可分析模型各部件間的不同約束特點(diǎn)、受力關(guān)系及結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形式。通過給不同的學(xué)習(xí)小組分派不同的結(jié)構(gòu)工況，并利用智慧教室開展小組間的工況分析與答疑活動(dòng)，可使學(xué)生通過小組合作促進(jìn)彼此間的知識(shí)理解。在提高知識(shí)的應(yīng)用性和趣味性的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了與先修課程的知識(shí)融合。作為核心案例，在學(xué)習(xí)過程中會(huì)布置5個(gè)雙臂立卷夾鉗的階段性設(shè)計(jì)作業(yè)，分別是給定鋼卷尺寸的夾持力和吊裝力計(jì)算;立卷夾鉗夾持鋼卷過程的內(nèi)外鉗口運(yùn)動(dòng)分析;根據(jù)應(yīng)力云圖的工程電測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì);指定工況下外鉗臂或吊裝臂的彎曲受力分析;指定工況下外鉗臂或吊裝臂的組合變形分析。要求各組在不同階段由不同學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)作業(yè)進(jìn)行宣講和答辯，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，通過參與力學(xué)知識(shí)的分析與討論加深對(duì)知識(shí)的應(yīng)用性學(xué)習(xí)。最后由學(xué)生匯總各小組的分析結(jié)果，撰寫工程設(shè)計(jì)計(jì)算報(bào)告。從分組討論到協(xié)同合作，循序漸進(jìn)，讓學(xué)生體驗(yàn)工程分析與設(shè)計(jì)全過程，不僅使學(xué)習(xí)充滿樂趣，還有利于加深對(duì)知識(shí)的理解，使學(xué)生逐漸具備解決復(fù)雜問題的綜合能力。為進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維和能力，課程結(jié)束前還會(huì)發(fā)布附加設(shè)計(jì)作業(yè)，供學(xué)生選擇與挑戰(zhàn)。案例二，秦皇島港的全機(jī)械式雙車翻車機(jī)向?qū)W生展示了散料的現(xiàn)代化運(yùn)輸與卸載過程，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮了扭轉(zhuǎn)、彎曲、沖擊和疲勞等因素。同樣從交通運(yùn)輸行業(yè)的工程背景開始，到各部件的拆分與受力分析，最后完成整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析與疲勞分析，通過案例將各相關(guān)章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)逐漸展示給學(xué)生。而案例三的斗輪堆取料機(jī)作為散料挖掘、堆放的超大型機(jī)械，其上部俯仰鋼結(jié)構(gòu)和主懸臂梁的強(qiáng)度分析則囊括了拉伸與壓縮、彎曲、組合變形和能量方法這些章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)。作為工程實(shí)踐中最廣泛存在的彎曲變形則在三個(gè)工程案例中都有所涉及，可進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。

生動(dòng)的工程案例分析可激發(fā)學(xué)生的求知欲，既有本?！半p一流”學(xué)科的專業(yè)特色，又可培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，還可通過對(duì)應(yīng)專業(yè)的知識(shí)拓展來提升職業(yè)信心。通過對(duì)案例的認(rèn)知、分析、計(jì)算過程，可培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力、抽象化能力和計(jì)算能力;并通過分組研討、互評(píng)總結(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的表達(dá)能力、自學(xué)能力以及協(xié)作能力。

為了能更好地輔助教學(xué)并充分鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，教學(xué)團(tuán)隊(duì)還引入國家級(jí)精品慕課開設(shè)SPOC課程。讓學(xué)生利用慕課自主學(xué)習(xí)部分章節(jié)的基礎(chǔ)知識(shí)并完成在線測(cè)試，通過趣味十足的線上或線下課堂討論加深認(rèn)識(shí)。授課時(shí)除了采用投票、選擇等在線統(tǒng)計(jì)方式開展問題討論外，還可以不定時(shí)拋出各類工程實(shí)踐問題，讓學(xué)生通過限時(shí)查閱資料予以解答，活躍課堂的同時(shí)鍛煉學(xué)生的探究能力和檢索能力。利用線上直播平臺(tái)對(duì)各章節(jié)的總結(jié)復(fù)習(xí)和難題進(jìn)行解析，講解過程以手寫為主，逐步點(diǎn)明要點(diǎn)所在，以增加學(xué)生的代入感，而直播平臺(tái)的回放功能則有助于學(xué)生開展有針對(duì)性的復(fù)習(xí)。

課程考核包括期末閉卷考試和平時(shí)成績(jī)，各占總成績(jī)的50%。期末考試以主觀題為主，測(cè)試學(xué)生對(duì)簡(jiǎn)化工程問題的綜合處理能力，并利用少量的客觀題補(bǔ)全整個(gè)課程的知識(shí)體系。平時(shí)成績(jī)則包括自主學(xué)習(xí)部分（慕課學(xué)習(xí)完成度和基于慕課的線上測(cè)試）、線上授課的課堂互動(dòng)與測(cè)試、章節(jié)課后作業(yè)、案例分析作業(yè)、翻轉(zhuǎn)課堂發(fā)言討論以及附加設(shè)計(jì)作業(yè)等。各章節(jié)所對(duì)應(yīng)的平時(shí)成績(jī)均實(shí)時(shí)給出并由慕課堂公布，供學(xué)生查詢了解自身情況，以促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

三、混合式教學(xué)中的思政教育

在“材料力學(xué)”課程中輔助性地開展關(guān)于社會(huì)主義核心價(jià)值觀、中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化等方面的同步教育，使學(xué)生把握工程理念的同時(shí)，還能更深入地理解社會(huì)主義核心價(jià)值觀和中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的內(nèi)涵。從理論上說，這也是自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)與哲學(xué)的相互滲透與支撐作用在工程技術(shù)領(lǐng)域的具體實(shí)踐。比如在講解鋼木混合超靜定結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，深入分析鋼先于木材破壞的結(jié)構(gòu)原理，引出許用應(yīng)變的本質(zhì)，結(jié)合老子“柔弱勝剛強(qiáng)”的哲學(xué)思想，指出人應(yīng)當(dāng)善于通過自我塑造（塑性變形）來升華。在講授組合變形的疊加性原理時(shí)，指出其本質(zhì)就是拆分與組合，亦即“化繁為簡(jiǎn)”，正是道德經(jīng)中“大道至簡(jiǎn)”的道理。而在立卷夾鉗的工程設(shè)計(jì)與分析中化繁為簡(jiǎn)也有其重要意義：首先設(shè)計(jì)采用重力式承載的低碳設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)成本低;其次分析計(jì)算時(shí)抓住主導(dǎo)因素，合理簡(jiǎn)化可以高效率地解決實(shí)際問題;最后指出“化繁為簡(jiǎn)”不僅是工程處理中的重要手段，也是一種重要的生活態(tài)度，要給生活做減法，懂得取舍。

四、課程特色與展望

“材料力學(xué)”混合式教學(xué)課程設(shè)計(jì)充分考慮了與先修課程的銜接，以及對(duì)后續(xù)專業(yè)知識(shí)的拓展，選取并設(shè)計(jì)了一個(gè)囊括“材料力學(xué)”課程中主要知識(shí)點(diǎn)的核心案例和兩個(gè)補(bǔ)全課程知識(shí)體系的輔助案例。通過模型制作、不同工況的分組分析、實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案設(shè)計(jì)、計(jì)算方案討論等過程，不僅使學(xué)習(xí)充滿樂趣，還有利于加深對(duì)知識(shí)的理解，使學(xué)生逐漸具備解決復(fù)雜問題的綜合能力，充分體現(xiàn)了該課程設(shè)計(jì)的“高階性”。圍繞核心案例設(shè)計(jì)一系列的開放性工程設(shè)計(jì)作業(yè)，使學(xué)生完成一次完整的模擬性工程設(shè)計(jì)，并利用翻轉(zhuǎn)課堂進(jìn)行小組間的研討。引導(dǎo)學(xué)生匯總不同工況小組的計(jì)算結(jié)果，撰寫力學(xué)分析計(jì)算報(bào)告。從分組討論到協(xié)同合作，讓學(xué)生體驗(yàn)一次工程分析與設(shè)計(jì)的全過程，充分體現(xiàn)了課程設(shè)計(jì)的“創(chuàng)新性”。而為了鼓勵(lì)學(xué)生的挑戰(zhàn)精神，當(dāng)教學(xué)案例全部講授結(jié)束之后，還會(huì)以附加題的形式給出最后的設(shè)計(jì)作業(yè)供學(xué)生選擇，并在課程考核中給予體現(xiàn)。

將工程案例引入混合式教學(xué)，使知識(shí)與實(shí)踐合理的融合，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力，加深知識(shí)理解，引導(dǎo)創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)其自主學(xué)習(xí)能力，提高學(xué)習(xí)興趣和知識(shí)的綜合應(yīng)用能力。今后教學(xué)團(tuán)隊(duì)需要結(jié)合授課教材，進(jìn)一步升華用于教學(xué)的工程案例。根據(jù)教材進(jìn)一步細(xì)化案例中的知識(shí)點(diǎn)，并不斷追求理論知識(shí)到工程實(shí)踐之間更恰當(dāng)?shù)谋硎龇绞?，以期不斷提高教學(xué)中各知識(shí)點(diǎn)的覆蓋面和凝練度。

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[責(zé)任編輯? 韓曉雨]

收稿日期：2021-04-27

作者簡(jiǎn)介：姚征（1978—），男，河北石家莊人，大連海事大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院副教授，博士，主要從事工程力學(xué)研究。

基金項(xiàng)目：教育部力學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)項(xiàng)目“基于現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)力學(xué)‘金課’課程群建設(shè)模式的研究與實(shí)踐”（JKJH201902）;大連海事大學(xué)教改項(xiàng)目“‘課程思政’示范課程”（IC-21-017）