基于案例库建设的材料力学互动教学设计与实施1)

杨静宁 马连生 王 鹏

(兰州理工大学理学院，兰州730050)

随着科学技术的突飞猛进，材料力学所涉及的领域更加广阔。然而，目前材料力学课堂教学多以理论讲授为主，致使课程理论教学和实际脱节。思考如何在有限的学时内改进教学方法和手段，是当前高校材料力学课程教学面临的一项挑战性的课题。

在全面推进素质教育的背景下，案例教学法作为教学改革的有效途径被逐渐推广。虽然案例教学并不是新鲜事物，但在材料力学课程教学中的应用尚不多见[1-4]，教材中涉及的案例更是屈指可数。然而，小到日常生活，大至国之重器，其背后都蕴藏着极其丰富的材料力学案例素材。笔者借助所在高校材料、机械、土木等工科专业优势，整合了近30年的一线教学经验，以案例库建设驱动教学改革与创新，在教学实践过程中不断探索材料力学课堂线上线下资源共享、课内课外师生互动、问题分析和问题解决深度融合的互动教学模式，在一定程度上改变了以往教师难教、学生难学的窘境，也为其他基础力学课程教学探索出了一条新路子。

1 材料力学KSQ案例库建设构想

1.1 KSQ案例构成要素及分类

“KSQ”即知识点(knowledge points)、情景(situations)和问题(questions)，可视为案例三要素。材料力学案例教学是以“情景”讲述工程或身边力学“故事”的过程，引出相关材料力学“知识点”，通过对“问题”的思考或讨论，让每个“知识点”都鲜活起来。

根据材料力学课程内容，所建KSQ 案例库中的案例涉及构件的强度、刚度、稳定性和综合问题等四个教学模块，知识点涵盖基本变形、强度理论、组合变形、压杆稳定、疲劳等内容。每个模块的案例分为生活型案例(事实型案例)、问题型案例(事故型案例)以及赏析型案例(经典型案例)。

1.2 案例素材来源

案例库建设的关键是对案例素材的挖掘和整理。通过师生协同持续地挖掘源于实践的素材，归类整理、修改完善形成案例并优选入库，最终用于教学。在案例选编过程中，学生既是案例使用者，也是案例贡献者。

其一，主讲教师开发案例。包含对案例素材的收集、整理、试用、优化、效果评估等。考虑到课堂时间的宝贵性，教师需要结合教学目标和任务对所搜集的案例认真考量。

其二，已毕业校友推荐和在读学生选编案例。主讲教师通过建立毕业生就业信息档案，定期进行动态跟踪，加强实际工程问题实时互动交流，对于相关工程问题及解决方案，根据单位实际情况整理汇总，形成案例素材。在读学生结合课程知识点搜寻其他相关案例背景资料，经教师最终修改、完善并审核后，与毕业校友推荐一并上传至材料力学课程学习平台，以供大家交流学习。

1.3 案例撰写与更新

案例撰写要具有可读性，除了文字描述，可适当添加图片。知识点要明确，情景描述要简洁，内在逻辑要清晰。通过对学生所搜集案例素材的点击量(浏览情况)及反馈意见，对案例进行筛选，可作为KSQ 案例库优选案例并推广使用。伴随着新材料、新技术的不断涌现，案例库中的案例也呈现“动态”变化模式。教师和学生共同学习、共同探讨，持续扩充案例教学资源，使教学案例在扩充中完善，在优化中更新。

2 材料力学KSQ案例教学框架设计

2.1 教学理念

基于KSQ 案例教学实质上是教与学融合的互动模式。采用案例教学，可加强学生对抽象概念的理解，真正体会到材料力学的魅力及其重要性，对实际问题的认识从感性到理性，以增强工程“实战”经验，这不仅有利于综合能力的培养，也能体现素质教育的理念。

2.2 教学框架设计

材料力学课程KSQ 案例教学应根据课程知识点进行，帮助学生树立工程实践意识和质量安全意识。教学设计遵循“一三二”的教学框架，如图1 所示。即以能力培养为目标，以培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力(可简称为“3Q”能力)为主线，以强化实践意识和安全意识为两翼。通过两翼配合“3Q”能力的训练，以达到提升学生综合能力。

3 材料力学KSQ案例教学实施

基于KSQ 案例库建设的教学实施，应根据教师和学生在学习过程中充当的角色，精选适当案例，通过课前准备、课中讨论及课后思考实现课前课后协同联动、线上线下资源共享。

3.1 课前精选案例，激发学生学习热情

案例教学的关键是案例库的建设与具体案例的选择。主讲教师课前需要准确把握教学目标、教学内容以及不同专业学生对案例的差异化需求。

首先，依据教学目标，在案例库中选择案例、调整问题，使之具有多彩的形式和丰富的内涵，以便为课程教学提供更广阔的学习与创新思维空间；其次，

图1 基于KSQ 案例库的“一三二”教学框架

依据教学内容和知识点，选择更贴近工程实际的案例；再次，结合授课学生专业的特点，根据培养方案对专业学生毕业能力要求，选择更符合专业实际的案例；最后，为提升课堂讨论效率，对较为复杂的问题型案例，需要主讲教师课前通过课程微信、QQ 群或者课程网络教学平台发送，做好课堂案例讨论的充分准备。

3.2 课中互动讨论，提升课堂学习效率

案例教学的核心理念是师生互动、相互启发、问题延伸、创新思维。作为教师要营造平等民主的氛围，鼓励学生大胆思考、充分表达，增强学习的主动性[5]。

3.2.1 问题发现：老师预设＋学生引伸

案例中的情景是对具体事件的简要描述，通过案例情景引导学生发现问题。除了老师提出的问题外，同时要鼓励学生提出一些新的相关问题。

下面结合课堂教学实践，以KSQ生活型案例为例，通过案例预设问题的讨论，引导学生发现针对知识点的其他力学问题，如表1。

通过对熟知的生活型案例讨论，引导学生发现更多熟悉而不曾深入思考的问题，从而树立问题意识，这加深了学生对相应知识点的理解，使他们对相关理论不再觉得枯燥、抽象。

3.2.2 问题分析：理论依据＋创新思维

创新思维训练是重要的教学任务。案例教学应关注学生分析案例所用的理论知识点，引导学生科学地分析；注意观察学生分析思路是否清晰，表述是否符合逻辑；引导学生突破固有的思维模式，进行有针对性、开拓性、创新性的思维训练。

例如在讲授压杆稳定性内容时，可选取“2008年我国南方雪灾导致的输电塔倒塌事件”[6]作为问题型案例，引导学生从材料的低温冷脆、导线冷缩产生的温度应力、覆冰导致杆件内力变化等方面分析高压线塔倒塌的原因。

(1) 低温冷脆分析

由于钢结构所处的环境温度在低于零下20◦C时才需考虑低温对结构的影响，而2008年南方的最低气温只有零下几度，这对钢材性能的影响并不大，因此材料的低温冷脆不是主要原因。

(2) 导线冷缩分析

针对500 kV 高压输电线，其材料一般是Q235钢，线膨胀系数α= 1.2×10−5◦C−1，弹性模量E=200 GPa，设环境的温度差∆T=−20◦C，则降温产生的导线温度应力σT=−αE∆T= 48 MPa。由于这个应力增量较小，因此导线冷缩产生的拉力也不可能对输电线塔产生大的影响。

(3) 破坏形式分析

输电线塔属于柔性的杆系结构，每一杆件承受轴向压力(或拉力)，而受压构件一般是细长杆，故须从压杆稳定性方面进行分析。由于覆冰，使得某些受压杆件的轴向压力随之增大而最先发生失稳，从而导致整体结构随之破坏。当一个塔架失稳倒塌后，相邻的塔架瞬间失去平衡，继而引发连锁破坏。

虽然结构的破坏往往是多种因素相互作用的结果，但通过引导学生从材料力学角度出发，利用相关知识点对问题进行分析，可达到训练其创新思维能力的目的。

3.2.3 问题解决：可行方案＋最优方案

案例教学旨在提升学生分析、解决问题的能力。考虑到工程实际问题的解决方案往往不是唯一的，老师应引导学生从多方面、多角度研究问题，判断分析各方案是否合适或可行。在多个可行方案中，可引导学生选择“最优方案”。课堂上一般不分组，教师面对全班学生抛出问题，采用不确定的方式，可向从未提问过的学生发问，也可向之前提问过的学生进行追问。这种随机发问方式，可迫使学生集中注意力，聆听他人的发言并分享观点，进行友好的争辩，抱着开放的心态评估各种解决方案，在讨论中提高解决问题的能力[7]。

3.3 课后交流分享，拓展学生学习空间

有效构建材料力学课程的知识结构，仅靠课堂提供的信息往往是不够的，通过课后思考，延伸课堂教学，势在必行。具体实施办法是在原有课后习题基础上增加案例分析题。可要求学生根据要求撰写案例分析报告，从问题案例中吸取教训，从赏析案例中总结经验。教师审阅后，可在课程网络教学平台对个人(团队)案例分析报告进行点评，筛选出优秀的分析报告供大家参考借鉴。

考虑到智能手机的普及以及案例图文并茂的展示，可借助网络手段，建立案例库共享中心，积极开展“指尖上的力学”教学，以配合课堂教学。针对课堂没有充分讨论的案例或相关案例，可以二维码的形式在网络社群发送给学生。例如在讲到剪切时，可从案例库中选取“泰坦尼克沉船悬疑”作为课后思考案例，如图2 所示。在讲到弯曲强度时，可从案例库中选取赏析型案例“赵州桥的奥妙”，作为课后思考案例，如图3 所示。由于赵州桥的设计兼具美学与科学，充分显示出了中国劳动人民的智慧和力量，因此，本案例也可作为材料力学课程的思政元素。通过赏析型案例教学，可使爱国教育、历史文化传统教育与专业教育得到有机结合，达到教书育人的效果。

通过“互联网＋教育”技术和教学手段的应用，可实现案例教学的线上线下资源共享、师生协同联动，问题分析和问题解决的深度融合，最大限度地实现教学融合和教学相长。

图2 “泰坦尼克”沉船悬疑

图3 赵州桥的奥妙

4 结束语

基于KSQ案例建设的材料力学课程教学，旨在通过生活型案例激发学生的兴趣，关注身边的力学问题；通过问题型案例，促使学生积累专业知识，汲取经验教训；通过经典赏析型案例帮助学生增长见识，拓展思维。教师通过课前准备、课中讨论、课后思考案例教学的有效实施，使学生系统掌握材料力学基本理论和基本方法，加强了学生的工程素养，一方面使得本课程更易理解，另一方面使学生更注重知识间的联系，为后续专业课程学习奠定良好的基础，实现课程教学从课内延伸到课外，使学生在整个教学过程更加勤于观察、善于思考，更乐于总结，最终形成教学目标、教学资源、教学模式的良性循环。