问题式方法在材料力学课程中的探索与应用

商俊娟 袁志华 李连豪 田辉 何予鹏

摘要：材料力学是工科专业基础课，在本科教学中具有重要作用。鉴于近年来材料力学课时减少，传统课堂难以实现完整教学的现状，本课题组在材料力学教学过程中引入了问题式导入法，在课前引导学生预习新课，课后布置作业，并以作业作为课堂引入。通过在材料力学课程中的探索与实践，问题式教学模式收效良好。

关键词：问题式方法;材料力学;课程改革

以学生为主体的教学与以往的“灌输式”“填鸭式”不同，它是使学生主动参与到教学活动中，从以往的被动接受知识转化为主动探索掌握知识，从知识被附加给学生转化为学生积极转化知识，学生在学习过程中享受探索知识的乐趣，学习成了一种快乐的事情而不是任务。1991年查克林和加姆森在专著《在大学本科教育中恰当运用七条教学原则》中提出本科教育的七项原则，鼓励师生之间密切联系、鼓励学生之间密切合作、鼓励学生主动学习、及时反馈教与学的信息、强调有效利用时间、对学生寄予较高的期望和因材施教。本科教育不只是让学生获得新知识，而是培养学生自主学习能力，培养沟通能力，并学会合理地分配时间，培养自信心，最终塑造完美的人格。

材料力学是研究物体应力与变形的一门学科，理论性较强，同时，又与工程实践紧密结合。本课程对提高学生工程概念和力学概念有着重要作用。学生通过材料力学的学习，应掌握杆件在常见荷载条件下的强度、刚度及稳定性的基本概念和计算方法，运用强度、刚度及稳定性理论对杆件进行校核、截面设计及载荷确定等基本计算工作。掌握材料的力学性能及材料力学实验的基本知识和操作技能。为学习后续有关课程打下基础，为设计既经济又安全的构件，提供必要的理论基础和计算方法。通过材料力学的学习，培养学生分析和解决简单工程问题的能力，培养学生辩证唯物主义的世界观。奠定自主学习基础，加强适应知识更新过程中需要不断学习的意识和自主学习能力。材料力学是工科专业必修课，在本科课程教学中起到承上启下的作用，具有理论性强、知识点繁多等特点。

传统上课方法是“满堂灌”，教师按照总学时来分配每堂课的内容，提前备好课。通过作业的完成情况，教师可以评估出学生对知识点的掌握水平，但由于课堂时间有限，导致部分学生对知识点理解得不够深入。材料力学知识点前后衔接，第一章中内力的求解方法是轴向拉伸和压缩、扭转和弯曲变形中强度校核的基础。新修订的教学大纲中材料力学由原来的56学时缩减为48学时，在教学过程中如何处理好学时短内容多的问题，教师一方面需要加强自我专业素质，另一方面要对教学计划、方法进行改革。鉴于以上问题，本课题组在教学实践中尝试采用问题式教学方法以加强教学效果。

一、问题式教学方法的教学活动设计

材料力学课程理论性较强，公式较多，同时，课堂教学时间有限，导致学生对知识点的掌握程度较差。鉴于以上问题，课题组引入问题式教学方法。主要分两部分内容，一是作业引导式;二为理论联系实际。

（一）作业引导式的问题式教学方法

课前，教师在上堂课的基础上在作业中增加下堂课内容题目，让学生在作业中思考新的教学内容，通过电脑、手机等媒介，借助互联网的知识、教材的内容，以及与同学讨论等方式寻求解决方法，总结知识点，上交作业。教师批改作业，在作业中找到学生理解的问题所在，掌握学生对新课内容的理解程度，有针对性地准备下堂课的内容，为课堂讲授做好准备。课中，教师找几个典型的同学讲解有关本堂课内容的作业题目，然后让同学们讨论讲解是否正确。最后，教师进行讲解补充，强调本堂课的重点和难点。课后，教师布置适量的、知识点不同的作业。让同学们在作业中巩固知识，将知识转化吸收。

以轴向拉伸或压缩时的变形课程为例，具体方法如下。第一，教师在第一次课中讲解如图1左侧所示的例题，它属于静定问题，由静平衡方程和几何关系可求得所有未知量。通过多个类似例题的讲解使学生达到融会贯通的效果，给出如图1右侧所示的例题，让学生课后思考如何求解，课后作业中不止包含静定问题的内容，还增加一个超静定问题，让学生预习新课后完成作业。作业中超静定问题的达成度不计入作业成绩，目的只是引导学生思考;第二，随后课堂上以超静定问题的作业作为切入点让学生讨论解决方法，根据学生作业中出现的问题和讨论的结果，教师开始新课的讲解，学生带着问题和自己的理解听课，跟着老师的思路找到超静定问题与静定问题的区别，并对比自己的理解，找到自己理解的问题所在。通过这样一个过程，学生可以加深对知识点的理解;第三，课后学生完成作业，巩固静定问题和超静定问题的区别，熟练掌握超静定问题的解决步骤和方法。

（二）理论联系实际的问题式教学方法

材料力学是一门理论基础课，是变形体力学的分支，是纯力学的关系模型。为了使学生更容易掌握知识，运用知识，教师让学生通过调研讨论设计真实的构件。具体方法如下。第一，课前教师根据课程内容准备几个真实构件的设计案例，设定一定的设计条件。第二，第一堂课讲授新知识后将学生以宿舍为单位分组，并指定一名组长，组长以抽签的形式分配设计案例，教师安排学生在课后调研讨论出设计方案。第三，第二堂课每组汇报自己的设计方法，汇报人以随机抽取的方法确定，同学们讨论设计方案的优缺点，教师进行点评。指出哪种设计方案既经济又合理。

二、问题式教学方法效果评价

问题式教学方法效果主要表现在学生对知识的掌握程度和思维方式转变两个方面。

（一）问题式教学方法对知识掌握程度的影响

以2016届和2017届交通运输与汽车服务两个专业的学生为例分析教学改革的效果。2016届学生材料力学学时设置为56学时，按照学时和难易程度划分每节课的任务，采用教师课堂上讲解作业和新课，学生课后完成作业的传统模式进行教学。由于课上时间有限，有些学生可能对课后作业没有理解透彻就又要学习新的教学内容，导致这些学生对内容的理解不到位。2017届学生材料力学的学时为48，采用问题式导入法进行授课，学生在听课的过程中有的放矢，在这过程中将自己对知识点的理解与老师的讲解进行对比，这样对知识点的印象更深刻。

表1为2016届和2017届交通运输和汽车服务专业学生的期末考试成绩。由表1可知，中等水平（80～90分）学生比例增加了接近一半，中等偏下（60-70分和70～80分）的学生比例减少，90分以上和不及格的學生基本持平。通过表中数据可以看出教学改革对中等学生成绩提升效果明显，其他分数段学生的效果不明显，主要原因是优秀学生自学能力较强，教学方法的改革对他们影响较小，而不及格的学生是由于他们学习的自制力不够。

（二）问题式教学方法对思维转变的影响

问题式教学方法以问题为导向，以作业或者课后调研设计的形式督促学生思考和讨论，通过一个学期的训练，学生调研能力、查阅资料的能力、自学能力和解决问题的能力得到大幅提高，对学生自身的发展起到了不可替代的作用。

三、总结

通过教学改革，学生的学习能力有了很大提高，学习的自主性增强了，体现在对课后作业的完成度和对新课的预习程度上，同时，课上听讲的参与程度也增加了。通过课程改革，虽然课时减少了，但教学效果有了明显提高。问题式教学不仅提高了学生掌握知识的程度，而且增强了学生的自信心，促进了学生理想人格的塑造。