基于“四维统一”模式的“材料力学”教学改革探索

韩美东　何巍　王娜

[摘 要] “材料力学”是高校开设的一门高度普及的专业基础课，重点研究构件的强度、刚度和稳定性问题。在新工科建设大背景下，课程的传统知识型教学已经无法满足全方位的育人需求。为此，提出基于“四维统一”模式的“材料力学”教学改革理念，旨在达成课程教学在基础性与高阶性、理论性与应用性、思想性与科学性、线上教学与线下教学等多个方面的有机统一，进而提高教学活动的适应性，推动创新型人才在“知识体系+能力体系+价值体系”的全方位培养。

[关键词] 材料力学;高阶性;应用性;课程思政;线上教学

[基金项目] 2019年度南昌航空大学教改课题“多维度构建材料力学教学的探索与实践”（JY2027）;2021年度南昌航空大学“课程思政”示范课程建设项目“材料力学”

[作者简介] 韩美东（1987—），男，辽宁阜新人，博士，南昌航空大学飞行器工程学院讲师，主要从事固体力学数值计算方法研究;何 巍（1989—），男，江西鹰潭人，博士，湖南大学机械与运载工程学院副教授，主要从事光测力学研究;王 娜（1988—），女，江西赣州人，硕士，航空工业江西洪都航空工业集团有限责任公司飞机总装厂工程师，主要从事飞行器的气动力工程计算研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）45-0063-04   [收稿日期] 2021-03-04

一、引言

“材料力学”是高校工科专业必修的基础课程之一，在机械、土木、航空航天等专业的培养体系中具有重要支撑作用[1]。首先，受课程知识体量大、理论性强、难度高等因素的限制及传统教育思维的影响，目前材料力学的教学多侧重于力学概念与基础理论的讲解，致使课程学习与工程实际存在一定的脱节，且习题案例均以简化模型为主，学生在学习过程中难以触及知识的整合运用，认知深度和思维广度均有所欠缺。其次，在新工科建设大背景下，传统的知识型教学已无法满足育人需求，课程教学亟须融入新的时代元素、国家需求、学科前沿及价值理念，达到思想与科学的共同传承，学识与能力的同步提升，并促进经典理论的创新性应用[2，3]。此外，新冠肺炎疫情的出现又对传统的课堂教学提出了新的挑战，线上教学应运而生。如何充分利用线下教学与线上教学各自的优势，使两者有机结合、相互促进，是当下材料力学教学改革亟待探究的课题。为此，本文提出“四维统一”的教学理念，以实现“材料力学”课程教学对学生能力的全方位培养。

二、“四维统一”模式的教学理念与实施措施

（一）基础性与高阶性的统一

材料力学为变形体力学的学习起点，其知识体系复杂且偏于基础理论。本文以刚度、强度和稳定性为三大主线，对课程的知识体系进行拆解和重构（如图1所示）。首先，分别以拉压、扭转和弯曲三种基本变形为载体，建立“单一变形”“静定条件”“静态载荷”简单工况下刚度、强度和稳定性分析的基础理论架构。该部分内容的教学以精细的概念解读、完备的过程推导和详细的思路分析为主，侧重学生对力学概念和基础理论的理解，并夯实基础。其次，对简单工况进行升级，开展由“单一变形”到“组合变形”，由“静定条件”到“超静定条件”，由“静态载荷”到“动态载荷”的升级式学习，侧重解读由简单到复杂的转换过程中知识的差异性和关联性，引导学生主动思考如何从旧知中获取新知，进而从温故知新中深化对底层知识的理解。最后，对复杂条件做进一步的整合，设计综合性问题和案例，挖掘各知识分支的结合点，注重知识的整合运用与变换应用，进而提升学生的思维深度和广度。此外，注重发掘学科间的关联性，在课程讲解中融入其他课程的相关知识和思想，以培养学生的交叉思维能力。在此架构下，课程教学以扎实基础为前提，通过“分级学习，逐级深入，关联整合，创新应用”的递进模式，实现课程教学在基础性与高阶性上的有机统一。

（二）理论性与应用性的统一

作为专业基础课，材料力学具有其自身的优势，即知识体系与工程实际高度相关。首先，围绕强度、刚度和稳定性三大核心知识点，对相关工程案例进行分类总结。基于大量的文献调研和案例挖掘，本研究建立的知识内容与工程应用的结合关系如图2所示。其中，强度为结构抵抗破坏的能力，因此建筑倒塌、隧道施工、桥梁断裂、容器炸裂等与破坏相关的问题都可与强度分析的教学内容相结合。刚度为结构抵抗变形的能力，故精密加工、桥面形变、机翼设计等对变形控制有较高要求的工程案例，皆可引入刚度理论的教学之中。稳定性是结构维持原有平衡状态的能力，因此千斤顶的设计、脚手架的失稳、桁架结构的垮塌等与稳定性相关的案例均可融入理论教学之中。其次，在课程的整体教学设计中，明确理论联系实际的教学指导思想，将工程案例与基础理论有机结合，提出工程中对于安全可靠和经济美观的矛盾关系，引导学生主动思考、互动讨论，培养其由理论到实际的分析思维及解决实际问题的能力，做到活学活用。

（三）科学性与思想性的统一

作為经典力学课程，“材料力学”的发展历史悠久，内容体系完备，又具有广泛的工程应用背景。基于上述特点，本研究从三个维度开展“材料力学”课程思政，具体架构如图3所示。（1）科学人物与发展历程：在知识的背景介绍中，引入力学家的典型事迹、探索历程、知识的形成与演化过程，以培养和激发学生的创新精神及不畏艰难、刻苦钻研、坚持不懈的优良品质。（2）工程案例和科学研究：在相关知识的工程应用、典型案例和科研热点问题的讲解中，融入工匠精神、奉献精神和职业道德等素质教育。（3）历史文化和时代背景：力学学科的发展离不开中华民族的伟大贡献，从经典的斗拱结构、郑玄的“胡克定律”到如今的北斗导航、高速铁路，诸多案例都与材料力学紧密相连。在相关知识的教学中融入经典案例的分析，并结合历史文化和时代背景的解读，既可提升学生的学习兴趣，又可增进其对民族文化的了解，培养其文化自信和家国情怀。此外，要对思想政治内容的切入时机和融合方式进行精心设计，并通过教学实践不断调整和完善，以实现专业内容与思想政治内容“转场自然”，学生情感与思想自然升温。

（四）線上教学与线下教学的统一

新冠肺炎疫情的出现对传统的课堂教学提出了新的挑战，线上教学应运而生。立足长远，随着信息技术的不断升级完善，线上与线下相结合的教学模式将成为未来高等教育重要的发展方向。线上教学具有资源丰富、模式灵活、信息统计便捷等优势，而传统的课堂教学具有互动性强、反馈及时、有创造性和针对性等优势。为了充分利用两种模式的优点，本研究按功能性将材料力学的教学过程拆分为三大环节：课前引导、课堂教学和课后研讨。（1）课前引导的目的在于让学生对课堂学习做好预习和准备，了解知识背景，明确后续的课堂听课目标，并锁定重点。考虑到课前学习的灵活性和自由性，该环节通过线上学习平台完成。建立线上学习班级，课前在平台上发布预习任务、背景知识、重点、难点和预设问题。（2）课堂教学是整个教学的核心环节，拟分八个步骤开展：知识回顾、内容引入、基础讲解、例题分析、综合应用、课堂留白、强化提高和知识总结。课堂教学以引导式和启发式教学为主，并要充分利用师生面对面的环境优势来增强互动，注重学生的听课反馈，并及时调整授课节奏和讲解方式。抛开“模板”，因班制宜，建立不同班级的定制化专属课堂。需特别指出的是课堂考勤签到和随堂测验环节将通过线上平台完成，以改进传统点名和测试的费时费力、覆盖面局限、统计烦琐等不足，使得考勤记录更加全面、快捷、准确。（3）课后研讨是学生消化吸收课堂知识的重要环节，由习题训练、拓展学习和答疑讨论三部分组成。首先，通过线上平台发布课后作业并进行批改，借助线上平台多样化的信息统计工具，量化每个学生的作业完成情况，并以此为依据向学生进行有针对性的反馈。其次，围绕课堂内容在线上发布相关拓展学习资料，供有余力的学生拓宽视野，提升认知深度和广度。最后，利用线上平台的便捷性，可实时为学生进行答疑解惑，突破传统答疑方式对时间和空间的限制。基于上述探索，本文所建立的“四维统一”模式下的“材料力学”课程的整体教学实施方案，如图4所示。

三、结语

在新工科背景下，对传统的“材料力学”课程教学进行多维度的重构与优化是大势所趋。本文以推动创新型人才的全方位培养为导向，构建了“四维统一”的教学理念，并给出了具体举措，旨在提升课程教学的高阶性、思想性、应用性和灵活性。

参考文献

[1]周岭.“材料力学”课程思政的教学探索[J].教育教学论坛，2020（20）：110-111.

[2]彭雅轩.新工科背景下材料力学课程教学改革探索[J].科技视界，2019（32）：159-160.

[3]宋秋红，袁军亭，张俊，等.“材料力学”课程思政建设实践探索[J].课程教育研究，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