基于进阶性案例的“材料力学”混合式教学改革与实践

姚征 孙先念 夏冬生

摘    要：“材料力学”是工科类专业的必修课程，是学生进入工程领域的起点。“材料力学”课程设计既要考虑与已修课程的知识衔接，也要考虑对后续课程的铺垫，而且要做好所在专业领域的最新知识拓展，以激发学生学习兴趣，提高学习效果，增强职业信心。文章针对大连海事大学“双一流”建设的交通运输工程专业特色和教学特点，将自主完成的交通运输领域部分科研成果作为工程实例引入教学，通过对案例的基础知识分析、计算过程进行优化，培养学生逻辑思维能力、抽象化能力和计算能力，并通过分组研讨和互评总结，培养学生的表达能力、自学能力以及协作能力。

关键词：混合式教学;案例式教学;慕课;翻转课堂;思政教育

中图分类号：G642          文献标识码：A          文章编号：1002-4107（2022）01-0052-03

近几年多所高校新增新工科相关专业，稳步扩招理工类学生，并开设或准备开设国际班。这反映了我国在这些领域的不断强大及专业建设的需求，因此相关课程既要满足人才的培养要求，也要通过教学改革提高教学效果，而“材料力学”及相关力学课程正是理工类专业学生的专业核心课程之一。通过“材料力学”课程的学习，使学生对杆件的强度、刚度和稳定性问题具有明确的基本概念、必要的基础知识和初步的计算能力，对材料的基本力学性质有初步认识，为工程选择既安全又经济的构件提供基础理论和分析计算方法。“材料力学”的先修课程为“理论力学”“高等数学”“大学物理”“机械制图”，授课时需要考虑知识间的逻辑性与连贯性，以提高学生对知识的理解和应用能力。通过课程学习为后续相关课程提供必要的力学基础，并培养学生逻辑思维能力、表达能力、计算能力和自学能力。

一、“材料力学”授课特点及教改措施

“材料力学”课程的授课对象主要为大二学生，根据不同专业的培养需求，授课学时从32学时到80学时不等。其中面向机械设计、船舶与海洋工程、土木工程等专业的学生时“材料力学”课程授课时间长，对理论基础要求高，兼顾理解和应用且学习难度较大，在传统教学模式下的成绩并不理想，学生对知识的掌握也比较生硬，从而造成课程成绩不理想，并对后续相关专业课程的学习产生不利影响。引起这一现象的主要原因有两个：一个是课程的知识跨度较大，需要综合应用多门先修课程中相关内容的理论知识，而且在“材料力学”不同章节中的要求和难易度均不尽相同，在学习时很容易产生对已学课程相关知识的生疏与淡忘现象，严重影响后续的学习效果，从而破坏了课程学习的连贯性;另一个是经过大学一年的学习之后，会有部分学生由于自主学习能力不足而处于被动学习状态，存在上课不注意听讲、实验与作业应付了事、试图通过考前突击来通过课程考核等现象。针对这些问题，教学团队从培养学生的学习兴趣与自学能力出发，充分利用精品慕课、直播授课平台、智慧教室等资源丰富传统的教学模式，积极开展“材料力学”混合式授课。

为了充分调动学生的学习兴趣并加深知识的理解与应用，教学团队将多个自主完成的工程项目转化为实例引入课程教学。通过对案例的选择、简化与设计，让其与教材各章节知识点充分融合，还充分考虑了与先修课程和后续专业知识的关联，使得整个课程知识体系的内容更加连贯，有利于学生理解与记忆。而包含多个知识环节且不同难易度的开放性设计作业的设置，以及翻转课堂各小组讲解答疑人员的轮换要求，使得学生必须认真参与工程设计模拟过程中各阶段的作业，并通过合作研讨发表自己的见解。这样做既增加了知识的实践性和趣味性，又提升了学生的协作能力和表述能力。结合在慕课堂开展的各类线上线下随机提问，选择、判断题提交和学习数据的统计，可全过程掌握学生学习情况并对其进行督促，从而最大程度上减少考前突击现象。通过对教学方式、教学内容以及教学过程的设计与改革，“材料力学”课程的整体成绩得到提升，优秀率大幅提升，而且学生评教结果喜人。

二、基于进阶性案例的“材料力学”混合式课程设计

“材料力学”课程的开课对象为大二学生，大二阶段既是学习最繁重的大学阶段，也是刚刚适应大学生活后开始思考自身发展的关键阶段。此时的课程设计既要考虑与先修课程的知识衔接，也要考虑对后续课程的铺垫，而且要做好学生所在专业领域的最新知识拓展与心理疏导，以促进学习兴趣，提高学习效果，提升职业信心。因此，教学团队通过总结多年的课程数据与授课经验，基于工程案例开展“材料力学”课程混合式授课。针对大连海事大学“双一流”建设的交通运输工程的专业特色和教学特点，教学团队结合近几年的科学研究成果与教学经验，并充分考虑工程背景的前沿性、知识的相关性以及知识点难易程度，选取并设计了交通运输工程领域的一个核心案例和两个辅助案例融入教学过程。这三个案例分别是：钢卷运输过程中的吊装设备——双臂立卷夹钳（核心案例，中型机械结构）;煤炭运输过程的港口卸货设备——全机械式双车翻车机（辅助案例，大型机械结构）;散料挖掘，堆放的高效装卸机械——斗轮堆取料机（辅助案例，超大型机械结构）。这三个工程案例贯穿整个“材料力学”授课内容（如图1所示），并围绕核心案例设计一系列的工程设计模拟作业，以提高学生知识融合能力和创新设计能力。

“材料力学”各章节知识点间既存在关联性，也有一定的独立性。为了让学生在学习过程中认识到知识间的关联性与积累的重要性，课程设计的三个案例覆蓋了课程全部章节的主要知识点，并利用一系列阶段性设计作业把多个章节的内容关联起来。建立学习小组并给各组分派不同的工况条件来完成设计作业，以提高学生的逻辑思维与分析能力。由于每个阶段性设计作业并不独立，需要基于之前设计作业的结果进行，所以可以使学生在趣味十足的学习讨论过程中不断温故知新，逐渐加强对知识的理解与应用，这正是进阶性案例设计的核心所在。以案例一为例，简单阐述进阶性案例设计在课程设计中的特点。通过线上演示工程实例到CAE模型的构建过程，让学生初步了解工程实践到理论模型的演变过程。随后将根据双臂立卷夹钳的CAD图纸简化修改过的模型纸板分组下发，引导学生根据图纸组装各小组的简化模型，进而可分析模型各部件间的不同约束特点、受力关系及结构运动形式。通过给不同的学习小组分派不同的结构工况，并利用智慧教室开展小组间的工况分析与答疑活动，可使学生通过小组合作促进彼此间的知识理解。在提高知识的应用性和趣味性的同时，还实现了与先修课程的知识融合。作为核心案例，在学习过程中会布置5个双臂立卷夹钳的阶段性设计作业，分别是给定钢卷尺寸的夹持力和吊装力计算;立卷夹钳夹持钢卷过程的内外钳口运动分析;根据应力云图的工程电测实验设计;指定工况下外钳臂或吊装臂的弯曲受力分析;指定工况下外钳臂或吊装臂的组合变形分析。要求各组在不同阶段由不同学生对设计作业进行宣讲和答辩，充分调动学生的学习积极性，通过参与力学知识的分析与讨论加深对知识的应用性学习。最后由学生汇总各小组的分析结果，撰写工程设计计算报告。从分组讨论到协同合作，循序渐进，让学生体验工程分析与设计全过程，不仅使学习充满乐趣，还有利于加深对知识的理解，使学生逐渐具备解决复杂问题的综合能力。为进一步培养学生的创新性思维和能力，课程结束前还会发布附加设计作业，供学生选择与挑战。案例二，秦皇岛港的全机械式双车翻车机向学生展示了散料的现代化运输与卸载过程，其结构设计考虑了扭转、弯曲、冲击和疲劳等因素。同样从交通运输行业的工程背景开始，到各部件的拆分与受力分析，最后完成整体结构的强度分析与疲劳分析，通过案例将各相关章节的知识点逐渐展示给学生。而案例三的斗轮堆取料机作为散料挖掘、堆放的超大型机械，其上部俯仰钢结构和主悬臂梁的强度分析则囊括了拉伸与压缩、弯曲、组合变形和能量方法这些章节的知识点。作为工程实践中最广泛存在的弯曲变形则在三个工程案例中都有所涉及，可进一步加深学生对知识的理解。

生动的工程案例分析可激发学生的求知欲，既有本校“双一流”学科的专业特色，又可培养学生的学习兴趣，提高学生的自主学习能力，还可通过对应专业的知识拓展来提升职业信心。通过对案例的认知、分析、计算过程，可培养学生逻辑思维能力、抽象化能力和计算能力;并通过分组研讨、互评总结，培养学生的表达能力、自学能力以及协作能力。

为了能更好地辅助教学并充分锻炼学生的自主学习能力，教学团队还引入国家级精品慕课开设SPOC课程。让学生利用慕课自主学习部分章节的基础知识并完成在线测试，通过趣味十足的线上或线下课堂讨论加深认识。授课时除了采用投票、选择等在线统计方式开展问题讨论外，还可以不定时抛出各类工程实践问题，让学生通过限时查阅资料予以解答，活跃课堂的同时锻炼学生的探究能力和检索能力。利用线上直播平台对各章节的总结复习和难题进行解析，讲解过程以手写为主，逐步點明要点所在，以增加学生的代入感，而直播平台的回放功能则有助于学生开展有针对性的复习。

课程考核包括期末闭卷考试和平时成绩，各占总成绩的50%。期末考试以主观题为主，测试学生对简化工程问题的综合处理能力，并利用少量的客观题补全整个课程的知识体系。平时成绩则包括自主学习部分（慕课学习完成度和基于慕课的线上测试）、线上授课的课堂互动与测试、章节课后作业、案例分析作业、翻转课堂发言讨论以及附加设计作业等。各章节所对应的平时成绩均实时给出并由慕课堂公布，供学生查询了解自身情况，以促进学生的学习主动性。

三、混合式教学中的思政教育

在“材料力学”课程中辅助性地开展关于社会主义核心价值观、中华优秀传统文化等方面的同步教育，使学生把握工程理念的同时，还能更深入地理解社会主义核心价值观和中华优秀传统文化的内涵。从理论上说，这也是自然科学、社会科学与哲学的相互渗透与支撑作用在工程技术领域的具体实践。比如在讲解钢木混合超静定结构计算时，深入分析钢先于木材破坏的结构原理，引出许用应变的本质，结合老子“柔弱胜刚强”的哲学思想，指出人应当善于通过自我塑造（塑性变形）来升华。在讲授组合变形的叠加性原理时，指出其本质就是拆分与组合，亦即“化繁为简”，正是道德经中“大道至简”的道理。而在立卷夹钳的工程设计与分析中化繁为简也有其重要意义：首先设计采用重力式承载的低碳设计，结构简单、维护成本低;其次分析计算时抓住主导因素，合理简化可以高效率地解决实际问题;最后指出“化繁为简”不仅是工程处理中的重要手段，也是一种重要的生活态度，要给生活做减法，懂得取舍。

四、课程特色与展望

“材料力学”混合式教学课程设计充分考虑了与先修课程的衔接，以及对后续专业知识的拓展，选取并设计了一个囊括“材料力学”课程中主要知识点的核心案例和两个补全课程知识体系的辅助案例。通过模型制作、不同工况的分组分析、实验测试方案设计、计算方案讨论等过程，不仅使学习充满乐趣，还有利于加深对知识的理解，使学生逐渐具备解决复杂问题的综合能力，充分体现了该课程设计的“高阶性”。围绕核心案例设计一系列的开放性工程设计作业，使学生完成一次完整的模拟性工程设计，并利用翻转课堂进行小组间的研讨。引导学生汇总不同工况小组的计算结果，撰写力学分析计算报告。从分组讨论到协同合作，让学生体验一次工程分析与设计的全过程，充分体现了课程设计的“创新性”。而为了鼓励学生的挑战精神，当教学案例全部讲授结束之后，还会以附加题的形式给出最后的设计作业供学生选择，并在课程考核中给予体现。

将工程案例引入混合式教学，使知识与实践合理的融合，可以激发学生学习动力，加深知识理解，引导创造性思维，培养其自主学习能力，提高学习兴趣和知识的综合应用能力。今后教学团队需要结合授课教材，进一步升华用于教学的工程案例。根据教材进一步细化案例中的知识点，并不断追求理论知识到工程实践之间更恰当的表述方式，以期不断提高教学中各知识点的覆盖面和凝练度。

参考文献：

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[2]徐锋，范剑，许晨光.新工科背景下地方高校材料力学金课建设路径与探索[J].力学与实践，2020（2）.

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[5]夏冬生，孙先念，朱公志.微课、慕课和翻转课堂的特性及其相互关联性的探究[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2019（4）.

[6]孙先念，刘杨，姚征.“材料力学”结构原理融合课程思政教学模式探索[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2021（2）.

[责任编辑  韩晓雨]

收稿日期：2021-04-27

作者简介：姚征（1978—），男，河北石家庄人，大连海事大学交通运输工程学院副教授，博士，主要从事工程力学研究。

基金项目：教育部力学基础课程教学指导分委员会项目“基于现代信息技术的基础力学‘金课’课程群建设模式的研究与实践”（JKJH201902）;大连海事大学教改项目“‘课程思政’示范课程”（IC-21-017）