问题解析模式下案例教学与思政建设相融合的“材料力学”教学设计

赵静,董菲,耿林

(安徽大学电气工程与自动化学院,安徽 合肥 230601)

0 引言

“材料力学”是机械、智能制造、机器人等专业的一门重要的专业基础课,课程内容涉及汽车、建筑、桥梁、航空航天等重要工程领域[1-3]。“材料力学”课程具有如下特点:材料力学是一门基础学科,内容抽象,数理基础要求高,晦涩枯燥,造成学生一定的畏难心理;课程内容较多,知识点分散,涵盖材料的力学性能、杆件的基本变形和组合变形分析、强度理论、压杆稳定分析、动力学分析等章节。针对上述特点,传统的“材料力学”教学方法多侧重知识的传播,教师占绝对的主导地位,理论知识与工程实践的有效结合欠缺,忽视了学生的能力与价值观的培养。为提高学生分析和解决问题的能力,教师们尝试了多种新型教学方法,如线上线下混合教学[4]、翻转课堂[5]、案例教学[6]等。“材料力学”除了是一门基础学科之外,还是一门应用性极强的学科。将实际工程案例与理论知识进行融合可大大提高学生的学习兴趣及知识应用能力,因此案例教学在这些新型教学模式中尤为典型。

除了知识传授和能力培养外,新工科背景下要求“材料力学”课程还必须注重学生价值能力的塑造。2020年5月28日,教育部印发《高等学校课程思政建设指导纲要》,指出落实立德树人根本任务必须将价值塑造、知识传授和能力培养三者融为一体、不可割裂。全面推进课程思政建设,就是要寓价值观引导于知识传授和能力培养之中,帮助学生塑造正确的世界观、人生观、价值观。因此,如何在教学环节中融入思想政治教育内容,充分发挥课程育人功能,是现阶段“材料力学”教学设计改革的重点关注问题之一。

为实现知识传授、能力培养与价值塑造的有机统一,本文开展问题解析模式下案例教学与思政建设相融合的“材料力学”教学设计。根据学科建设和育人目标,制订“材料力学”思政要素切入点,挖掘筛选带有思政育人要素的案例资源。在案例教学中融合问题解析教学方法,互动教学,发挥学生的主动性,激发学习兴趣,使学生在掌握基本知识理论的基础之上,具备解决工程问题的能力,并树立正确的价值观,真正实现“价值塑造、能力培养、知识传授”三位一体的育人目的。

1 问题解析模式下案例教学与思政建设相融合的“材料力学”教学设计

1.1 总体教学思路

问题解析模式下案例教学与思政建设相融合的“材料力学”教学思路如图1所示。首先,确定“材料力学”课程的3个育人目标。知识传授目标:培养学生的基本力学素养,掌握材料结构安全的基本理论和计算方法。能力培养目标:使学生具备分析、研究、解决复杂工程问题的能力。价值塑造目标:培养学生的创新精神、爱国情怀、民族自信心。其次,根据知识目标和价值塑造目标,确定思政要素切入点,并按照该要素筛选相关案例。然后,将问题解析和案例教学融合,结合育人目标提出对应案例的3类问题,通过问题解析,引发学生互动思考,实现知识传授的同时提升实践能力,培养创新精神。

图1 总体教学思路

1.2 “材料力学”课程思政元素挖掘与案例教学

“材料力学”案例教学是一种开放互动式的教学方式。教师筛选合适的案例资料,指导学生课前学习,并组织学生开展分析或讨论,结合理论知识、经验、观点的碰撞来达到启示思维的目的。案例教学能有效地将理论知识与实践相结合,有助于提高学生分析问题和解决问题的能力。

“材料力学”思政建设要求在将专业知识讲解清楚的基础上,还要找准案例教学环节中思政教育的着力点,将案例教学内容与思想政治教育融合为一体,凸显价值认同、强化价值实践[7]。根据“材料力学”课程特点,可以以学科发展与名人轶事、国内外时事热点、国家的大工程建设、科技前沿发展与应用等4个方面为切入点充分挖掘相关的思政育人案例资源。上述思政要素切入点及其对应的价值塑造目标关系如图2所示。

图2 思政要素切入点与价值塑造目标

学科史与名人轶事。“材料力学”课程中的公式和理论的建立离不开学科的发展及科学家们的推动。在绪论和每一章节的引言中介绍学科发展历史或科学家轶事,有助于激发学生的学习兴趣。如:学习弯曲内力时,引入物理学家理查德·费曼的轶事“意大利面为什么不能被弯折成两段,而是会断成三段或更多段”,培养学生主动思考,刨根问底的科学精神;推导挠度公式时,引入我国著名力学家钱伟长的《宁波甬江大桥的大挠度非线性计算问题》中无任何参考文献的讨论和说明,引出钱伟长弃文从理、科学报国的经历,使学生感受科学家的优秀品质和人格魅力,培养科学精神。

科技发展前沿。随着人工智能、信息科学等新兴技术的发展,借助新兴技术整合试验、计算、理论和数据科学,是推进“材料力学”学科发展的重要手段。如利用图像测量技术代替传统的试验机分析材料的力学性能[8]。传统材料的泊松比多为正值,随着科技的发展,人们发现了负泊松比材料。科技发展前沿实例的介绍不仅可以拓宽学生的知识面,更能培养学生勇攀科学高峰的科学精神和创新意识。

国家的大工程建设。近些年来我国的基础工程、军事、航空航天建设日新月异,国家制作了一系列相关工程的纪录片,如《大国工程》《大国工匠》《了不起我的国》等。借助此类实例可以培养学生的工匠精神,增强民族文化自信和荣誉感。

时事热点。利用信息时代信息传递的多样性和快速性,挖掘国内外最新的重点、热点新闻中的力学知识,能够培养学生的职业操守和忧患意识。如:讲解杆件稳定性时,引入2020年3月7日泉州欣佳酒店坍塌事故;学习扭转变形时,可以结合2019年10月10日无锡高架桥侧翻事故分析扭转变形的概念及其受力特点。通过这些时事热点新闻,提高学生的社会责任感。

围绕上述思政要素切入点,按各章节的知识目标和价值塑造目标,总结了一些对应的思政案例,具体如表1所示。

表1 “材料力学”各章节所对应的思政教学案例

1.3 问题解析模式下案例教学与思政建设相融合的教学方法

众多实践表明,适合的课程思政可以使课堂教学更加生动,帮助学生塑造正确的价值观[9]。 但如果课程思政不能与课程理论知识有机结合,不仅不能达到育人目的,反而会适得其反,降低教学效果。因此,探索一种将案例教学、思政建设相融合的教学方法至关重要。

本文利用问题解析法,融合案例教学与思政建设,以实现价值、能力、知识三位一体的育人目的。问题解析法是在案例教学的基础之上,通过案例学习,结合教学目标提出3类问题完成整个教学过程的方法。3类问题分为基础问题、重点问题、拓展问题。其中,基础问题对应教学目标的知识目标,重点问题对应教学目标中的能力目标,拓展问题对应教学目标中的价值培养。

图3 问题解析法教学模式流程图

问题解析法教学模式流程如图3所示。首先,教师根据思政要素切入点及培育目标,筛选合适的案例,在课前通过雨课堂等网络教学平台将案例资料或视频推送给学生观看学习,并针对视频提出上述所说的3类问题引导学生有目的、有针对性地进行思考,抓住学生的注意力,提高学习兴趣。然后,鼓励学生通过学习提出自己的问题,并反馈给任课教师。教师收集整理学生所提问题,并在课堂上进行互动答疑,引出此次课程的知识点、重点及难点内容。针对教学重点及难点,教师进行知识传授,详细解答。课堂教学结束后,学生利用思维导图总结知识脉络,并写出自己的学习体会反馈给教师,从而进一步强化思政育人目标,使学生在掌握知识的同时,树立正确的价值观。

2 教学实践与教学效果

2.1 教学实践

以第五章《弯曲应力》中的提高梁强度基本措施为例,详细阐述问题解析模式下案例教学与思政建设相融合的教学方法的实施过程。

首先,确定本节课的培育目标。知识传授目标:掌握弯曲应力强度条件;能力培养目标:学生能应用弯曲强度条件进行梁的设计,培养学生分析并解决复杂工程问题的能力;价值塑造目标:培养学生的工匠精神、文化自信和荣誉感。

其次,根据培育目标,选择国家的大工程建设作为思政切入点,筛选了港珠澳大桥桥面钢箱梁的设计作为本节案例。将案例通过雨课堂推送给学生观看学习,并提出问题解析法中的3类问题。①基础问题:梁的变形类型、梁的简化及基本类型、梁的内力情况;②重点问题:梁的弯曲正应力分布规律、梁的应力计算、梁的弯曲强度条件;③拓展问题:港珠澳大桥钢箱梁设计的巧妙之处。

最后,对问题进行解析。基础问题要求学生通过已学知识点进行回答,教师进行点评及纠错。重点问题是本次课程的重点和难点,根据问题学生可以提前预习,教师课堂上重点讲解此部分内容,通过理论知识的讲解对问题进行解析。拓展问题讨论,根据梁的强度条件,港珠澳大桥采用钢箱梁结构的原因是保证梁强度的同时减少梁的自重。拓展问题的解析可以使学生体会到港珠澳大桥设计的合理性,增强学生的民族自豪感和自信心。

2.2 教学效果对比

为验证实际的教学效果,对2020级和2018级安徽大学机械设计制造及其自动化专业的学生教学质量满意度评价进行比较分析,如图4所示。其中,2020级采用本文所提的问题解析模式下案例教学与思政建设相融合的教学方法,2018级采用的是单纯的案例教学方法。学生评教分为能否激发学习兴趣、课上互动答疑情况、教学资源是否丰富、重难点突出程度和价值与能力收获5项。在教学资源相当的情况下,使用本文所提教学方法后,学生的学习兴趣、课堂互动、学生收获的满意度都大幅度提高了,验证了该教学方法在能力和价值培养上的有效性。

图4 学生教学质量满意度评价

为进一步验证该方法在知识掌握程度上的优越性,对比分析2020级和2018级学生期末考试成绩,如图5所示。可以看出,采用本文所提方法后,60分以下的人数明显减少,从50%降到了24.6%。60～89分的人数从34.2%增加到62.4%。由此证明,本文所提的问题解析模式下案例教学与思政建设相融合的“材料力学”教学方法在价值培养、知识传播、能力培养方面的可行性。

图5 学生期末考试成绩分布

3 结论

综上所述,问题解析模式下案例教学与思政建设相融合的教学模式既保留了案例教学在知识、能力培养上的优势,又能引领学生的价值塑造。通过问题解析进行互动教学激发了学生的学习兴趣。对比结果表明,该教学模式对“材料力学”在知识、能力、价值三位一体上的教学效果起到了积极作用。