材料力学课程资源建设及多种课堂教学模式的实践和探讨

安 军 范劲松 周应龙 李 伟 曾霞光

1.佛山科学技术学院机电工程学院 广东佛山 528000

2.佛山科学技术学院工业设计与陶瓷艺术学院 广东佛山 528000

材料力学(含工程力学)作为机械工程、车辆工程以及工业设计等一些近机械类工科专业的一门重要基础课程，用以培养学生在设计中特别是机械设计中有关力学方面的设计计算能力。材料力学以研究构件正常工作所需的强度条件、刚度条件和稳定性问题为核心，主要涉及构件的拉压、剪切、扭转和弯曲四种基本变形以及它们之间的组合变形形式。该课程在教学中起到承上启下的作用，一些基本概念和定理与高等数学、理论力学等前序课程密切相关，又是机械设计基础、机械设计、机械优化设计和模具设计等课程的理论基础。因此学习这门课程既可以解决一些简单工程实际问题，同时又为后续有关课程和其他相关的科学技术提供必要的理论基础[1-4]。

材料力学除了理论性强，概念比较抽象，公式多，知识点繁杂以外，同时和工程实际结合比较紧密，很多结论和计算方式都来源于实验结果[1-4]。但课堂教学的课时在不断缩减，教师很难在有限的时间内讲授更多更精彩的知识给学生，学生理解时较困难，教和学都有一定难度，这些都对传统课堂教学提出了挑战。如何有效地提高学生课堂的参与度和积极性，提高学习效果以及课后的作业质量等问题，是每位教师必须思考的事情。因此必然从以教师为中心、传授知识为主的传统教学方式，逐渐向以学生为中心、应用知识为主的教学方式转变。

佛山科学技术学院地处广东省佛山市，是教育部批准设立的全日制普通本科院校，是广东省高水平理工科大学建设高校，学校现在有9个专业按照一本进行招生，其他专业按照二本进行招生。机电工程学院下属的二级学院，现有机械设计制造及其自动化(从2016年开始按照一本招生)、机械电子工程(从2018年开始招生，按照二本招生)和车辆工程(按照二本招生)。下面主要以机械设计制造及其自动化和车辆工程两个专业这几年在材料力学教学改革方面的心得体会为例进行说明，以起到抛砖引玉的作用。

1 课程资源建设情况及翻转课堂教学模式的应用

1.1 课程资源建设情况

材料力学课程在2014年获得佛山科学技术学院创新强校工程精品资源共享课程校级立项，并于2015年获得广东省质量工程精品资源共享课程省级立项，经过几年的建设于2018年顺利通过学校验收结题，并上报申请参与广东省质量工程结题。其成果主要是建立了一个材料力学精品资源共享课程网站，该网站包括的主要资源见表1。

表1 资源清单

表1(续)

本精品资源共享课程的主要创新点如下。

(1)采用知识点建立了比较完整的课程微课资源：按照相似性和类似性原则创新性地对课程主要内容进行了分类，并且按照大类方式对课程内容进行了整理，得到了一系列的知识点，制作了知识点PowerPoint，并采用录屏的方式得到微课形式的知识点视频(如图1所示)，增强了内容之间的关联性，便于学生系统性地理解和应用知识，并且利用知识点视频组织学生复习和学习，这些基本工作的完成为下述的课程教学模式的改革打下了基础。

图1 知识点视频示例

(2)有限元动画制作：针对现有动画存在的问题以及机械工程专业特点，利用本专业的一些相关三维设计软件(SolidWorks等)的分析部分，通过对杆件在不同材料和不同载荷下的变形进行有限元分析，制作了可以直观(通过颜色变化等方式)看出应力变化的三维动画(在此称为有限元动画，如图2所示)，共完成了低碳钢、合金钢以及铸铁3种典型材料的轴向拉压、弯曲以及扭转等有限元动画的制作，可以播放学习。

图2 有限元动画部分示例

1.2 翻转课堂教学模式的应用

在2014级车辆工程专业材料力学B的实际教学过程中，首次采用了翻转课堂的教学模式，教学计划48个学时，其中36个学时采用了翻转课堂的形式进行教学。翻转课堂教学模式构建主要包括两个方面：课前学习教学设计和课堂活动教学设计，采用课前学习(视频+课前思考题)、课堂学习(课前测试+重点讲解+课前思考题+课前测试题讲解+课堂练习+课堂测试+下一次的视频和思考题)、课后作业的教学模式，有效减少了学生课堂打瞌睡和看手机的现象，提高了课堂的活跃程度。最后通过问卷调查的方式对教学效果、教学模式和课程满意度等方面进行了调查，教学方式得到了学生的一致肯定，学生满意度达86.5%。通过与同年级的班级和上几届的卷面成绩进行对比，利用翻转课堂后，学生的考试成绩确实得到了普遍提高[2]。

2 对分易教学平台的应用及教学模式改进

2.1 对分易教学平台的应用

在首次采用翻转课堂模式进行教学后，出现如下问题：(1)课前思考题、课前测试题和课堂测试题不能及时批改，对学生的学习情况无法得到及时反馈，因此在测试题讲解时不能有效做到有的放矢；(2)学生需要大量的课外时间进行学习，二年级是整个大学时期学习压力和负担最重的时期，学生对此意见较大；(3)视频时间过长，网上收集整理的视频主要以课堂实录为主，视频时间一般在40分钟左右，学生很难坚持看完，而且也不利于学生进行片段化学习(知识点视频的制作解决了这方面的问题)。

对分易教学平台是一款集考勤、作业、在线教学资源、教学答疑等常规教学需求于一体的教学软件。对分易教学平台可以在电脑端操作，便于教师上传教学资料，也可以在手机微信端操作，特别适合学生利用碎片化时间进行学习和测试，也便于教师及时发布学习信息[5-7]。为了解决上述问题，在教学中引入了该教学平台，在对分易教学平台上整理录入判断、选择及填空题100余题，并组成了20～30套左右的试卷以便进行课前、课堂和课后网上测试(如图3所示)，并对学生进行了测试，其测试结果分析如图4所示。

图3 试题库示例

图4 学生测试情况分析

在2015级机电专业中采用了对分易课堂的教学模式，将课程分成了两个阶段，第一阶段(第一节课)主要包括：(1)评讲上次课的测试题、前次作业，并回答学生在微信上提出的问题(控制在20～25分钟)；(2)本次课程要点1～2分钟(以提出问题为主的方式)，学生看书自学10～15分钟。第二阶段(第二次课)包括：(1)利用对分易进行课堂测试；(2)课堂测试评讲，同时教师学生提问并解答，考查看书效果；(3)课程内容讲解15～20分钟，其中例题1～2个，课堂讨论；(4)小结，布置作业、预习和观看的视频等。

采用这种教学方式后，发现学生对基本概念的理解特别清楚，课堂气氛非常活跃，存在的问题得到了及时地解决，但还存在一些问题：例如做大题的效果不如翻转课堂好，而且课堂时间看书自学占用了有限的课堂教学资源。

2.2 教学模式的改进

为了解决上述问题，在2016级机械设计制造及其自动化专业的教学工作中，将对分易课堂和翻转课堂的教学方法进行了引进、吸收以及改造，采用了“翻转课堂+对分易课堂”的教学模式，应用了材料力学精品共享资源课程中的知识点视频对部分章节采用翻转课堂的形式，加强了作业的评价力度、课堂讨论、课堂作业等教学手段，结合实际教学情况，利用对分易教学平台(测试题、考勤、提问和成绩册等功能)，增加了每个章节的网上测试、课堂作业上传、课前测试等方式，采用纸质试卷进行期中测试，同时修订了成绩评定方式，其具体教学过程及模式如下。

(1)课前学习知识点视频(部分)，并完成课前测试。(2)评讲上次的作业和课前测试(部分章节)，并让学生对作业中的问题提问，教师解答问题。(3)根据课前测试情况，利用20～30分钟的时间，对该部分的重点内容进行针对性讲授，同时提问讨论。(4)课堂作业评讲，并上传到对分易教学平台。(5)布置课后作业、视频及预习思考题或课前测试题。

3 考核方式的改革

通过几个年级的教学实践及应用，并经多次修订，建立了相对完善的学生成绩考核评定方法，改变了原有单一的平时成绩(30%)、期末考试(70%)的考核方式，现行的成绩考核方式组成情况见表2。主导思想是增加平时成绩评定的权重和平时成绩的多样性，具体项目可以根据实际情况进行调整。

表2 成绩组成表

为了鼓励学生积极思考，对提出问题和回答问题都记比较高的分数，并且采用不管对错，只要主动回答问题就加分，但分值有差别分成了几档，见表3。上述考核方式不但有助于学生更积极主动地参与课堂教学活动，同时有利于学习效果的提高。

表3 提问及回答问题分数计分表

4 结语

通过几年材料力学精品资源共享课程网站的建设和几个年级的材料力学教学方式改革和教学实践，对于材料力学这门课程来说，在依托精品资源共享网站的基础上采用“翻转课堂+对分模式+传统教学”的模式以及相应的评分标准，能较好地解决传统教学中面临的许多问题。通过这种教学方式，能较好地解决学生在课后做作业难，抄袭作业现象比较严重的问题，大多数学生认为在课堂上及时解决问题的方式加深了理解和记忆，而且由于互动交流较多，自己动手和动脑的时间多，课堂气氛活跃，学生的学习积极性较高，主动提问题和回答问题的热情比较高，学生的自学能力和考试成绩也得到了一定的提升，有效地提高了课堂教学效果、教学质量和学生的自学能力。