材料力学实践教学高阶性建设研究

2021-03-15李宏德

中州大学学报 2021年1期

李宏德

(郑州工程技术学院机电与车辆工程学院，河南郑州 450044)

应用型本科教育的突出特征是其实践性，教育实践表明，实验实践课程与理论课相比，更利于培养学生的实践动手能力，是学生获得工程应用能力的必要环节。实验室是必要平台，虚拟实践教学环境是实践教学的新空间。在知与行之间，经历发现问题，探索问题，解决问题直至工程应用，达到知行合一。

近年来，随着推进“普通高等学校本科专业类教学质量国家标准”“工程教育专业认证”“一流本科课程建设”(也称“金课”)等，不断推高本科课程建设水平。“金课”建设如缺失高水平的相关实践教学环节，则不是完整的“金课”。材料力学是机械、土木等专业类的重要技术基础课程，材料力学实践教学对支撑和充实理论教学、认识材料的力学性能、训练力学实践技能和探究意识、获得解决复杂问题的能力都具有不可或缺的作用。但由于各种因素的影响，材料力学总学时量大幅减少，对材料力学课程造成较大影响，而对实践教学部分的影响更甚于对理论教学部分。在学时少这一现实无法根本转变的情况下，要实现材料力学实践课的“金课”目标，必须摆脱固有束缚，立新理念，创新思路，开新方法，兴新举措，按照“金课”标准，开展系统性的综合改革，推进实践环节的高阶性、创新性建设，提高实践教学的“含金量”，打造材料力学“实践金课”。文章针对力学实验目前存在的问题，对标“金课”建设标准，围绕材料力学实践环节“高阶性”建设的几个方面进行了研究，提出突破“实验”界限，从“实践”的层面规划设计材料力学大实践教学，在教学目标、实践内容和项目、教学模式以及手段和方法等方面综合着手，全方位推进材料力学实践“金课”建设。

一、剖析材料力学实验教学中存在的问题

(一)教学理念滞后，没有跟上新导向

没有教育思想导航的教学是盲目的，教育需要先进理念的引领，实践教学也一样。

对教育理念包括优秀传统教育理念缺乏深入研究，在认知上更多地局限于概念上，对教育理念的引领作用认识不足，对具体教育理念在本课程中指导作用没有形成针对性策略和实施方案。教育理念的指导作用没能得到好的发挥。比如在实践教学中如何理解以人为本、素质教育、知行合一、个性化、创新性等思想理念，如何挖掘或获得诸多教育理念的内涵与价值。

在教育理念的贯彻和应用方面行动滞后。围绕教育思想理念如何开展相应的落实工作，如何在深刻解读诸多教育思想理念基本内涵的基础上，将其与本教学活动结合起来，内化为实践教学的可行的方案和可操作的行动均显不足。

对新理念、新导向、新技术带来的冲击感受不够强烈，思变意识不浓。如何呼应当前的一些教育热点和跟进当前建设工程中的导向性政策、新理念和好的做法，如在推进工程教育专业认证、“金课”建设、精品在线资源建设、虚拟仿真实验教学项目建设、本科专业类教学质量国家标准等系列行动中，结合政策标准建设好本实践课程，是急需开展的工作。

对材料力学实践教学功能的多重性认识不够，对其重要性认识不足。实践仍是作为理论教学的补充，为验证理论真伪服务，缺乏独立性，不是独立作用的主角，更谈不上作为学生创新能力培养的关键环节来认识和安排。从应用型人才的工程应用能力和创新能力的训练培养角度讲，实践训练的作用和价值应得到更多关注。实践作风养成、素质潜能的累积，是一点一滴叠加起来的，不能期望一下子就培养出来。既然实践能力、动手能力、创新能力很重要，就应围绕这种核心能力进行多层次、多类别的训练。

(二)实验教学目标不明确

理论教学是材料力学教学的主体，实验教学一直处于从属、辅助的地位。虽然符合材料力学的课程性质和定位，但长期的这种状态不可避免地削弱了对实践教学的重视程度和建设力度，教学目标也难以清晰界定和落实。实践教学理念难以达到先进程度，认识程度和教学目标也难以达到相应的高度。

工程教育和课程教学的核心目标是使学生具有面向工程解决问题甚至解决复杂问题的能力，要做到这一点，应遵循知行合一的理念，发展学生知的能力和行的能力，知和行的能力都很重要，但终究是要落在行的能力上。不能否定，理论教学具有使人获得知行素养的作用，在一定程度上养成人的知行能力。同样也应认识到，实践是行动的直接行为，是物质成果最直接的形成因素。所以，实践教学的目标应是使学生能够以前瞻性的理念指导，依靠思想的或物化的条件，进行有创造性的行动。

通过分析不同类型高校材料力学(含工程力学)教学目标发现，为解决工程问题提供基本概念、基本理论和基本方法是课程的核心目标，这是课程理论教学的重要目的。在实践教学的目的性上提出了一些结合点，如理论与实践的结合问题，培养解决工程问题的能力，知识点与工程实际相结合，了解工程应用，培养工程理念。教学案例结合学科前沿与科研实践，培养创新性。这些目标多属于理念或导向色彩，较为虚化，难于形成可行的方案，不易落实。而针对实验教学提出明确目标要求的则较少，或只能从课程整体目标要求中去体会和挖掘，实验教学目标也并不清晰。

对于大多非力学专业而言，很少开设独立的力学实验课程，缺少接触进一步实验训练的可能。但是对多数专业而言，材料力学实践教学却是不可或缺的环节。

教学目标要求不高，主要表现为：对现代先进教学理念吸收借鉴不够，缺少先进理念引领；教学目标设计存在虚化成分，不易形成落实方案；多样化的实验项目和实践内容的综合设计开发不够；对最新教育模式、教学方法研究不透，应用不够；对最新教育技术借用、利用不够，教学手段更新缓慢。

(三)实验教学内容和项目体系更新缓慢

实验教学内容更新缓慢，实验项目类型比较单一，项目多以验证性实验为主，主要限于低碳钢和铸铁拉伸与压缩、梁弯曲、弹性模量测定等实验，内容设定多在某种基本变形或材料某一方面的性能，单项内容的实验偏多，综合性不强，实验设备操作也偏以简单，对学生综合能力的训练效果不突出，素质养成作用有限。面对新理论、新材料、新技术而在教学上跟进的新应用不够，造成实验内容不新颖，无法满足工程技术的实际应用。[1]

(四)实验教学模式相对固化

讲解加上实验演示仍是目前材料力学实验教学的主要模式，除了结合一定数量的设备之外，实质上像是把教室授课模式搬到了实验室，没有产生本质性差别。老师讲解和演示，学生听讲和观察，知识仍是单向传递，学生动手操作、研讨交流的机会都很有限。相似的教学情景，可预测的实验结果，学生难以有持续的新鲜感和求索欲。

(五)实验教学手段传统、教学方法单一

目前，PPT和板书仍是材力实验教学的主要手段，与现代教育技术结合不够紧密的传统教学手段，使得在教学形式、教学方法设计上空间受限，也难有大的突破。实验演示通常受到设备数量和条件的限制，难以保障每个学生都能有亲自动手操作的机会，基本是多数学生观察老师或少数学生的操作演示。反复处于这种状态，学生实践能力无法得到有效训练，学生的主动性和个性发展受到影响，也会逐渐失去兴趣。这样的模式会难以提高学生动手能力和分析解决问题的能力，也会束缚学生的思维能力和创新能力。[2]

(六)实验考核方法简单、关注面少

考核方式多是以实验报告为主，参考出勤和现场表现情况。通常区分度不大，加上实验成绩在课程总成绩中占比也比较小，难以引起学生足够重视。

二、构建材料力学实践高阶性建设新理念，确立教学新目标

传统材料力学实验教学理念和教学成效上的不足已经显现，用什么样的新理念来引领？又如何规划建设？

《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》(教高〔2019〕8号)提出把“立德树人”成效作为检验高校一切工作的根本标准，深入挖掘各类课程和教学方式中蕴含的思想政治教育元素，把教学改革成果落实到课程建设上，建设适应新时代要求的一流本科课程，让课程优起来、效果实起来。

(一)坚持课程思政理念引领

以课程思政理念为指导，与思想政治理论课同向同行，形成协同效应，按照“三全育人”原则，深度挖掘课程所蕴含的思想政治教育元素，把“立德树人”作为课程教学的根本任务，实现知识传授、价值塑造和能力培养的协调统一，促进学生德智体美劳全面发展。

(二)遵循素质教育理念

把引领学生学会学习和养成素质作为基本教育目标，相比于知识传授更加重视实践能力和全面素质养成，使知识、能力、素质协同发展，推进教学做一体化，做到知行合一。

(三)遵循以人为本理念

以人为本在教学中就是坚持以学生为中心。在实践教学内容上应适于学生学习，适于学生训练和发展；在教学模式上，以有利于学生学习、方便于学生学习来安排学习方式，建设学习资源；在教学手段和方法上，能有利于高效学习和灵活学习。

(四)遵循个性化教育理念

在实践教学内容上适于学生充分选择，使学生可以自主学习有用的、没掌握的或对自己最为必需的，以适应学生个性发展和个性化学习的多样性选择，促进学生优势发展，开启学生内在潜力和学习动力。在模式方法上能支持形成个性化学习方式，个性化学习资源，个性化学习评价方式。在手段上，以支持学生最擅长的。

(五)坚持高阶性原则

提升实践内容与项目的高阶性，构建具有一定广度和深度的课程资源，为培养学生具有解决复杂问题的能力提供有品质的支撑资源。提升教学模式、手段和方法上的高阶性，运用先进技术，支撑先进模式，更好演绎实践教学内容，采用利于学生学习的线上、线下、混合式教学，开放实践场所等多种模式，突破习惯性认知模式，培养学生分析、质疑、创新的能力。

(六)坚持创新性原则

增强创新性，对实践教学内容、实践教学方法和手段上的新的成长点保持创新意识，及时引入发展成果。积极推进现代信息技术与实践深度融合，促进创新。

(七)确立材料力学实践教学新目标

以新理念引领，对照一流标准，推进“金课”建设，实施大实践教学，培养学生学做一体素养、知行合一能力，使学生具有解决工程问题甚至解决复杂工程问题的能力。

三、做实材料力学实践教学高阶性建设新内容

围绕材料力学实践教学目标，以新理念为引领，一是要有利于促进学生实践训练、素质养成和全面发展。二是有利于学生学习和自主学习。三是面向大实践教学，突破“实验”界限，跨入“实践”之地，着眼各实践要素，建设可供充分选择的实践资源，可供充分利用的手段和方法。

(一)做好课程思政教育教学

坚持课程思政理念引领，激发创新思维，深度挖掘材料力学课程及相关领域的课程思政元素，在课程及其实践教学的各个环节融入思想政治教育元素，全面做好课程思政教育教学。

讲好力学家的故事。我国历史上涌现出众多有代表性的人物和力学成果，古代墨家所著《墨经》里就有杠杆原理相关内容的表述。北宋李诫在1100年所著《营造法式》一书中指出矩形木梁的合理高宽比(h/b)为1.5，这与近代研究得出的矩形木梁的合理高宽比为 (强度最大)已极其接近。在现代，有钱学森、钱伟长、郭永怀等一批力学家，除有卓越的学术成就和学术声望外，还在传奇人生、家国情怀、民族责任、青云之志、严谨治学、求索创新等某些方面具有应当颂扬的品德和正能量，这些优秀代表是青年学子心中的榜样，是励志成才的力量。

讲好工程案例。同样，我国历史上也涌现出众多有代表性工程，著名的赵州桥就是一个蕴含力学合理性的经典工程。今天的港珠澳大桥，既是国家大工程，又蕴含着丰富的工程技术教育元素和思想政治教育元素。在技术思政教育上，除作为大工程所有的普遍意义的科学技术价值外，仅就材料力学实践教学而言，选择其中的钢结构斜拉桥、钢箱梁结构作重点分析，让学生直接感受到这些结构形式在大工程中的应用。既能引导学生深刻理解这些结构的受力特点和技术优势，又能使学生感受到所学知识的价值，增强学习信心。在思政教育方面，具有突出的民族情怀、爱国主义情怀，在国家意义、国家力量、科技影响力、生态文明、环境保护、文化特色、旅游价值、自主创新、奋斗精神等方面具有丰富内涵和广泛意义，极大增强民族志气和民族自豪感。再诸如建筑脚手架的改进发展之于生命至上，加拿大魁北克大桥的“工程师之戒”之于严谨与责任等众多工程案例，都给人以教育与启迪。材料力学实践教学的课程思政教育目的、课程思政教育内容与相关实践知识的关系见表1。

表1 课程思政教育目的、教育内容与课程知识的关系

(二)做实实践教学内容和项目体系的高阶性

1.基于个性化教育，丰富实践资源。在实践教学内容上，构建多样化的实践内容与项目体系，使实践项目有充分的选择性。拓展实践内容，在基本实验内容的基础上，由基本变形向复杂变形拓展，由以基本变形为主转为基本变形、复杂变形、稳定性分析以及动载分析并重。拓展实践类型，在演示性实验、验证性试验的基础上，向设计性试验、综合性试验拓展，逐步向探究性试验倾斜。拓展材料类型，由低碳钢、铸铁材料等向合金材料、复合材料等更广域的工程材料拓展。

2.基于高阶性原则，提升实践品质。深度挖掘演示性实验、验证性实验中的高阶性元素，探究性元素，将简单实验转化为设计性实验、探究性实验或综合性实验。面向复杂变形、新工程材料开发设计高阶性的实践项目，提高项目的难度。拓展实践边界，突破“实验”界限，从“实践”的层面综合设计材料力学大实践教学，如设立材料力学课程设计、综合性大作业、创新创业实践项目、开放实验室项目、工程实践案例、大型综合训练、自主设计实验等，增加项目的综合性和未知性，从而提高此类实践项目的挑战度。

3.基于创新性原则，创新出新。将新理念、新技术和新方法引入到材料力学实验教学，在内容、模式、方法等方面创新突破，使单一实验综合化、实验材料多样化、演示实验设计化、验证试验应用化、实验内容项目化。

(三)做实实践教学模式的高阶性

1.做实混合式教学。以虚拟仿真实验教学、现场实验教学和微课视频教学为主要支撑，充分利用虚拟现实技术、计算机技术、信息技术和网络技术，开展网上教学资源建设，把网上资源和现场教学有机统一起来，为学生提供随时随地的学习。

2.开展力学实践与创新创业教育协同教学。将创新创业教育理念和思路引入到力学实验的教学设计之中，把创新创业训练项目和力学实践项目相融合，既能丰富力学实验的内容和类型，又能拓展实践教学的时间和空间，也让创新创业教育扎根在日常教学，使创新创业教育得以实实在在的落实。[1]

3.基于开放实验室的预约式教学。把实验室开放和学生自主实践学习结合起来，学生可以选择常规实践教学项目、实验室开放项目或者学生自主设计的实践项目，通过实验室管理系统预约，在学生自己方便的时间里独立开展相关实践学习和研究。

(四)做实实践教学方法和手段的高阶性

1.改造传统简单实验，提升其高阶性。在演示性、验证性实验中增加设计性元素、探究性元素，在演示性、验证性实验的操作过程上增加设计性元素、探究性元素。比如把实验安排在理论内容讲解之前进行，并设置若干问题，提升验证性实验的未知性，实验报告则可以在理论内容讲解之后完成。这样实验时有悬念，理论学习时带着问题追问和比较，把验证性实验转变为探究性学习。

2.建好虚拟仿真实验教学。对于在经过多种方式深度挖掘出来的实践项目，尤其是受实践条件等各种因素限制无法开展现场教学的项目，则充分利用现代先进技术，通过虚拟仿真实验教学项目建设，来完成实践教学。虚拟仿真实验教学可以加深学生对基本原理及实验操作步骤的认知和理解，解决传统实验中解决不了的问题。[2]