材料力学教学实践中学生高阶性思维培养

廖建兴 王宏 周庆

摘  要：材料力学是工科专业的基础课程，其特点为理论性强、数学分量重，与生产时间联系紧密，是培养学生高阶性思维的理想课程。在材料力学教学实践中，应注重构建知识体系的高阶性、增强理论与实践结合度、提升教学内容的高阶思想性，着重培养学生对问题分析、评价、创新能力，提高材料力学课程高阶性。

关键词：材料力学；高阶性思维；教学改革

中图分类号：G42    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2023）20-0071-04

近年来，教育部越发重视本科教育的全面发展，发布了《关于一流本科课程建设的实施意见》（教高〔2019〕8号）［1］和《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》（教高〔2018〕2号）［2］，指出了课程是人才培养的核心要素，课程质量将直接决定人才培养质量。提出了“两性一度”的一流课程建设任务，即致力于提升高阶性、突出创新性、增加挑战度，打造“金课”，切实提升课程教学质量。材料力学作为力学体系中的基础课程之一，与工程实际联系紧密，是培养学生高阶思维能力的理想课程。但当下材料力学教学实践侧重于基础概念与数理知识的通识性介绍，缺乏与工程实际的联系，无法使学生对课堂产生兴趣，造成基础掌握不牢固，知识点理解不深。为此，本研究通过对材料力学教学实践与方法探討，旨在提高学生理论联系实践的能力，培养学生的高阶性思维，提升材料力学课程的高阶性。

一、高阶思维能力

目前，全球各国科技与经济竞争激烈，归根到底是各国青年人能力的竞争。世界范围内的科技飞速发展，加速了知识与技术的迭代，对新知识学习能力与知识的综合运用能力也提出了新的要求。因此，需要突破传统的以教师为主导、知识单向、模式化地灌输给学生的讲授式教学模式，转向处理复杂任务和信息的思维方式训练。在高等教育中引导学生从记忆、理解知识的低阶思维，转向分析、综合、评价各类信息的高阶思维是新时代创新教学模式、提升人才素养的重要环节。

思维方式可以分为高阶思维技巧（HOTS）和低阶思维技能（LOTS）［3］。低阶思维技能（LOTS）通常指简单记忆，而高阶思维技巧（HOTS）则包含对知识的综合、分析、推理、理解、应用和评估。高阶思维技能在低阶记忆学习基础上有着更深层次地延伸与拓展，学会从不同角度提出、分析、解决问题。学生的高阶思维并非与生俱来的，需要在教学设计与教学实践中训练、引导。在材料力学中，学生低阶思维能力即记忆、理解与应用等能力，与之相对应的材料力学教学目标包括对基本概念知识点的理解、简单例题的判断与计算等。高阶思维能力包括分析、综合及评价的能力，与之对应的材料力学教学目标包含数学建模、理论联系实际的能力、问题归纳总结的能力等。

材料力学知识点具有面广、点多且分散等特点，易造成学生核心知识掌握不全不牢，难以形成联系整体全局的知识构架体系。目前材料力学教学实践常常与生产实际脱节，落入简单概念灌输与理论推导的浅层，无法将复杂的概念理论联系实际生产，学生提不起兴趣，陷入简单机械性地重复记忆，无法融会贯通，更难以应用于解决实际问题。课堂作为大学育人的主要场所，将思政元素融入教学实践中，有助于立德树人的润物细无声。但是如何将思政元素有机、科学地融入材料力学仍是一个值得探讨问题。高阶课程建设以学生为对象，以材料力学为载体，以培养学生高阶性思维能力、创新能力、理论联系实际能力为目标。

二、材料力学教学实践中学生高阶性思维培养探索

（一）构建高低阶协调的知识体系

材料力学是力学基础课程之一，其知识体系偏重于基础理论与数学推导。由于教学内容较广、概念繁多、学习难度较大，使学生易陷入枯燥的学习状态。如采用平铺直叙的教学方式，学生较难理清知识脉络之间的内在联系，最终陷入低阶的简单记忆中。为实现学生学习能力从低阶到高阶的跨越，在教学设计中首先需要建立清晰的知识脉络与结构体系，明确高低阶目标对应的教学内容。教学实践中从简单到复杂、从低阶到高阶，循序渐进、不断引导，扎实基础，逐步提升高阶性。

教学设计中，清晰的知识脉络有助于教学展开。本文采用“1+4”结构梳理知识脉络［4］，即围绕核心概念引申出“概念来源、相关概念、概念应用、概念拓展”四个重点要素。并依据四个重点要素分别拓展更广的概念、方法、思想、哲理等方面知识。如图1所示，针对材料力学中拉伸、压缩、剪切等核心概念，其基础理论是胡克定理，又可以引申出包括轴力、内里、压杆变形、强度条件、安全因素等相关概念，可应用于强度校正、截面设计、材料选用等方面，拓展概念包括屈服极限，卸载硬化等。“1+4”结构可以较好地分清高低阶教学内容、能过清晰展示出知识点间的内在联系。

培养学生逻辑思维高阶性，要引导学生主动思考，主动去发现知识体系中各个理论之间的联系与差异，由简及繁，对进行升级式学习，及时对所学知识进行复习，从温故知新中深化对基础知识的理解。教师要对知识体系做进一步整合，同时在课程中融入一些与贴近教学内容的技术难点与科研最新进展，并运用已学的知识点进行简单的推演与解释，激发学生进行更深层次的思考。问题的讨论可以在不同层次展开并关联教材的多个章节，便于学生进行概念辨析和知识体系构筑。培养学生对知识理解的综合能力，提升学生对高阶技巧的掌握。

（二）增强理论与实践的结合度

材料力学是一门实践性很强的工科课程，其知识体系与工程实际联系紧密。但由于工程中实际问题影响，参数较多且分析过程较复杂，更适合课程背景介绍，不宜直接作为课堂教学深入研讨的内容。通常，需要对复杂的模型进行简化建模，而教学实践过程中常常忽略了其所在的工程背景，使学生只简单关注了问题求解，而无法将其反馈到工程实践中，达不到训练理论联系实践的能力。增强理论与实践的契合度，有效提高学生学习热情，充分调动学生学习的主观能动性，培养学生高阶性思维。

为增强理论与实践的结合度，教学案例应从实际工程背景、简化力学模型及关键问题三个维度展开，三个维度相互关联，能训练化学生理论联系实践的能力，提升学习兴趣。

例如，为应对钢轨热胀冷缩而设计的铁路轨道伸缩缝，可以简化为两端位移受限的变形力学模型，然后在不同条件下求解具体问题，再将结果反馈到工程实际中，如图2。

从周围环境引入教学案例。来自学生周围环境的案例更容易让学生快速带入角色，引发思考。以教室内投影仪安装为例［5］，在教室里安装设备需要考虑哪些可能出现的问题？如果在吊灯设备型号、自重等已知条件下又该如何选择吊杆？选择吊杆时要考虑哪些因素，选择什么材料？如何确定吊杆截面形式和截面尺寸？通过设置层层递进的问题，将实际问题简化成数学模型，进而解决实际问题。从所学的专业引入案例，专业相关的案例更能引发学生共鸣，以土木工程专业为例，贵州赫章特大桥位于毕节至威宁高速公路，拥有亚洲第一高墩大桥，其中最高桥墩高达200米，此处山风很强劲，经常风力在六级以上，最大风力时速超过每秒30米。在风荷载作用下，高桥墩会发生变形量有多大？通过简化计算模型，假设风荷载是均匀分布，桥墩内挠度与最大变形量。由于最大变形量交小，肉眼较难观测，进一步引出桥梁变形测量方法。随着计算技术发展，当下可以采用虚拟现实等教学手段，引入更多生活中的实际工程案例如教学，比如吊车绳索、斜拉桥的斜拉杆、千斤顶、活塞杆等。

（三）提高内容的思想性

立德树人是教书育人的根本，课程思政则是落实立德树人的关键举措。将思想政治元素合理融入材料力学课程教学，在授业解惑的同时，启发学生的思想，达到潜移默化、润物无声的效果。在教学实践中加强对学生的思想教育，引导学生树立正确的三观，坚定理想信念，增强文化自信，投身祖国现代化建设［6］。土木工程专业的材料力学课程中融入的思政元素可以从发展历史、科学人物故事、工程事故及近代建设成果等四个方面展开。

我国很早就有与材料力学相关的文字记录。东汉经学家郑玄提出的“假令弓力胜三石，每加一石，则张一尺”，是最早有关弓的弹力与弓的变形成正比关系的描述。在工程建设方面取得了卓越的成就。例如建于隋朝时期河北赵州桥，历经一千四百余年，至今昂然挺立。世界三大奇塔之一的山西应县木塔，不费一钉一铆，却屹立数百年。都江堰两千多年依然灌溉着着天府之国的成都平原。通过引入我国历史案例，突显中国文化，不断增强学生的文化自信。

作为材料力学科学人物之一的欧拉以顽强的精神与惊人的毅力，甚至在双目失明的情况下，仍然坚持科学研究，在数学（数学分析、变分法、拓扑学）和力学（固体力学、刚体动力学、流体力学）等诸多领域都有着开创性贡献。中国现代桥梁之父茅以升与钱塘江大桥修建、炸毁、重建的故事也体现出科学人物为科学而献身的精神，家国情怀取舍大义激励学生献身科学研究。

改革开放以来，我国基础建设取得了突飞猛进的成就，有“基建狂魔”之称。在已建成的许多世界级大桥中，世界十大跨海大桥榜首是我国的港珠澳大桥，全球十大最高桥梁首位是位于我国贵州省六盘水市的北盘江大桥。中国高速铁路、高速公路建设方面也取得了举世瞩目的成就。将国家重大工程建设和科技进展融入教学活动中，能拓宽学生视野，培养学生的大国工匠精神和民族自豪感。

工程事故的案例不勝枚举。加拿大魁北克桥发生的两次重大事故，第一次事故是因为忽略杆件屈曲造成了桥梁坍塌，第二次事故则是由于压杆失稳而引起桥体全面坍塌，共造成74名建筑工人死亡。1940年11月7日，美国华盛顿州塔科马桥因刚度不够，剧烈的大风下，桥面扭曲变形过大致毁。上述事故的原因包含着强度、刚度、压杆失稳等在材料力学知识点。通过引入工程事故案例分析，既能加强学生对知识点与实际工程息息相关的认识，又能起到警示作用，树立学生的职业精神和社会责任感［7］。

（四）提高教学高阶性策略

在完成材料力学的内容高阶性与思想的高阶性构建后，教学策略也需完成适应高阶性思维培养的提升。教学中培养大学生的高阶性思维能力的教学策略包括支架式教学、启发式教学、项目式教学、构建协作教学与多远反馈策略［8］。

在支架式教学策略中，需要教师基于前期学情进行分析，在教学实践过程中逐步地引导和帮助学生搭建学习支架。研究表明，供合适的“支架”对于促进发展大学生的高阶思维能力培养有极大帮助。在启发式教学策略中，教学实践过程中需采用灵活多变的提问方式引导大学生的独立思考，基于讲授的基础知识经验，积极引导学生将知识迁移运用到实际工程问题中，加深学生工程联系实际的能力。在项目式教学中，教师需首先与学生共同确立课程学习目标，通过布置递进式的思维训练任务，推动学生自主地运用以传授的知识经验去完成更为综合的、结合实践的任务或设计方案，最终完成一批反映全面学生知识贯通的作品。在构建协作学习策略中，教学实践过程中采用差异分组或自由分组的方式，形成学习小组，通过小组的合作学习、交流、汇报展示以及相互评价等综合方式，激发学生产生思维碰撞，培养学生团结互助、组织沟通、借鉴经验并进行自我反思的多重效果。在多元评价反馈策略中，教学实践结果评价采取多元视角，综合利用多元化的评语和量化的数据评价方法，给予学生多维度的、全面的评价反馈，从而促进学生的自我反思和批判、创造性地改进学习策略和方法。

三、 结语

认知是一个过程，而不是一个结果。高等教育教学是让学生建立知识体系的过程，对知识点简单记忆法达到学习的目的，更注重培养学生高阶思维能力，达到能够运用所学的知识分析、提出、解决工程实践问题。本研究从教学高低阶协调知识结构体系、理论与实践结合度、提升教学思想性三个方面探讨了如何结合材料力学培养学生的高阶思维能力。在材料力学课程教育过程中注重学生高阶性思维的培养，激发学生的学习兴趣，引导学生自主思考，让学生从根本上理解知识、建立完整的知识体系，从而能够更好地应用知识，最终达到提高教学质量的目的。材料力学课程的高阶性应以培养高阶性思维能力为导向，以学生为中心，不断完善过程评价，持续改进，最终实现高阶性课程建设。

参考文献：

［1］ 中国政府网. 教育部关于一流本科课程建设的实施意［EB/OL］. （2019-10-24）. https：//www.gov.cn/gongbao/content/2020/

content_5480494.htm.

［2］ 教育部关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见［EB/OL］. （2018-09-17）. https：//www.gov.cn/zhengce/

zhengceku/2018-12/31/content_5443541.htm.

［3］ 付海东，杜伟. 高校学生高阶思维能力培养策略研究［J］. 长春大学学报（自然科学版），2015（05）：110-112.

［4］ 韩美东，何巍，王娜. 基于“四维统一”模式的“材料力学”教学改革探索［J］. 教育教学论坛，2021（45）：63-66.

［5］ 赵春香，于月民，盖芳芳. 材料力学案例教学的实践与研究［J］. 大学教育，2015（10）：148-149.

［6］ 邓爱民，王向东，殷德顺，等. “材料力学”课程思政元素的探索与融合［J］. 教育教学论坛，2021（50）：89-92.

［7］ 向长奎. 材料力学教学利用工程事故教书育人的探讨［J］. 山西建筑，2007（28）：229-230.

［8］ 张露. 面向大学生高阶思维培养的教学策略模型建构与效果检验［D］. 上海：上海师范大学，2021.

（荐稿人：安永日，贵州大学副教授）

（责任编辑：淳洁）

基金项目：贵州大学教改项目“新时代土力学‘课程思政课堂教学设计与实践研究”（项目编号：XJG2022003）。

作者简介：廖建兴（1991—），男，博士，贵州大学土木工程学院讲师，研究方向为岩石力学与渗流；王宏（1992—），男，博士，贵州大学土木工程学院讲师，研究方向为地质灾害；周庆（1997—），女，硕士在读，贵州大学土木工程学院，研究方向为岩土工程。