新工科背景下材料力学课程的思考与实践

王丽君 于丽波

(南京航空航天大学金城学院航空运输与工程学院，江苏 南京 210000)

学习是基于教师指导下的发现，而不是信息的传递[1]。随着时代的进步与发展，在当今信息化的大时代背景下，传统的讲授方式已经无法满足学生对知识的需求，更无法满足社会的需要。为此，必须做出改革，我们应该把“授人以鱼”变成“授人以渔”。“授人以渔”则是以掌握方法为核心，以解决问题为目的，以师生合作为特点，激发学生去主动获取知识，并且能够灵活应用已学知识，从而解决工程实际问题[2-3]，旨在培养具有创新精神和实践能力的应用型人才，在整个教学过程中架起了知识教育和素质教育的桥梁，同时也促进了教师的研究型教学与学生的研究性学习[4]。基于南京航空航天大学金城学院土木工程专业材料力学课程教学的实践经验与反思，从教学内容、思政元素、实践教学、教学方法和课程考核等方面入手，进行方法总结和提炼，其成果可为同类院校土木工程类相关专业课程教学改革提供一些参考和借鉴。

1 课程内容

材料力学是一门理论性较强的学科专业基础课，与理论力学一起共同构成其它各门力学课程的基础，同时也是其他专业基础课和专业核心课之间紧密联系的纽带，是理论与实际工程紧密结合的桥梁。本课程的任务是使学生掌握受力构件变形及其变形过程中构件内部应力的分析和计算方法，掌握构件的强度、刚度和稳定性分析理论在工程设计、事故分析等方面的作用，为构件的经济合理设计提供必要的理论基础和计算方法，并为学好有关的后续课程打好必要的基础。课程不仅要实现知识传授和能力培养的教学目的，从学生的思想态度、学习能力、综合素质全方位的实现知识传授、能力培养和思想育人有机结合的“三位一体”的课程教学总目标。

2 现有问题

由于材料力学理论性较强、概念抽象、公式推导复杂，教材中的章节划分顺序使知识点变得较为散乱，缺乏联系，加上长达64课时的学习，学生很容易学习了新知识忘记前面章节的内容，对整个材料力学知识框架的建立和知识的掌握非常不利。在目前社会传统教育整体缺失的大环境下，工科学生的人文情怀更显匮乏，尽管他们思维活跃且自学能力强，但是理论联系实际的运用能力相对欠缺，需要加大实践教学和案例教学的力度。目前土木工程专业课程从第3学期开始，材料力学是土木工程专业学生进入大学以来初次接触的较有难度的专业基础课程，遇到理论性强或没有兴趣的知识点，上课很容易走神。

3 改革创新

3.1 教学内容

教学中发现，如果按照教材顺序进行，则对每种基本变形重复“外力—内力—应力—变形—强度校核”这一过程，教学过程单一，容易使学生对后面的学习失去兴趣，也不利于知识的全面掌握。因此，对课程内容进行重新整理和排序，对不同的基本变形(拉压、扭转、剪切、弯曲)按照“外力—内力—应力—变形—强度校核—超静定结构”这一思路进行串联，例如，同时把拉压、扭转、剪切、弯曲的内力放在一起讲解形成对比教学。通过对比有利于学生快速掌握相关知识点，同时还可以达到以此类推，举一反三的效果，留出更多课时进行实践教学。再者，将第八章组合变形及连接部分的计算放在第七章应力状态和强度理论之前，将附录Ⅰ截面的几何性质放在第四章弯曲应力之前，作为一章独立的内容进行讲解。利用中国大学MOOC(慕课)、英华课堂等线上课程资源，作为教学补充和扩展，并于2022年建设《材料力学》微课程，获校级重点教学项目，为学生提供有针对性的线上教学，微课程言简意赅，学习环境无约束，随时随地点开即可学习。

3.2 课程思政与工科知识有机融合

材料力学开篇绪论对材料力学的任务、基本假设、研究内容做了简要阐述，其中材料力学发展概述尤为重要，也是非常好的思政切入点，进一步说明了材料力学的重要性。讲授绪论课时结合材料力学力学发展史，明确执着、创新、求真、务实、协作的科学精神；结合古今中外一些重大工程中力学原理运用，明确学好《材料力学》对学好专业课程重要性；结合《中国制造2025》和中国政府的“制造业强国战略”，引导学生树立远大理想和爱国主义情怀，对相关思政元素熟记于心，在整个教学过程中，无论是理论教学还是实践教学，适时融入。

3.3 工程实例与理论知识相结合

对于理论性比较强的课程，实践教学无疑是重点，也是难点，在理论教学设计中注重知识与工程案例的结合。在课程开始导入工程事故案例，提高学生运用所学知识来分析实际工程问题的能力，并在分析工程实际问题的过程中，使学生逐步建立起辩证的工程科学观，通过贴近生活的例子，使学生直观感受到材料力学的魅力。

针对土木工程专业，为了更好培养大学生的创新意识、合作精神和工程实践能力，教育部在2007年设立了大学生结构设计竞赛，并逐步形成了国家级、区域级、省级、校级的多层次赛事，促进了高校的创新教育与实践教学改革[5-8]。国内诸多高校对于结构设计竞赛的模式及试题进行了较为广泛的讨论[9-10]，并与教学改革相结合，进行了多方面的探索与实践[11-12]。本着以赛促教，以教促赛，两者相辅相成，力求成效最大化，故成立土木工程创新工作室，作为专业实践教学平台，充分实现课上与课下学以致用。经过教师指导—学生讨论—动手操作—实践检验—解决问题，整个过程激发了学生主动学习的热情，培养学生发现问题，研究问题的兴趣。

3.4 学生为主体以及教师为主导

整个教学过程中注重学生的思考、交流，运用启发式教学，合理利用暂停给予学生思考时间，不讲过深过宽泛的内容。特别是对一些重要的概念进行反复提问，同时潜移默化地将新旧知识进行关联，多次梳理知识框架，使学生明确材料力学这门课程的学习目标和任务，时刻清晰记忆课程知识框架。针对不同基础的学生采取有差别的教学方案，注重课下辅导与答疑，在作业的安排上遵循因材施教，对于基础薄弱学生则布置一些基础概念和例题，对于程度较好，有考研需求的同学则在兼顾基础的同时侧重一些历年真题和拔高题，对于热衷参与竞赛对结构分析有需求的同学，引入数值模拟分析教学，有针对性地进行软件指导。

3.5 教学方法

教学方法和手段上主要体现在以下几个方面。

1)课前回顾：以提问的方式引导学生复习前期所学的知识，紧接着提出本次课的内容，提高前后知识之间的衔接度和学生的课堂参与度。

2)导入阶段：结合工程实例，阐述结果，强调本章节的重要性，结合案例融入思政元素，激发学生探求问题的好奇心。

3)提出问题：通过对一些简单结构构件的设计计算，使学生深刻认识到校核构件的强度、刚度及稳定性是进行结构设计计算的关键条件。

4)理论推导：利用网络多媒体，并辅以板书对公式推导过程加以详解，以引导提问为主，提高公式推导过程中学生的参与度，让学生理解数学知识在整个分析过程中的应用，培养用数学思维解决工科问题的思维习惯。

5)回顾与总结：总结本节学习内容、学习重点，提出与下节课相关联的课后思考题，促使学生去预习，为下一节课作铺垫。

3.6 课程考核

课程考核包括期末考试和过程性考核两部分。期末考核方法为闭卷考试，考试时间为120min，采用百分制，60分为及格，期末考试成绩占总成绩的50%。

过程性考核成绩占总成绩的50%，主要包含平时考勤、思想表现、作业成绩、期中测试和阶段性测验。其中考勤占10%，思想表现占5%，作业成绩占10%，期中测试成绩占15%，阶段性测验成绩占10%。思想表现主要通过平时与学生交谈、学生的言谈举止、学生学习的积极性及主动性、课堂学习表现等方面进行评价。

4 教学成效

选取有关教学创新的典型8个问题，分别为问题1：按照“外力—内力—应力—变形—强度校核—超静定结构” 这一思路对课程内容进行重新整理和排序效果如何；问题2：课程思政与理论教学相结合是否合适；问题3：在课程教学中引入工程实例，是否帮助你更好的理解课程内容；问题4：“课前回顾—导入阶段—提出问题—理论推导—回顾与总结”的教学方法，是否激发了学习该门课程的主动性和积极性；问题5：老师的教学手段运用如何；问题6：课程PPT是否清晰明了，生动易懂；问题7：《材料力学》的课程考核方案是否；满意8：《材料力学》课程的总体创新性教学是否满意。以问卷的形式发给学生，进行授课满意度调研，问卷发出127份，收回118份。

从统计结果图1可以看出，教学创新成果受到学生一致好评，平均满意度达到94.48%，在调研的8个问题中问题8、问题2、问题4相对占比较大，分别为13.1%、12.8%、12.7%(见图1)，说明学生对该教学改革总体较为满意，特别是课程思政的融入和“课前回顾—导入阶段—提出问题—理论推导—回顾与总结”的教学方法。

图1 满意度调研对比图

从2020年开始进行教学改革后，学生的成绩发生了大幅度变化。不及格率由2019年的55.46%下降到2020年的16.86%再到2021年的16.82%，良好率从17.64%上升到39.75%再到41.12%，优秀率则从9.24%上升到13.25%再到14.95%。不难发现通过教学改革大大降低了不及格率，有效提高了课程的通过率，同时大部分学生的成绩都有了提高，良好人数增多(见图2)。

图2 2019-2021年学生成绩对比图

5 结语

通过以应用型高校为背景，以材料力学教学过程中出现的普遍问题为出发点，遵循“新工科”人才培养模式。通过一名高校教师的思考与实践，从课程教学和课程思政两方面详细阐述了对于材料力学这门课程的创新性改革具体方案，同时对改革创新成果加以总结；对同类院校土木工程专业材料力学课程的教学改革有重要的借鉴意义。其次，为了提高学习的便捷性，在今后的教学过程中还需要继续扩充和完善微课程的建设。