“材料力学”课程教学改革与实践的探讨

1、“材料力学”课程教学改革与实践的探讨摘要高等教育改革以来，受新媒体形式的推广和特殊形势的影响，传统的本科力学课程教学急需改进。湖南大学材料力学教 研室以培育复合型人才为目标，创新性地提出构建课程建设和教学内容并举的简支梁”教学改革思路。即依托教师队伍和教学 手段的相互促进完成课程建设；融合思想政治元素、实践应用和科普知识改进教学内容，并以综合考核为引导手段，培养具有理 论和实践的基本能力，并且能围绕未来工作中的工程和科学问题进行创新性研究的复合型人才。取得了一系列优异成果，可以为 后续教学改革和实践工作提供参考。关键词“材料力学；教学改革;课程建设；思政元素2019年,教育部在关于深化本科教育

2、教学改 革全面提高人才培养质量的意见（教高2019/6 号）;针对教学管理1c教学制度、潜心育人和 组织保障这四个方面分别对本科教育提出了指 导性的意见。2020年的特殊时期打乱了多年循规 蹈矩的本科教学计划。这对于“材料力学”这门 传统的力学核心课程的教学带来了更高的要求和 挑战。对于这一问题,湖南大学材料力学教研室认 真贯彻教育部精神，围绕学生做出了一系列教学 改革举措,并落实到课程教学;，收到了良好的效 果。本文在培养目标6、课程建设7和教学内容 等方面展示湖南大学材料力学教研室的创新和效 果,为力学核心课程教学改革提供思路和参考。一、教学改革与实践的设计思路湖南大学材料力学教研室“简支

3、梁式”教学设 计模式如下图1所示。图1湖南大学材料力学教研室“简支梁式”教学设计（一）教师队伍和教学手段组成的“滑移支（ 课程建设应当是在保证教学质量的前提下， 具有一定的灵活性，这样可以适应新时期和特殊 形势带来的变化。其特点类似于双自由度的“滑移 支座队伍建设是支撑教学的基础L湖南大学材料 力学教研室实行“内外双培养”的教师发展模式L 在内，由经验丰富的教学名师带领年轻教师学习 教学技巧，根据每位教师的经历和研究方向量身 定制教学方案。在外，聘请具有丰富实践经验和学 科知识扎实的工程技术人才加入，完善教师队伍 多元化建设建立校企和国际合作，鼓励交流L教学手段是学生兴趣的“着力点”。特殊时期

4、， 全国展开了一场关于线上教学的讨论热潮L针对 这一问题，教研室教师认真收集建议，总结出一套 合理的授课方案：（1）采用直播课堂软件，将课件 与讨论区并列展示，便于及时收到反馈（2）在适 当时间开启摄像头，采用道具演示趣味小实验或 者在小黑板上演算习题（3）在习题课上,展示预 先做成的习题解答过程课件，辅以软件上的画笔 标识。在直播课后，教师在课程联系群里上传录制 的直播视频，帮助学生回顾知识。这样有条不紊的 直播授课得到了不亚于面对面授课的良好效果。 同时，湖南大学材料力学教研室共同建设了课程 中心网站,包括双语介绍、力学进展（介绍前沿的 科研成果）、资料共享（课件和参考书籍）和师生互 动平

5、台这些特色栏目L这样的课程中心建设支持 教学资源的积累与共享，将教学过程与评价展示 相结合，提供了多样的师生互动模式。另外，许多 教师在主流的社交平台上建立个人账号，撰写教 学和科研中的心得体会或是上传录制的课外讲 座。获得了全国力学爱好者的广泛关注，有几位老 师拥有了上千“粉丝,成了同行和学生心中的“明 星学者（二）思政、应用和科普组成的“固定支座”教学内容应当确保学生掌握知识点这一关键 不动摇，由思政、应用和科普共同组成稳定的“三 元体,使学生围绕知识点展开创新实践。其特点 类似于单自由度的“固定支座针对学生的思想、兴趣、志向和科学素养，广 泛搜集与知识点相关的重大工程和热点问题，从 科普

6、的角度拓展学生的知识面，同时渗透正确的 人生观和价值观，确保达到协同育人的教学效果。 2020年5月5日，广东虎门大桥出现大幅摇晃，在网 络上引发热烈讨论。时值“材料力学”课程讲授“组 合变形”这一章节,笔者抓住这一机会,向学生介 绍了大跨度悬索桥的历史和构造。以塔科马大桥 风毁的实例，解释了卡门涡街这一流体力学知识 点。作为中国自行设计建造的第一座现代化特大 型悬索桥，虎门大桥的设计师早已考虑风力作用 下的振动。根据蜻蜓翅膀上的翅眼结构的作用，介 绍了大型桥梁的抗振措施。另外，涡街效应也能被 利用，从工程实例中的测量管道内流量的涡街流 量计，讲到科研最新成果磁感应涡街发电装置。这 使学生对于

7、“材料力学”及相关课程的兴趣大增， 取得了非常好的教学效果，同时也宣传了我国流 体力学和振动力学的代表学者。（三）综合检验的复合人才是“荷载”“材料力学”注重培养关注学科前沿发展和知 识交叉应用,具有理论和实践的基本能力，并且能 围绕未来工作中的工程和科学问题进行创新性研 究的复合型人才,是前述教学与改革的“承载”。结 合特殊时期的影响，“材料力学”的考核模式也相 应调整如下（见表1）。表1考核评估中总评成绩设置和调整项目占比（变化）说明期末考试30% ( 1 )创造性为主的综合大作业形式实验成绩10% ()慕课实验教学内容并提交报告期中成绩10% ()用慕课章节测试成绩代替慕课平时成绩30%

8、 ( ?)慕课学习作业15% ( ?)上传文档直播签到5% ()直播课堂签到通过公示相应的说明文件材料力学在线考随机题库、双机位监考和提交答卷方式等。考核的核实施办法，保证了考核细节公平、公开化，包括内容包括慕课学习、实验认知、课外讨论和运用知识点解决实际问题的能力。针对考核中出现的不 足，可以修正相应的教学内容。只有建立起以培养 复合人才为目的的评价体系，才能赋予这门传统 力学核心课程历久弥新的特质，源源不断地输送 优质工程师、科研工作者和教师人才，同时为思 政、工程和科研提供丰富的素材。二、教学改革与实践的具体案例下面结合湖南大学材料力学教研室教学实践 的具体案例探讨“材料力学”教学方法(

9、见图2)。(a)慕课建设(b)弯曲变形与高层抗风(c)机械创新大赛(d)化裂纹尖端的位错发射图2湖南大学材料力学教研室教学实践的代表案例“双向”慕课从2019年开始，湖南大学材料力学教研室在 中国大学MOOC向全国的力学爱好者开设了材料 力学网络课程图2(a),具有以下特点：(1)与兄 弟院校共享授课资源，从广度上扩展了学习内容, 从深度上紧跟学科最新发展，定时更新网络内容, 充分发挥了线上课堂的优势。(2)要求学生将学习 报告上传至网络课堂，指导老师及时反馈并展示 优秀的学习报告，以此调整教学方案，实现了师生 双向慕课。知识点“图像化”针对学生掌握材料力学公式的常见问题，例 如难以实体化，将

10、基础理论知识与工程实践、前沿 科技相结合，把知识点“图像化”，激发学生主动学 习的热情。在讲授梁弯曲挠度这一知识点时，以超高层 建筑的弯曲刚度引入，先介绍世界前十高楼，引起 学生的兴趣。然后基于课程思政，以轰动一时的世 界第一高楼我国台北101大楼的内部的巨大 球形阻尼器，介绍影响超高楼变形的风荷载与其 应对措施。与此相反，目前世界最高建筑哈里发塔 并没有在内部设立阻尼器，这要归功于其特殊的 类三角形截面。设计师巧妙地以空气动力学原理 减小了风荷载的影响，同时保证了楼层内部结构 的实用性与美观性图2(b)。“延伸式”教学材料力学的学习不能限于课程教学，而应该 贯穿整个本科甚至研究生的培养过程。

11、在第九届全国大学生机械创新设计大赛湖南 赛区预赛;，以设计“助老机械”为主题，学生充分 应用材料力学知识，发挥创造力，在材料力学教研 室指导下设计出了自动起卧式助力床、智能辅助 摔倒起身机器、全自动家居式老人辅助脱衣装置 等一系列优秀作品图2(c)。另一方面，将材料力学与前沿金属材料研究 有机结合起来，一些本科学生参与了教研室教师 的研究工作，在具有国际影响力的刊物上发表文 章。学生熟悉了科研的过程，体会到探索的乐趣 图 2(d)。三、教学改革成效在湖南大学师生的共同努力下，“材料力学” 课程教学改革收效显著。近年来，出版材料力学相 关教材两本；获中国力学学会全国徐芝纶力学） 秀教师奖一人次，

12、师生多人次在全国周培源大学 生力学竞赛、全国大学生机械创新大赛、本科生 SIT项目获奖；获得湖南省教学成果奖2项,2014年 获湖南省普通高校教师课堂教学竞赛奖；多位教 师获得湖南大学教学成果奖和评为教书育人模 范；发表10余篇中英文论文和多项国家发明专 利；共4人留校并加入材料力学教研室；为国家 重大工程尖端科研项目和教育机构培养了一批） 质人才。四、总结与建议“材料力学”旨在培养具有国际视野、合作与 竞争的能力，具备从事工程应用、科学研究、教学 及管理等方面技能的创新型人才，其课程教学与 改革既要稳定，又要精简。在“十四五”规划新时 期,我们将从以下方面推进工作:（1）力学学科的 发展依赖于传承精神,在课程思政的倡议下，学习 前辈艰