基于“四维统一”模式的“材料力学”教学改革探索

1、基于“四维统一”模式的“材料力学”教学改革探索摘 要“材料力学是高校开设的一门高度普及的专业基础课，重点研究构件的强度、刚度和稳定性问题。在新工科建设大背景 下，课程的传统知识型教学已经无法满足全方位的育人需求。为此，提出基于“四维统一模式的“材料力学教学改革理念，旨在 达成课程教学在基础性与高阶性、理论性与应用性、思想性与科学性、线上教学与线下教学等多个方面的有机统一，进而提高教 学活动的适应性，推动创新型人才在知识体系+能力体系+价值体系”的全方位培养。关键词材料力学；高阶性;应用性;课程思政；线上教学、弓I言“材料力学”是高校工科专业必修的基础课程 之一,在机械、土木、航空航天等专业的培

2、养体系 中具有重要支撑作用1o首先，受课程知识体量 （、理论性强、难度高等因素的限制及传统教育思 维的影响，目前材料力学的教学多侧重于力学（ 念与基础理论的讲解，致使课程学习与工程实际 存在一定的脱节，且习题案例均以简化模型为主, 学生在学习过程中难以触及知识的整合运用，认 知深度和思维广度均有所欠缺。其次，在新工科建 设大背景下，传统的知识型教学已无法满足育人 需求，课程教学亟须融入新的时代元素、国家需 求、学科前沿及价值理念，达到思想与科学的共同 传承，学识与能力的同步提升，并促进经典理论的 创新性应用？ 3。此外，新冠肺炎疫情的出现又对 传统的课堂教学提出了新的挑战，线上教学应运 而生。

3、如何充分利用线下教学与线上教学各自的 优势，使两者有机结合、相互促进,是当下材料力 学教学改革亟待探究的课题。为此，本文提出“四 维统一”的教学理念，以实现“材料力学”课程教学 对学生能力的全方位培养。二、“四维统一”模式的教学理念与实施措施（一）基础性与高阶性的统一材料力学为变形体力学的学习起点，其知识 体系复杂且偏于基础理论。本文以刚度、强度和 稳定性为三大主线，对课程的知识体系进行拆 解和重构（如图1所示）。首先，分别以拉压、扭转 和弯曲三种基本变形为载体，建立“单一变形” 、静定条件、静态载荷”简单工况下刚度、强度 和稳定性分析的基础理论架构。该部分内容的 教学以精细的概念解读、完备的

4、过程推导和详 细的思路分析为主，侧重学生对力学概念和基 础理论的理解，并夯实基础。其次，对简单工况 进行升级，开展由“单一变形”到“组合变形”，由 、静定条件、到“超静定条件、，由“静态载荷、到 、动态载荷”的升级式学习，侧重解读由简单到 复杂的转换过程中知识的差异性和关联性，引 导学生主动思考如何从旧知中获取新知，进而 从温故知新中深化对底层知识的理解。最后，对 复杂条件做进一步的整合，设计综合性问题和案例，挖掘各知识分支的结合点，注重知识的整 合运用与变换应用，进而提升学生的思维深度 和广度。此外，注重发掘学科间的关联性，在课 程讲解中融入其他课程的相关知识和思想，以 培养学生的交叉思维能

5、力。在此架构下,课程教 学以扎实基础为前提，通过“分级学习，逐级深 入，关联整合，创新应用”的递进模式，实现课程 教学在基础性与高阶性上的有机统一。简单工况I静定条件扭转变形I关联性图1基于拆解和重构的课程知识框架豚C?面容I精细的概念解厦II严谨的流程论田I深入的理论剖耐分类研究 构建框架复聂诚I i I超静定I iII多变形| iI | i ；I |动载荷| ;平行学习 举一反三基础理论 注重思路（二）理论性与应用性的统一作为专业基础课，材料力学具有其自身的优 势，即知识体系与工程实际高度相关。首先，围绕强 度、刚度和稳定性三大核心知识点,对相关工程案 例进行分类总结。基于大量的文献调研和

6、案例挖 掘，本研究建立的知识内容与工程应用的结合关系 如图2所示。其中,强度为结构抵抗破坏的能力，因 此建筑倒塌、隧道施工、桥梁断裂、容器炸裂等与破 坏相关的问题都可与强度分析的教学内容相结合。 刚度为结构抵抗变形的能力，故精密加工、桥面形 变、机翼设计等对变形控制有较高要求的工程案 例，皆可引入刚度理论的教学之中。稳定性是结构 维持原有平衡状态的能力，因此千斤顶的设计、脚 手架的失稳、桁架结构的垮塌等与稳定性相关的案 例均可融入理论教学之中。其次，在课程的整体教 学设计中，明确理论联系实际的教学指导思想，将 工程案例与基础理论有机结合，提出工程中对于安 全可靠和经济美观的矛盾关系，引导学生主

7、动思 ;、互动讨论,培养其由理论到实际的分析思维及 解决实际问题的能力，做到活学活用。I教学内容工程案例学科前沿强每刚度稳定性i建筑倒塌 LJ 精密加工 LJ千斤顶设计| I i隧道施工i 桥体形变 住）脚手架失稳I 容器炸裂I g ）机翼设计I g ）桁架垮塌i士 二二二二牡二二二士二二二 wI多种强度理论I i高刚度设计i I动脉瘤的形成I|界面破坏问题| !刚度与振动I i抗倒伏小麦I【能力培养jij理论联系实际11活学活用综合应用能力i |创新能力交叉思维图2课程知识与工程和前沿应用的结合关系（三）科学性与思想性的统一作为经典力学课程,“材料力学”的发展历史 悠久，内容体系完备，又具有

8、广泛的工程应用背 景。基于上述特点，本研究从三个维度开展“材料 力学”课程思政,具体架构如图3所示。（1）科学人 物与发展历程:在知识的背景介绍中，引入力学家 的典型事迹、探索历程、知识的形成与演化过程, 以培养和激发学生的创新精神及不畏艰难、刻苦钻研、坚持不懈的优良品质。（2）工程案例和科学 研究:在相关知识的工程应用、典型案例和科研热 点问题的讲解中,融入工匠精神、奉献精神和职业 道德等素质教育。（3）历史文化和时代背景:力学 学科的发展离不开中华民族的伟大贡献，从经典 的斗拱结构、郑玄的“胡克定律”到如今的北斗导 航、高速铁路,诸多案例都与材料力学紧密相连。 在相关知识的教学中融入经典案

9、例的分析，并结 合历史文化和时代背景的解读，既可提升学生的 学习兴趣，又可增进其对民族文化的了解,培养其 文化自信和家国情怀。此外，要对思想政治内容的 切入时机和融合方式进行精心设计，并通过教学 实践不断调整和完善，以实现专业内容与思想政 治内容“转场自然”，学生情感与思想自然升温。科学人物 发展历程善于钻研勇于挑战迎难而上创新精神勤于思考持之以恒课程思政方案工程案例 科学研究工匠精神精益求精责任担当认真严谨奉献精神职业道德历史文化时代环境家国情怀文化自信与时俱进生态文明大局观念志存高远图3课程思政方案（四）线上教学与线下教学的统一新冠肺炎疫情的出现对传统的课堂教学提出 了新的挑战,线上教学应

10、运而生。立足长远，随着 信息技术的不断升级完善，线上与线下相结合的 教学模式将成为未来高等教育重要的发展方向。 线上教学具有资源丰富、模式灵活、信息统计便捷 等优势，而传统的课堂教学具有互动性强、反馈及 时、有创造性和针对性等优势。为了充分利用两种 模式的优点，本研究按功能性将材料力学的教学 过程拆分为三大环节:课前引导、课堂教学和课后 研讨。（1）课前引导的目的在于让学生对课堂学习 做好预习和准备，了解知识背景，明确后续的课堂 听课目标，并锁定重点。考虑到课前学习的灵活性 和自由性，该环节通过线上学习平台完成。建立线 上学习班级，课前在平台上发布预习任务、背景知 识、重点、难点和预设问题。（

11、2）课堂教学是整个教 学的核心环节，拟分八个步骤开展:知识回顾、内 容引入、基础讲解、例题分析、综合应用、课堂留 白、强化提高和知识总结。课堂教学以引导式和启 发式教学为主，并要充分利用师生面对面的环境 优势来增强互动，注重学生的听课反馈，并及时调 整授课节奏和讲解方式。抛开“模板”，因班制宜, 建立不同班级的定制化专属课堂。需特别指出的 是课堂;勤签到和随堂测验环节将通过线上平台 完成，以改进传统点名和测试的费时费力、覆盖面 局限、统计烦琐等不足，使得;勤记录更加全面、 快捷、准确。（3）课后研讨是学生消化吸收课堂知 识的重要环节，由习题训练、拓展学习和答疑讨论 三部分组成。首先，通过线上平

12、台发布课后作业并 进行批改，借助线上平台多样化的信息统计工具， 量化每个学生的作业完成情况，并以此为依据向 学生进行有针对性的反馈。其次，围绕课堂内容在 线上发布相关拓展学习资料，供有余力的学生拓 宽视野，提升认知深度和广度。最后，利用线上平 台的便捷性,可实时为学生进行答疑解惑，突破传 统答疑方式对时间和空间的限制o基于上述探索， 本文所建立的“四维统一”模式下的“材料力学”课 程的整体教学实施方案，如图4所示。三、结语在新工科背景下，对传统的“材料力学”课程教 学进行多维度的重构与优化是大势所趋。本文以推 动创新型人才的全方位培养为导向，构建了 “四维 统一”的教学理念，并给出了具体举措，旨在提升课 程教学的高阶性、思想性、应用性和灵活性。-从学会到会学-多维度构建材料力学教学的基本框架Wiik： ,:I预作务I厂|线上发布课前学习资料基础性与高阶性并重】:;理论性与应用性统一111科学性与思想性融合、-冗- ( 、 杳 课蠢学C U I线上教学与线下教C! I激发学