新工科背景下“材料力学”课程“金课”建设的教学探索与实践

［摘 要］ “新工科”强调学科的实用性、交叉性与综合性，其目标是培养工程实践能力强、创新能力强的高素质复合型人才。教育部倡导的“两性一度”的“金课”建设，为新工科背景下“材料力学”课程建设指明了方向。依据高阶性、创新性和挑战度的内涵对“材料力学”课程教学进行探索，从教学内容、教学形式和学习评价三方面开展了探索与实践，并取得了良好的效果，为基础力学课程建设提供了有益参考。

［关键词］ “材料力学”；“金课”；“两性一度”；教学改革

［基金项目］ 2018年度广东省高等教育教学改革项目“新工科基础力学课程的教学模式改革——以‘“材料力学”’为例”；2019年度广东省高等教育教学改革项目“‘新工科’背景下工程科技人才创新能力培养模式的探索与实践”

［作者简介］ 宁志华（1976—），女，广西钦州人，工学博士，暨南大学力学与建筑工程学院副教授，主要从事基础力学教学与复合“材料力学”研究；黄世清（1976—），男，四川仁寿人，工学博士，暨南大学力学与建筑工程学院副教授，主要从事力学课程教学与力学超材料研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）49-0091-04 ［收稿日期］ 2023-02-01

引言

2017年起教育部大力推进新工科建设，先后在几所著名高校召开新工科研讨会，并分别于2018年和2020年启动了首批和第二批新工科研究与实践课题，新工科已经成为中国未来高等工程教育改革的指导方针。与传统工科相比，新工科强调学科的引领性、交融性、创新性、跨界性和发展性，其目标是培养具有创新创业能力、跨界整合能力的高素质交叉复合型人才［1］。

在新工科背景下，如何帮助学生夯实基础学科的能力素养，提高创新能力，这是目前高等教育，同时也是力学教育迫切需要解决的共性问题［2］。力学作为工科专业的基础，力学理论在解决高新科技领域发展突出问题时往往起着关键性作用［3］。“材料力学”作为众多工科专业学生接触到的最早涉及工程问题的专业基础课程，承担着培养学生的逻辑思维、力学建模和解决复杂工程问题能力的任务。传统的“材料力学”课程教学普遍存在以下几方面的问题。

1.教学内容陈旧，与工程实际联系不紧密。传统“材料力学”教学主要以课本内容为主，理论性强，力学模型抽象，与实际工程构件有较大差距。

2.教学模式单一，学生的学习积极性和主动性难以调动。传统教学以课堂讲授为主，单一的教学模式很难让学生对抽象的力学原理和复杂的公式提起兴趣，学生容易存在畏难心理。

3.学习效果评价方式单一，课程考核指标和方法陈旧。传统“材料力学”课程一般通过课后作业和期末笔试进行考核。课后作业容易滋生抄袭，仅凭期末笔试难以考查学生解决工程实际问题的能力和创新能力。

2018年11月，时任教育部高等教育司司长吴岩在第十一届“中国大学教学论坛”上，首次提出了“金课”的建设标准——“两性一度”，即高阶性、创新性、挑战度［4］。“金课”标准的提出，为“材料力学”课程教学摆脱困境指明了方向。本文结合“两性一度”，对新工科背景下“材料力学”课程教学开展探索与实践。

一、“两性一度”的内涵

课程的高阶性是指知识能力素质的有机融合，是要培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维［4］。“材料力学”属于工科的专业基础课程，其高阶性体现在传授知识的同时，注重素质与通识能力的培养。笔者认为课程的高阶性首先从课程目标体现，因此需要对课程目标进行重新梳理。如表1所示，与原来的课程目标相比，梳理后的课程目标中体现了对应用“材料力学”知识解决工程实际问题的要求，同时增加了对素养的培养要求。

课程的创新性是指课程内容要反映前沿性和时代性，教学形式呈现先进性和互动性，学习结果具有探究性和个性化［4］。根据创新性的这一含义，显然课程内容、教学形式、学习结果评价成为了挖掘创新性的三个方向。

课程的挑战度是指课程有一定难度，需要跳一跳才能够得着，老师备课和学生课下有较高要求［4］。换句话说，即学生完成课程学习的难度、需要的投入和努力程度等。课程学习的难度是相对而言的，与各个学校的学情和生源质量有关。笔者曾在本校不同年度、不同专业的工科班级中进行过调查，大部分学生认为“材料力学”属于偏难的课程。由此分析“材料力学”课程缺乏挑战性的主要原因不在于课程内容的难度，而应从以下两方面去提升挑战度：（1）挖掘教学内容的创新性和工程应用性，激发学生的“挑战之心”；（2）改革课程的考评机制，从考评教师“教了什么”向考评学生“学会了什么”进行转变。

基于上述关于“两性一度”的理解，结合新工科的人才培养目标，笔者从教学内容、教学形式和学习评价与考核三方面对“材料力学”课程进行改革。

二、教学内容的改革

“材料力学”作为众多工科专业的专业基础课，在我国高等教育的课程体系中已经有几十年的历史，其知识体系和基本教学内容相对固定。针对教学内容的改革，笔者提出以下思路和策略：（1）在基本教学内容的基础上拓展学术深度以增加学习难度；（2）补充具有学术前言性或时代特征的教学内容以体现创新性；（3）运用工程案例及灾难性工程事故来增强应用性。

根据具体的教学内容进行针对性设计，从学习难度、创新性或工程应用性选取切入点来挖掘和体现“两性一度”。例如，在讲授“材料在拉伸和压缩时的力学性能”时，由低碳钢及铸铁等金属材料向复合材料、超材料等新兴材料领域拓展，体现前沿性与时代特征；又如在讲授“圆轴扭转的切应力”时，引导学生分析低碳钢圆轴扭转时出现部分塑性屈服时横截面上的切应力分布，增加学术深度；关于“梁的弯曲正应力公式的建立”，补充梁理论的发展历程中多位科学家对梁弯曲变形所提出的假设，培养学生的科学钻研精神和批判精神；再如，对于“提高梁弯曲刚度的措施”，运用“6·15”九江大桥船撞桥梁事故引导学生分析增加支座约束来提高梁刚度的优缺点，提高学生学习兴趣的同时又体现工程应用性。

三、教学形式的改革

长期以来，“材料力学”课程主要采用传统的授课方式，其局限性体现在四个方面：（1）集体学习与个性化学习的矛盾；（2）知识学习与能力发展的矛盾；（3）被动学习与主动学习的矛盾；（4）以教师为中心与以学生为中心的矛盾。教学形式的改革应以解决上述矛盾为基本目标。

近年来，中国大学MOOC、雨课堂、超星学习通、腾讯会议等线上教育平台的出现，打破了传统课堂教学的单一模式。利用线上教学平台，开展线上线下混合教学。线上线下混合教学的原则是：以线下教学为主，线上线下相辅相成，各有侧重。

线上平台除了提供课程内容的教学视频、课前推送问题引导课前预习和提供章节测试环节进行课后训练外，可将线上教学开辟为“第二课堂”，侧重开展个性化学习和主动学习。以知识学习为主，从两方面开展学生的个性化学习和自主学习：（1）将一些重要知识点的梳理和总结、复杂公式的推导等制作成微视频，方便学生反复学习以加深理解和巩固知识；（2）将重要理论的发展历程、材料力学知识的工程应用以及力学前沿进展等内容有机地融入线上教学内容中，拓展“材料力学”教学内容的深度和广度，进一步体现教学内容前沿性和工程应用。

线下教学则主要开展重点及难点内容的课堂教学，注重知识能力培养相融合、兼顾科学素养与价值塑造。线下教学要做好引导性和互动性的教学环节设计，并针对重要的专题开展启发式的探究性学习。例如在学习“应用叠加法求梁的变形”时，首先通过外伸梁挠度计算的例子来说明如何将复杂载荷分解为已知位移的简单载荷，如图1（a）所示；然后让学生分组思考和讨论如何用叠加法求解图1（b）中B端的转角和挠度。当各个小组给出方案后，引导学生分析不同方案的正误，并进一步启发学生总结将载荷进行等效后确保位移相等的原则。通过逐步推进的互动和启发，促使学生进行深入的讨论和思考，达到探究性学习的目的。

对实际案例分析是“基础力学”课程开展教学的重要方式，是培养学生应用力学理论最为直接的途径。在“材料力学”教学中引入跨学科案例，既能使学生在深入理解理论的同时拓宽视野，又有助于培养学生解决复杂问题的综合创新能力。如引入“腰椎间盘突出”病例，通过分析“柱”和“梁”两种力学模型的差异，探讨腰椎键盘突出的病因，并根据柱和梁的受力特点，总结出保护脊柱的姿势。通过该案例的教学，增强学生应用力学知识理解生活和工程问题的意识，培养学生的力学思维。

四、学习评价与考核

以往“材料力学”课程考核主要由平时成绩和期末考试两部分组成，平时成绩主要由课堂考勤+课后作业组成，期末考试为传统的笔试。课后作业抄袭严重已成为高校的普遍现象，因此平时成绩已经无法客观反映学生的学习效果；而期末考试的笔试只能进行结果性评价。传统陈旧的考评机制已经无法有效激发教与学双方的积极性和主动性。

因此，需要制定以产出为导向的考评机制，实行多样化的考评策略，注重过程性的考核和评价。基于近几年的教学实践，结合线上线下混合式教学形式，我们实行了多样化的考评策略，如图2所示。其中，线上的章节测试、线下的随堂测试和期末考试为结果性评价，而线上的教学视频观看和讨论空间，线下的课堂互动讨论、课后作业、翻转课堂和研究型作业则为过程性评价。

在考评策略中，倡导以“学习小组”的方式开展研讨型学习。图1中的翻转课堂和研究型作业均为研讨型学习任务，以小组为单位完成。翻转课堂为教材上的自学内容模块，由各小组通过开展研讨学习，对知识内容理解透彻，准备好教学素材，制作成PPT，结合教学进度在课堂上讲授，采用教师评价和学生互评两种方式来对完成情况进行评价和考核，实现翻转课堂。研究型作业则为运用“材料力学”知识对生活或工程中的力学小问题进行探讨，主要考核学生的力学建模能力和综合分析能力，要求撰写成研究小论文。研究型作业问题由授课教师结合本校学生的层次和学习能力精心设计和筛选，部分研究型问题如表2所示。

数年的教学实践表明，研讨型学习的考核方式对提升学生能力、培养学生创新能力有显著效果。全国周培源大学生力学竞赛是本科力学专业最高等级的学科竞赛，以“理论力学”和“材料力学”为竞赛科目。在最近两届竞赛（2019年和2021年）中，我校参赛成绩显著提高，共获得三等奖5项、优秀奖13项，两届竞赛学生获奖率分别为38%和30%，大大高于往届竞赛。

结语

为提升“材料力学”课程教学质量，助力新工科人才培养目标的实现，基于“金课”的“两性一度”建设标准开展“材料力学”课程教学改革。从教学内容、教学形式和考评机制等方面进行探索，取得了良好的反馈和效果，学生学习的积极性和主动性明显增强，创新能力和工程实践能力显著提高。所开展的探索与实践，可为其他基础力学课程教学改革提供有益参考。

参考文献

［1］林健.面向未来的中国新工科建设［J］.清华大学教育研究，2017，38（2）：26-35.

［2］胡海岩.力学教育的几个问题［J］.力学与实践，2020，42（5）：598-602.

［3］马宏伟，张伟伟.新工科力学课程体系的几点思考［J］.高等工程教育研究，2018（3）：6-12.

［4］吴岩.建设中国“金课”［J］.中国大学教学，2018（12）：4-9.

Exploration and Practice of Mechanics of Materials “Golden Course” Construction in the Context of New Engineering Disciplines

NING Zhi-hua， HUANG Shi-qing

（School of Mechanics and Construction Engineering， Jinan University， Guangzhou， Guangdong 510632， China）

Abstract： “New engineering” emphasizes on the practicality， intersectionality and comprehensiveness of the disciplines， aiming at training composite talents with practical engineering skills and innovation capability. “Golden course” construction promoted by the Ministry of Education of the People’s Republic of China lights up the direction for mechanics of materials course construction in the context of New Engineering Disciplines. The teaching reform of mechanics of materials course was conducted according to the connotations of High-order nature， innovativeness and high challenge level. The exploration and practice focused on teaching content， teaching modes and learning evaluation， making good results and providing useful guidance for the construction of basic mechanics courses.

Key words： Mechanics of materials; golden course; new engineering disciplines