材料力學課程資源建設及多種課堂教學模式的實踐和探討

安 軍 范勁松 周應龍 李 偉 曾霞光

1.佛山科學技術學院機電工程學院 廣東佛山 528000

2.佛山科學技術學院工業設計與陶瓷藝術學院 廣東佛山 528000

材料力學(含工程力學)作為機械工程、車輛工程以及工業設計等一些近機械類工科專業的一門重要基礎課程，用以培養學生在設計中特別是機械設計中有關力學方面的設計計算能力。材料力學以研究構件正常工作所需的強度條件、剛度條件和穩定性問題為核心，主要涉及構件的拉壓、剪切、扭轉和彎曲四種基本變形以及它們之間的組合變形形式。該課程在教學中起到承上啟下的作用，一些基本概念和定理與高等數學、理論力學等前序課程密切相關，又是機械設計基礎、機械設計、機械優化設計和模具設計等課程的理論基礎。因此學習這門課程既可以解決一些簡單工程實際問題，同時又為后續有關課程和其他相關的科學技術提供必要的理論基礎[1-4]。

材料力學除了理論性強，概念比較抽象，公式多，知識點繁雜以外，同時和工程實際結合比較緊密，很多結論和計算方式都來源于實驗結果[1-4]。但課堂教學的課時在不斷縮減，教師很難在有限的時間內講授更多更精彩的知識給學生，學生理解時較困難，教和學都有一定難度，這些都對傳統課堂教學提出了挑戰。如何有效地提高學生課堂的參與度和積極性，提高學習效果以及課后的作業質量等問題，是每位教師必須思考的事情。因此必然從以教師為中心、傳授知識為主的傳統教學方式，逐漸向以學生為中心、應用知識為主的教學方式轉變。

佛山科學技術學院地處廣東省佛山市，是教育部批準設立的全日制普通本科院校，是廣東省高水平理工科大學建設高校，學?，F在有9個專業按照一本進行招生，其他專業按照二本進行招生。機電工程學院下屬的二級學院，現有機械設計制造及其自動化(從2016年開始按照一本招生)、機械電子工程(從2018年開始招生，按照二本招生)和車輛工程(按照二本招生)。下面主要以機械設計制造及其自動化和車輛工程兩個專業這幾年在材料力學教學改革方面的心得體會為例進行說明，以起到拋磚引玉的作用。

1 課程資源建設情況及翻轉課堂教學模式的應用

1.1 課程資源建設情況

材料力學課程在2014年獲得佛山科學技術學院創新強校工程精品資源共享課程校級立項，并于2015年獲得廣東省質量工程精品資源共享課程省級立項，經過幾年的建設于2018年順利通過學校驗收結題，并上報申請參與廣東省質量工程結題。其成果主要是建立了一個材料力學精品資源共享課程網站，該網站包括的主要資源見表1。

表1 資源清單

表1(續)

本精品資源共享課程的主要創新點如下。

(1)采用知識點建立了比較完整的課程微課資源：按照相似性和類似性原則創新性地對課程主要內容進行了分類，并且按照大類方式對課程內容進行了整理，得到了一系列的知識點，制作了知識點PowerPoint，并采用錄屏的方式得到微課形式的知識點視頻(如圖1所示)，增強了內容之間的關聯性，便于學生系統性地理解和應用知識，并且利用知識點視頻組織學生復習和學習，這些基本工作的完成為下述的課程教學模式的改革打下了基礎。

圖1 知識點視頻示例

(2)有限元動畫制作：針對現有動畫存在的問題以及機械工程專業特點，利用本專業的一些相關三維設計軟件(SolidWorks等)的分析部分，通過對桿件在不同材料和不同載荷下的變形進行有限元分析，制作了可以直觀(通過顏色變化等方式)看出應力變化的三維動畫(在此稱為有限元動畫，如圖2所示)，共完成了低碳鋼、合金鋼以及鑄鐵3種典型材料的軸向拉壓、彎曲以及扭轉等有限元動畫的制作，可以播放學習。

圖2 有限元動畫部分示例

1.2 翻轉課堂教學模式的應用

在2014級車輛工程專業材料力學B的實際教學過程中，首次采用了翻轉課堂的教學模式，教學計劃48個學時，其中36個學時采用了翻轉課堂的形式進行教學。翻轉課堂教學模式構建主要包括兩個方面：課前學習教學設計和課堂活動教學設計，采用課前學習(視頻+課前思考題)、課堂學習(課前測試+重點講解+課前思考題+課前測試題講解+課堂練習+課堂測試+下一次的視頻和思考題)、課后作業的教學模式，有效減少了學生課堂打瞌睡和看手機的現象，提高了課堂的活躍程度。最后通過問卷調查的方式對教學效果、教學模式和課程滿意度等方面進行了調查，教學方式得到了學生的一致肯定，學生滿意度達86.5%。通過與同年級的班級和上幾屆的卷面成績進行對比，利用翻轉課堂后，學生的考試成績確實得到了普遍提高[2]。

2 對分易教學平臺的應用及教學模式改進

2.1 對分易教學平臺的應用

在首次采用翻轉課堂模式進行教學后，出現如下問題：(1)課前思考題、課前測試題和課堂測試題不能及時批改，對學生的學習情況無法得到及時反饋，因此在測試題講解時不能有效做到有的放矢；(2)學生需要大量的課外時間進行學習，二年級是整個大學時期學習壓力和負擔最重的時期，學生對此意見較大；(3)視頻時間過長，網上收集整理的視頻主要以課堂實錄為主，視頻時間一般在40分鐘左右，學生很難堅持看完，而且也不利于學生進行片段化學習(知識點視頻的制作解決了這方面的問題)。

對分易教學平臺是一款集考勤、作業、在線教學資源、教學答疑等常規教學需求于一體的教學軟件。對分易教學平臺可以在電腦端操作，便于教師上傳教學資料，也可以在手機微信端操作，特別適合學生利用碎片化時間進行學習和測試，也便于教師及時發布學習信息[5-7]。為了解決上述問題，在教學中引入了該教學平臺，在對分易教學平臺上整理錄入判斷、選擇及填空題100余題，并組成了20～30套左右的試卷以便進行課前、課堂和課后網上測試(如圖3所示)，并對學生進行了測試，其測試結果分析如圖4所示。

圖3 試題庫示例

圖4 學生測試情況分析

在2015級機電專業中采用了對分易課堂的教學模式，將課程分成了兩個階段，第一階段(第一節課)主要包括：(1)評講上次課的測試題、前次作業，并回答學生在微信上提出的問題(控制在20～25分鐘)；(2)本次課程要點1～2分鐘(以提出問題為主的方式)，學生看書自學10～15分鐘。第二階段(第二次課)包括：(1)利用對分易進行課堂測試；(2)課堂測試評講，同時教師學生提問并解答，考查看書效果；(3)課程內容講解15～20分鐘，其中例題1～2個，課堂討論；(4)小結，布置作業、預習和觀看的視頻等。

采用這種教學方式后，發現學生對基本概念的理解特別清楚，課堂氣氛非?；钴S，存在的問題得到了及時地解決，但還存在一些問題：例如做大題的效果不如翻轉課堂好，而且課堂時間看書自學占用了有限的課堂教學資源。

2.2 教學模式的改進

為了解決上述問題，在2016級機械設計制造及其自動化專業的教學工作中，將對分易課堂和翻轉課堂的教學方法進行了引進、吸收以及改造，采用了“翻轉課堂+對分易課堂”的教學模式，應用了材料力學精品共享資源課程中的知識點視頻對部分章節采用翻轉課堂的形式，加強了作業的評價力度、課堂討論、課堂作業等教學手段，結合實際教學情況，利用對分易教學平臺(測試題、考勤、提問和成績冊等功能)，增加了每個章節的網上測試、課堂作業上傳、課前測試等方式，采用紙質試卷進行期中測試，同時修訂了成績評定方式，其具體教學過程及模式如下。

(1)課前學習知識點視頻(部分)，并完成課前測試。(2)評講上次的作業和課前測試(部分章節)，并讓學生對作業中的問題提問，教師解答問題。(3)根據課前測試情況，利用20～30分鐘的時間，對該部分的重點內容進行針對性講授，同時提問討論。(4)課堂作業評講，并上傳到對分易教學平臺。(5)布置課后作業、視頻及預習思考題或課前測試題。

3 考核方式的改革

通過幾個年級的教學實踐及應用，并經多次修訂，建立了相對完善的學生成績考核評定方法，改變了原有單一的平時成績(30%)、期末考試(70%)的考核方式，現行的成績考核方式組成情況見表2。主導思想是增加平時成績評定的權重和平時成績的多樣性，具體項目可以根據實際情況進行調整。

表2 成績組成表

為了鼓勵學生積極思考，對提出問題和回答問題都記比較高的分數，并且采用不管對錯，只要主動回答問題就加分，但分值有差別分成了幾檔，見表3。上述考核方式不但有助于學生更積極主動地參與課堂教學活動，同時有利于學習效果的提高。

表3 提問及回答問題分數計分表

4 結語

通過幾年材料力學精品資源共享課程網站的建設和幾個年級的材料力學教學方式改革和教學實踐，對于材料力學這門課程來說，在依托精品資源共享網站的基礎上采用“翻轉課堂+對分模式+傳統教學”的模式以及相應的評分標準，能較好地解決傳統教學中面臨的許多問題。通過這種教學方式，能較好地解決學生在課后做作業難，抄襲作業現象比較嚴重的問題，大多數學生認為在課堂上及時解決問題的方式加深了理解和記憶，而且由于互動交流較多，自己動手和動腦的時間多，課堂氣氛活躍，學生的學習積極性較高，主動提問題和回答問題的熱情比較高，學生的自學能力和考試成績也得到了一定的提升，有效地提高了課堂教學效果、教學質量和學生的自學能力。