基于案例庫(kù)建設(shè)的材料力學(xué)互動(dòng)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施1)

楊靜寧 馬連生 王 鵬

(蘭州理工大學(xué)理學(xué)院，蘭州730050)

隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，材料力學(xué)所涉及的領(lǐng)域更加廣闊。然而，目前材料力學(xué)課堂教學(xué)多以理論講授為主，致使課程理論教學(xué)和實(shí)際脫節(jié)。思考如何在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)改進(jìn)教學(xué)方法和手段，是當(dāng)前高校材料力學(xué)課程教學(xué)面臨的一項(xiàng)挑戰(zhàn)性的課題。

在全面推進(jìn)素質(zhì)教育的背景下，案例教學(xué)法作為教學(xué)改革的有效途徑被逐漸推廣。雖然案例教學(xué)并不是新鮮事物，但在材料力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用尚不多見(jiàn)[1-4]，教材中涉及的案例更是屈指可數(shù)。然而，小到日常生活，大至國(guó)之重器，其背后都蘊(yùn)藏著極其豐富的材料力學(xué)案例素材。筆者借助所在高校材料、機(jī)械、土木等工科專業(yè)優(yōu)勢(shì)，整合了近30年的一線教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以案例庫(kù)建設(shè)驅(qū)動(dòng)教學(xué)改革與創(chuàng)新，在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中不斷探索材料力學(xué)課堂線上線下資源共享、課內(nèi)課外師生互動(dòng)、問(wèn)題分析和問(wèn)題解決深度融合的互動(dòng)教學(xué)模式，在一定程度上改變了以往教師難教、學(xué)生難學(xué)的窘境，也為其他基礎(chǔ)力學(xué)課程教學(xué)探索出了一條新路子。

1 材料力學(xué)KSQ案例庫(kù)建設(shè)構(gòu)想

1.1 KSQ案例構(gòu)成要素及分類

“KSQ”即知識(shí)點(diǎn)(knowledge points)、情景(situations)和問(wèn)題(questions)，可視為案例三要素。材料力學(xué)案例教學(xué)是以“情景”講述工程或身邊力學(xué)“故事”的過(guò)程，引出相關(guān)材料力學(xué)“知識(shí)點(diǎn)”，通過(guò)對(duì)“問(wèn)題”的思考或討論，讓每個(gè)“知識(shí)點(diǎn)”都鮮活起來(lái)。

根據(jù)材料力學(xué)課程內(nèi)容，所建KSQ 案例庫(kù)中的案例涉及構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和綜合問(wèn)題等四個(gè)教學(xué)模塊，知識(shí)點(diǎn)涵蓋基本變形、強(qiáng)度理論、組合變形、壓桿穩(wěn)定、疲勞等內(nèi)容。每個(gè)模塊的案例分為生活型案例(事實(shí)型案例)、問(wèn)題型案例(事故型案例)以及賞析型案例(經(jīng)典型案例)。

1.2 案例素材來(lái)源

案例庫(kù)建設(shè)的關(guān)鍵是對(duì)案例素材的挖掘和整理。通過(guò)師生協(xié)同持續(xù)地挖掘源于實(shí)踐的素材，歸類整理、修改完善形成案例并優(yōu)選入庫(kù)，最終用于教學(xué)。在案例選編過(guò)程中，學(xué)生既是案例使用者，也是案例貢獻(xiàn)者。

其一，主講教師開(kāi)發(fā)案例。包含對(duì)案例素材的收集、整理、試用、優(yōu)化、效果評(píng)估等。考慮到課堂時(shí)間的寶貴性，教師需要結(jié)合教學(xué)目標(biāo)和任務(wù)對(duì)所搜集的案例認(rèn)真考量。

其二，已畢業(yè)校友推薦和在讀學(xué)生選編案例。主講教師通過(guò)建立畢業(yè)生就業(yè)信息檔案，定期進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，加強(qiáng)實(shí)際工程問(wèn)題實(shí)時(shí)互動(dòng)交流，對(duì)于相關(guān)工程問(wèn)題及解決方案，根據(jù)單位實(shí)際情況整理匯總，形成案例素材。在讀學(xué)生結(jié)合課程知識(shí)點(diǎn)搜尋其他相關(guān)案例背景資料，經(jīng)教師最終修改、完善并審核后，與畢業(yè)校友推薦一并上傳至材料力學(xué)課程學(xué)習(xí)平臺(tái)，以供大家交流學(xué)習(xí)。

1.3 案例撰寫(xiě)與更新

案例撰寫(xiě)要具有可讀性，除了文字描述，可適當(dāng)添加圖片。知識(shí)點(diǎn)要明確，情景描述要簡(jiǎn)潔，內(nèi)在邏輯要清晰。通過(guò)對(duì)學(xué)生所搜集案例素材的點(diǎn)擊量(瀏覽情況)及反饋意見(jiàn)，對(duì)案例進(jìn)行篩選，可作為KSQ 案例庫(kù)優(yōu)選案例并推廣使用。伴隨著新材料、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，案例庫(kù)中的案例也呈現(xiàn)“動(dòng)態(tài)”變化模式。教師和學(xué)生共同學(xué)習(xí)、共同探討，持續(xù)擴(kuò)充案例教學(xué)資源，使教學(xué)案例在擴(kuò)充中完善，在優(yōu)化中更新。

2 材料力學(xué)KSQ案例教學(xué)框架設(shè)計(jì)

2.1 教學(xué)理念

基于KSQ 案例教學(xué)實(shí)質(zhì)上是教與學(xué)融合的互動(dòng)模式。采用案例教學(xué)，可加強(qiáng)學(xué)生對(duì)抽象概念的理解，真正體會(huì)到材料力學(xué)的魅力及其重要性，對(duì)實(shí)際問(wèn)題的認(rèn)識(shí)從感性到理性，以增強(qiáng)工程“實(shí)戰(zhàn)”經(jīng)驗(yàn)，這不僅有利于綜合能力的培養(yǎng)，也能體現(xiàn)素質(zhì)教育的理念。

2.2 教學(xué)框架設(shè)計(jì)

材料力學(xué)課程KSQ 案例教學(xué)應(yīng)根據(jù)課程知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行，幫助學(xué)生樹(shù)立工程實(shí)踐意識(shí)和質(zhì)量安全意識(shí)。教學(xué)設(shè)計(jì)遵循“一三二”的教學(xué)框架，如圖1 所示。即以能力培養(yǎng)為目標(biāo)，以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力(可簡(jiǎn)稱為“3Q”能力)為主線，以強(qiáng)化實(shí)踐意識(shí)和安全意識(shí)為兩翼。通過(guò)兩翼配合“3Q”能力的訓(xùn)練，以達(dá)到提升學(xué)生綜合能力。

3 材料力學(xué)KSQ案例教學(xué)實(shí)施

基于KSQ 案例庫(kù)建設(shè)的教學(xué)實(shí)施，應(yīng)根據(jù)教師和學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中充當(dāng)?shù)慕巧?，精選適當(dāng)案例，通過(guò)課前準(zhǔn)備、課中討論及課后思考實(shí)現(xiàn)課前課后協(xié)同聯(lián)動(dòng)、線上線下資源共享。

3.1 課前精選案例，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情

案例教學(xué)的關(guān)鍵是案例庫(kù)的建設(shè)與具體案例的選擇。主講教師課前需要準(zhǔn)確把握教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容以及不同專業(yè)學(xué)生對(duì)案例的差異化需求。

首先，依據(jù)教學(xué)目標(biāo)，在案例庫(kù)中選擇案例、調(diào)整問(wèn)題，使之具有多彩的形式和豐富的內(nèi)涵，以便為課程教學(xué)提供更廣闊的學(xué)習(xí)與創(chuàng)新思維空間；其次，

圖1 基于KSQ 案例庫(kù)的“一三二”教學(xué)框架

依據(jù)教學(xué)內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)，選擇更貼近工程實(shí)際的案例；再次，結(jié)合授課學(xué)生專業(yè)的特點(diǎn)，根據(jù)培養(yǎng)方案對(duì)專業(yè)學(xué)生畢業(yè)能力要求，選擇更符合專業(yè)實(shí)際的案例；最后，為提升課堂討論效率，對(duì)較為復(fù)雜的問(wèn)題型案例，需要主講教師課前通過(guò)課程微信、QQ 群或者課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)發(fā)送，做好課堂案例討論的充分準(zhǔn)備。

3.2 課中互動(dòng)討論，提升課堂學(xué)習(xí)效率

案例教學(xué)的核心理念是師生互動(dòng)、相互啟發(fā)、問(wèn)題延伸、創(chuàng)新思維。作為教師要營(yíng)造平等民主的氛圍，鼓勵(lì)學(xué)生大膽思考、充分表達(dá)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性[5]。

3.2.1 問(wèn)題發(fā)現(xiàn)：老師預(yù)設(shè)＋學(xué)生引伸

案例中的情景是對(duì)具體事件的簡(jiǎn)要描述，通過(guò)案例情景引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。除了老師提出的問(wèn)題外，同時(shí)要鼓勵(lì)學(xué)生提出一些新的相關(guān)問(wèn)題。

下面結(jié)合課堂教學(xué)實(shí)踐，以KSQ生活型案例為例，通過(guò)案例預(yù)設(shè)問(wèn)題的討論，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)針對(duì)知識(shí)點(diǎn)的其他力學(xué)問(wèn)題，如表1。

通過(guò)對(duì)熟知的生活型案例討論，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)更多熟悉而不曾深入思考的問(wèn)題，從而樹(shù)立問(wèn)題意識(shí)，這加深了學(xué)生對(duì)相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的理解，使他們對(duì)相關(guān)理論不再覺(jué)得枯燥、抽象。

3.2.2 問(wèn)題分析：理論依據(jù)＋創(chuàng)新思維

創(chuàng)新思維訓(xùn)練是重要的教學(xué)任務(wù)。案例教學(xué)應(yīng)關(guān)注學(xué)生分析案例所用的理論知識(shí)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)地分析；注意觀察學(xué)生分析思路是否清晰，表述是否符合邏輯；引導(dǎo)學(xué)生突破固有的思維模式，進(jìn)行有針對(duì)性、開(kāi)拓性、創(chuàng)新性的思維訓(xùn)練。

例如在講授壓桿穩(wěn)定性內(nèi)容時(shí)，可選取“2008年我國(guó)南方雪災(zāi)導(dǎo)致的輸電塔倒塌事件”[6]作為問(wèn)題型案例，引導(dǎo)學(xué)生從材料的低溫冷脆、導(dǎo)線冷縮產(chǎn)生的溫度應(yīng)力、覆冰導(dǎo)致桿件內(nèi)力變化等方面分析高壓線塔倒塌的原因。

(1) 低溫冷脆分析

由于鋼結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境溫度在低于零下20?C時(shí)才需考慮低溫對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，而2008年南方的最低氣溫只有零下幾度，這對(duì)鋼材性能的影響并不大，因此材料的低溫冷脆不是主要原因。

(2) 導(dǎo)線冷縮分析

針對(duì)500 kV 高壓輸電線，其材料一般是Q235鋼，線膨脹系數(shù)α= 1.2×10?5?C?1，彈性模量E=200 GPa，設(shè)環(huán)境的溫度差?T=?20?C，則降溫產(chǎn)生的導(dǎo)線溫度應(yīng)力σT=?αE?T= 48 MPa。由于這個(gè)應(yīng)力增量較小，因此導(dǎo)線冷縮產(chǎn)生的拉力也不可能對(duì)輸電線塔產(chǎn)生大的影響。

(3) 破壞形式分析

輸電線塔屬于柔性的桿系結(jié)構(gòu)，每一桿件承受軸向壓力(或拉力)，而受壓構(gòu)件一般是細(xì)長(zhǎng)桿，故須從壓桿穩(wěn)定性方面進(jìn)行分析。由于覆冰，使得某些受壓桿件的軸向壓力隨之增大而最先發(fā)生失穩(wěn)，從而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)隨之破壞。當(dāng)一個(gè)塔架失穩(wěn)倒塌后，相鄰的塔架瞬間失去平衡，繼而引發(fā)連鎖破壞。

雖然結(jié)構(gòu)的破壞往往是多種因素相互作用的結(jié)果，但通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生從材料力學(xué)角度出發(fā)，利用相關(guān)知識(shí)點(diǎn)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析，可達(dá)到訓(xùn)練其創(chuàng)新思維能力的目的。

3.2.3 問(wèn)題解決：可行方案＋最優(yōu)方案

案例教學(xué)旨在提升學(xué)生分析、解決問(wèn)題的能力?？紤]到工程實(shí)際問(wèn)題的解決方案往往不是唯一的，老師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生從多方面、多角度研究問(wèn)題，判斷分析各方案是否合適或可行。在多個(gè)可行方案中，可引導(dǎo)學(xué)生選擇“最優(yōu)方案”。課堂上一般不分組，教師面對(duì)全班學(xué)生拋出問(wèn)題，采用不確定的方式，可向從未提問(wèn)過(guò)的學(xué)生發(fā)問(wèn)，也可向之前提問(wèn)過(guò)的學(xué)生進(jìn)行追問(wèn)。這種隨機(jī)發(fā)問(wèn)方式，可迫使學(xué)生集中注意力，聆聽(tīng)他人的發(fā)言并分享觀點(diǎn)，進(jìn)行友好的爭(zhēng)辯，抱著開(kāi)放的心態(tài)評(píng)估各種解決方案，在討論中提高解決問(wèn)題的能力[7]。

3.3 課后交流分享，拓展學(xué)生學(xué)習(xí)空間

有效構(gòu)建材料力學(xué)課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)，僅靠課堂提供的信息往往是不夠的，通過(guò)課后思考，延伸課堂教學(xué)，勢(shì)在必行。具體實(shí)施辦法是在原有課后習(xí)題基礎(chǔ)上增加案例分析題?？梢髮W(xué)生根據(jù)要求撰寫(xiě)案例分析報(bào)告，從問(wèn)題案例中吸取教訓(xùn)，從賞析案例中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。教師審閱后，可在課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)對(duì)個(gè)人(團(tuán)隊(duì))案例分析報(bào)告進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，篩選出優(yōu)秀的分析報(bào)告供大家參考借鑒。

考慮到智能手機(jī)的普及以及案例圖文并茂的展示，可借助網(wǎng)絡(luò)手段，建立案例庫(kù)共享中心，積極開(kāi)展“指尖上的力學(xué)”教學(xué)，以配合課堂教學(xué)。針對(duì)課堂沒(méi)有充分討論的案例或相關(guān)案例，可以二維碼的形式在網(wǎng)絡(luò)社群發(fā)送給學(xué)生。例如在講到剪切時(shí)，可從案例庫(kù)中選取“泰坦尼克沉船懸疑”作為課后思考案例，如圖2 所示。在講到彎曲強(qiáng)度時(shí)，可從案例庫(kù)中選取賞析型案例“趙州橋的奧妙”，作為課后思考案例，如圖3 所示。由于趙州橋的設(shè)計(jì)兼具美學(xué)與科學(xué)，充分顯示出了中國(guó)勞動(dòng)人民的智慧和力量，因此，本案例也可作為材料力學(xué)課程的思政元素。通過(guò)賞析型案例教學(xué)，可使愛(ài)國(guó)教育、歷史文化傳統(tǒng)教育與專業(yè)教育得到有機(jī)結(jié)合，達(dá)到教書(shū)育人的效果。

通過(guò)“互聯(lián)網(wǎng)＋教育”技術(shù)和教學(xué)手段的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)案例教學(xué)的線上線下資源共享、師生協(xié)同聯(lián)動(dòng)，問(wèn)題分析和問(wèn)題解決的深度融合，最大限度地實(shí)現(xiàn)教學(xué)融合和教學(xué)相長(zhǎng)。

圖2 “泰坦尼克”沉船懸疑

圖3 趙州橋的奧妙

4 結(jié)束語(yǔ)

基于KSQ案例建設(shè)的材料力學(xué)課程教學(xué)，旨在通過(guò)生活型案例激發(fā)學(xué)生的興趣，關(guān)注身邊的力學(xué)問(wèn)題；通過(guò)問(wèn)題型案例，促使學(xué)生積累專業(yè)知識(shí)，汲取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)；通過(guò)經(jīng)典賞析型案例幫助學(xué)生增長(zhǎng)見(jiàn)識(shí)，拓展思維。教師通過(guò)課前準(zhǔn)備、課中討論、課后思考案例教學(xué)的有效實(shí)施，使學(xué)生系統(tǒng)掌握材料力學(xué)基本理論和基本方法，加強(qiáng)了學(xué)生的工程素養(yǎng)，一方面使得本課程更易理解，另一方面使學(xué)生更注重知識(shí)間的聯(lián)系，為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)從課內(nèi)延伸到課外，使學(xué)生在整個(gè)教學(xué)過(guò)程更加勤于觀察、善于思考，更樂(lè)于總結(jié)，最終形成教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)資源、教學(xué)模式的良性循環(huán)。