材料力學(xué)課程的線上線下教學(xué)模式探索

袁 圓

（安慶師范大學(xué)電子工程與智能制造學(xué)院，安徽安慶246133）

關(guān)鍵字：材料力學(xué)；線上線下混合教學(xué)模式；MOOC平臺

“材料力學(xué)”課程是全國高等院校機械工程、土木建筑、車輛工程等專業(yè)的必修科目，根據(jù)國家對本科教育和人才培養(yǎng)的整改優(yōu)化，國內(nèi)高校對“材料力學(xué)”課程的教學(xué)課時做出相應(yīng)調(diào)整[1]。“材料力學(xué)”課程因內(nèi)容較抽象、研究問題較繁瑣，因此對于基礎(chǔ)較薄弱、理解能力較差的學(xué)生學(xué)習(xí)該課程會更加困難[2]。近年我國高校結(jié)合現(xiàn)代化社會的發(fā)展需求制定更人性化的培養(yǎng)計劃，探索新的教學(xué)模式與科研實踐平臺[3]。王笛[4]等針對“材料力學(xué)”課程教學(xué)，將課堂教學(xué)與慕課平臺有效結(jié)合，為學(xué)生提供在線學(xué)習(xí)方式。范建輝[5]將SPOC教學(xué)模式應(yīng)用于“材料力學(xué)”課程，將教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)榉D(zhuǎn)課堂。周雙喜等[6]采用CDIO-OBE工程教育模式對“材料力學(xué)”課程進行教學(xué)探索，對學(xué)生進行逆向式培養(yǎng)，為學(xué)生提供創(chuàng)新開放性的實驗平臺，提高學(xué)生的工程運用能力和創(chuàng)新實踐能力。

“材料力學(xué)”課程主要針對柔性桿件變形體因拉伸壓縮、剪切擠壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)四種變形產(chǎn)生的一系列問題進行論述[7]。該課程教學(xué)存在問題有：課程導(dǎo)入抽象，課程內(nèi)容難以理解[8]；教學(xué)方式單一，課堂教學(xué)枯燥；講解例題難度較低，學(xué)生面對難題無從下手；考核方式固定，學(xué)生形成慣性思維，期末考試前突擊復(fù)習(xí)應(yīng)付考試。國內(nèi)許多高校對實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的重視程度不夠，學(xué)生的課程實驗技能較差[9]。實驗教學(xué)存在的問題：實驗器材缺乏，因?qū)嶒炘O(shè)備不齊全或者設(shè)備存在故障，無法保證每位學(xué)生都能進行實驗操作；實驗內(nèi)容單一，教師只根據(jù)教學(xué)大綱進行實驗教學(xué)，缺乏綜合性與探索性的工程實驗[10]?；谠撜n程的教學(xué)現(xiàn)狀，針對現(xiàn)階段國內(nèi)疫情防控對教學(xué)活動的影響，本文探索將線上教學(xué)與線下教學(xué)相結(jié)合應(yīng)用到課程教學(xué)中。

1 線下教學(xué)

1.1 以社會熱點問題導(dǎo)入新課

教師在新課教學(xué)時往往會忽略新課導(dǎo)入，課程導(dǎo)入要求教師根據(jù)新課內(nèi)容加入相關(guān)的人文背景，或者引入實事案例。例如，武漢疫情爆發(fā)期間，方艙醫(yī)院建設(shè)是一個熱點問題，在建設(shè)方艙醫(yī)院時，需要考慮梁在自身均布載荷以及負載集中載荷作用下的彎曲扭轉(zhuǎn)變形，根據(jù)材料以及尺寸校核部件的強度與剛度，保障工程應(yīng)用的安全性與可靠性，因此，與此相關(guān)的理論知識點授課時，可以導(dǎo)入新課?，F(xiàn)有一外徑D=50 mm，內(nèi)徑d=40 mm的鋼管，兩端鉸支，材料為Q235鋼，承受軸向壓力F，求解能用歐拉公式時壓桿的最小長度以及當(dāng)壓桿為上述長度的3/4時壓桿的臨界應(yīng)力（已知E=200 GPa,σP=200 MPa,σs=240 MPa，用直線公式時a=304 MPa,b=1.12 MPa）。

當(dāng)壓桿長度為3/4倍的lmin時，即l=1.2 m，則有：

通過上述計算得知Q235材料的鋼管在特定大小和特殊條件下的長度要求以及臨界應(yīng)力，幫助建筑施工在保障工程安全的前提下節(jié)省材料。教師以熱點問題為背景，將課程內(nèi)容具象化為以簡單計算題帶領(lǐng)學(xué)生認識材料力學(xué)課程的重要性，以實際工程問題為導(dǎo)向，激發(fā)學(xué)生對課程的求知探索興趣。

1.2 課堂教學(xué)中適合了入仿真教學(xué)

線下課堂教學(xué)時，教師要善于運用互聯(lián)網(wǎng)資源，利用多媒體視頻幫助學(xué)生理解材料力學(xué)中的動態(tài)變化，并利用模型教具進行實體演示。結(jié)合“材料力學(xué)”教學(xué)內(nèi)容，教師需要合理分配課堂時間，弱化公式推導(dǎo)，強化例題講解，包括教材簡單例題、課后習(xí)題、競賽習(xí)題以及熱點工程問題，其中與“材料力學(xué)”專業(yè)相關(guān)的競賽是全國大學(xué)生周培源力學(xué)競賽[11]。教師可以根據(jù)科研項目適當(dāng)開展研討課，讓學(xué)生能從科研角度靈活運用“材料力學(xué)”課程知識。同時，教師可采用ANSYS 軟件對構(gòu)件變形過程進行教學(xué)展示，幫助學(xué)生從模擬仿真的變化效果深入理解材料的強度、剛度以及穩(wěn)定性問題等[5]。

例如“材料力學(xué)”中分析在外力作用下構(gòu)件的應(yīng)力變化趨勢，教師可以借助ANSYS軟件進行模擬仿真。圖1為某支架零件結(jié)構(gòu)中間圓孔能夠繞著中間軸轉(zhuǎn)動，面1完全固定，面2受到一個與該面垂直、方向向下的載荷力F，大小為200 N。假設(shè)零件工作時承受最大應(yīng)力為10 MPa，分析其應(yīng)力和位移變形情況，校核零件強度。

圖1 某支架零件結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)已知條件，通過三維建模并導(dǎo)入ANSYS中劃分網(wǎng)格，設(shè)置相關(guān)材料參數(shù)，添加相應(yīng)的約束與載荷條件，最后求解并查看變形結(jié)果如圖2所示。

圖2 ANSYS分析結(jié)果

教師通過多媒體展示ANSYS仿真分析結(jié)果，讓學(xué)生不僅可以觀察支架零件動態(tài)變化，還通過變形區(qū)域得知最小應(yīng)力為0.004 583 8 MPa，最大應(yīng)力為13.689 MPa，最大位移變形為0.066 72 mm，由最大應(yīng)力大于假設(shè)的最大應(yīng)力，確定零件強度在該工況下不能安全工作。

2 線上教學(xué)

當(dāng)前因疫情等客觀因素導(dǎo)致教師無法進行線下課堂教學(xué)時，師生在家可利用慕課平臺開展線上教學(xué)活動，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源擴充學(xué)生的在線學(xué)習(xí)功能。

（1）線上管理。教師開展線上教學(xué)活動時，可在線上平臺對學(xué)生進行簽到點名，圖3（a）為慕課堂的學(xué)生出勤管理界面，教師可以實時了解班級學(xué)生的出勤、遲到以及缺勤人數(shù)名單。由于線上教學(xué)無法保證教師與學(xué)生進行面對面交流討論，因此教師可以根據(jù)班級人數(shù)對學(xué)生進行適當(dāng)分組，如圖3（b）所示，學(xué)生根據(jù)自己的組別在線上教學(xué)平臺的討論區(qū)進行學(xué)習(xí)討論，教師幫助學(xué)生進行答疑解惑，讓學(xué)生對自己所學(xué)內(nèi)容進一步查漏補缺。

（2）線上教學(xué)。教師進行線上語音教學(xué)時，可以通過播放幻燈片和視頻的方式進行教學(xué)演示，在線上課堂提出問題后，學(xué)生可以通過線上平臺的舉手選項來回答教師提出的問題。由于線上教學(xué)時間有限，教師在課堂教學(xué)時可以弱化“材料力學(xué)”課程公式的推導(dǎo)論證，將更多的課堂時間用于經(jīng)典例題和競賽例題的講解，并指導(dǎo)學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)視頻學(xué)習(xí)“材料力學(xué)”中復(fù)雜公式的推導(dǎo)論證。

圖3 線上平臺管理

（3）實驗視頻學(xué)習(xí)。“材料力學(xué)”課程的基本實驗：低碳鋼與鑄鐵兩種材料的拉伸與壓縮破壞實驗（測定低碳鋼的彈性模量）、低碳鋼與鑄鐵兩種材料的扭轉(zhuǎn)破壞實驗（測定低碳鋼的剪切彈性模量）、梁彎曲正應(yīng)力實驗（電測法）、彎曲與扭轉(zhuǎn)組合變形實驗、壓桿穩(wěn)定實驗以及沖擊疲勞演示實驗。考慮到一些高校缺乏實驗設(shè)備，故學(xué)生可在慕課平臺觀看實驗視頻，利用網(wǎng)絡(luò)資源理解掌握“材料力學(xué)”實驗的操作流程，圖4為MOOC實驗教學(xué)視頻示意圖。

圖4 MOOC平臺實驗學(xué)習(xí)

學(xué)生可以利用MOOC平臺學(xué)習(xí)實驗原理，掌握課程知識和基本實驗要點。教師在線下實驗課堂結(jié)合學(xué)校實驗設(shè)備的實際情況，合理安排學(xué)生的實驗課程，通過線上線下相結(jié)合，讓學(xué)生快速熟悉實驗的主要操作流程與注意事項，更好地完成實驗教學(xué)內(nèi)容。

（4）線上測試。學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)平臺學(xué)習(xí)情況，教師可在慕課平臺進行查詢。教師可以組織學(xué)生在慕課平臺進行網(wǎng)上測驗，圖5為學(xué)生線上測試示意圖。

教師根據(jù)課程單元測試結(jié)果，可以清楚地把握班級每個學(xué)生對于知識點的實際掌握程度，采用線上測試的方式可以使學(xué)生不受考試時間和考試場地的限制，幫助學(xué)生及時了解課程學(xué)習(xí)中的不足，對自己掌握薄弱的知識點進一步加強鞏固。

圖5 線上測試示意圖

3 課程作業(yè)

“材料力學(xué)”課程的作業(yè)包含三個方面：（1）課后習(xí)題，相關(guān)競賽習(xí)題，例如全國大學(xué)生周培源力學(xué)競賽習(xí)題；（2）根據(jù)教師科研課題布置建模仿真作業(yè)，例如在研究機構(gòu)靜態(tài)應(yīng)力變形或動態(tài)變形時可指導(dǎo)學(xué)生進行ANSYS靜力學(xué)或者Adams動力學(xué)仿真，設(shè)置不同的求解參數(shù)，讓學(xué)生通過建模作業(yè)將理論計算與軟件分析相結(jié)合，提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力；（3）結(jié)合本校建筑設(shè)施特點，將學(xué)生分組負責(zé)校園建筑的實地考察，利用測量工具進行數(shù)據(jù)采集，結(jié)合理論建模與仿真求解，完成實際工程的力學(xué)分析。

圖6中紫色折線為三屆學(xué)生的平時成績記錄，教師根據(jù)學(xué)生平時表現(xiàn)以及作業(yè)完成質(zhì)量進行打分，根據(jù)圖中所示，學(xué)生的平時成績呈上升趨勢，班級平時成績的平均分由81.48上升至87.03，其中90分以上學(xué)生比例由25.7%增長至34.3%，且80分以下學(xué)生比例由40%下降至8.5%。

教師結(jié)合科研項目指導(dǎo)學(xué)生以自身課題內(nèi)容為框架，進行相關(guān)實驗驗證與分析，并根據(jù)學(xué)生的實際掌握情況，引導(dǎo)學(xué)生進行探索性實驗，利用網(wǎng)絡(luò)資源和校園場地，設(shè)計開展探索性實驗，將“材料力學(xué)”課程應(yīng)用到實際生活中，圖6中藍色折線則是三屆學(xué)生的實驗成績分布。圖中顯示學(xué)生的課程實驗成績整體呈上升趨勢，學(xué)生平均分由81.08上升到85.31，其中90分以上的學(xué)生比例由8.6%增長到34.3%。

圖6中綠色折線為三屆學(xué)生的期末考試成績分布情況，學(xué)生的期末考試成績總體水平呈上升趨勢，班級期末考試平均分由65.57上升至77.77，其中90分以上學(xué)生比例由5.7%增長至25.7%，不及格學(xué)生比例由34.28%下降至14.2%。

圖6 三屆機械專業(yè)學(xué)生各項成績示意圖

4 綜合考核

考試是檢驗學(xué)生對課程知識的掌握程度，因此針對學(xué)生進行的課程考核內(nèi)容應(yīng)全方位、多角度。結(jié)合線上線下混合教學(xué)實際，創(chuàng)新考核方式：（1）課堂出勤率，教師對于學(xué)生的出勤率考核可以根據(jù)理論課堂以及實驗課堂的點名或者簽到記錄進行綜合評價；（2）作業(yè)考核，根據(jù)四類作業(yè)：課后作業(yè)、課題作業(yè)、建模作業(yè)以及校園作業(yè)對學(xué)生的完成情況進行考核計分；（3）期中考核，教師根據(jù)自己的實際教學(xué)進度在學(xué)期中期階段進行期中考試，記錄每位學(xué)生小測驗的得分情況；（4）期末考核，學(xué)期課程結(jié)束后，教師可將學(xué)生的期末考試得分作為期末總分的重點考核對象；（5）實驗考核，教師需要根據(jù)所在學(xué)校的實驗設(shè)備條件以及相應(yīng)的實驗教學(xué)安排來對學(xué)生的實驗完成情況進行綜合評價。這5個方面的考核權(quán)重分別為：課堂出勤率10%，作業(yè)考核20%，期中考核5%，期末考核50%，實驗考核15%。綜合以上5個考核方面的權(quán)重進行綜合考核計分，結(jié)合每位學(xué)生的課程掌握程度做出綜合評估并給出相應(yīng)的期末總成績。

5 結(jié) 論

綜上所述，本文分析了“材料力學(xué)”課程教學(xué)過程中存在的問題，通過線上教學(xué)平臺選擇和智慧教學(xué)模式的探索，讓理工類的學(xué)生能夠更加深入理解“材料力學(xué)”課程的重要性及工程應(yīng)用價值。教師根據(jù)實際教學(xué)條件進行線上、線下混合教學(xué)，指導(dǎo)學(xué)生利用MOOC平臺學(xué)習(xí)理論推導(dǎo)和實驗操作，通過作業(yè)創(chuàng)新以及考核創(chuàng)新對學(xué)生進行課程教育和全面考核，讓學(xué)生在結(jié)合“材料力學(xué)”理論知識與實驗知識的基礎(chǔ)上進行工程應(yīng)用拓展，不僅幫助教師對學(xué)生的課程學(xué)習(xí)情況進行全方位評估，更是幫助學(xué)生提升解決實際問題的能力和學(xué)術(shù)研究的綜合素養(yǎng)。