材料力學(xué)教學(xué)實(shí)踐中學(xué)生高階性思維培養(yǎng)

廖建興 王宏 周慶

摘? 要：材料力學(xué)是工科專業(yè)的基礎(chǔ)課程，其特點(diǎn)為理論性強(qiáng)、數(shù)學(xué)分量重，與生產(chǎn)時(shí)間聯(lián)系緊密，是培養(yǎng)學(xué)生高階性思維的理想課程。在材料力學(xué)教學(xué)實(shí)踐中，應(yīng)注重構(gòu)建知識(shí)體系的高階性、增強(qiáng)理論與實(shí)踐結(jié)合度、提升教學(xué)內(nèi)容的高階思想性，著重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)問(wèn)題分析、評(píng)價(jià)、創(chuàng)新能力，提高材料力學(xué)課程高階性。

關(guān)鍵詞：材料力學(xué)；高階性思維；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G42? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1673-7164（2023）20-0071-04

近年來(lái)，教育部越發(fā)重視本科教育的全面發(fā)展，發(fā)布了《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見(jiàn)》（教高〔2019〕8號(hào)）［1］和《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見(jiàn)》（教高〔2018〕2號(hào)）［2］，指出了課程是人才培養(yǎng)的核心要素，課程質(zhì)量將直接決定人才培養(yǎng)質(zhì)量。提出了“兩性一度”的一流課程建設(shè)任務(wù)，即致力于提升高階性、突出創(chuàng)新性、增加挑戰(zhàn)度，打造“金課”，切實(shí)提升課程教學(xué)質(zhì)量。材料力學(xué)作為力學(xué)體系中的基礎(chǔ)課程之一，與工程實(shí)際聯(lián)系緊密，是培養(yǎng)學(xué)生高階思維能力的理想課程。但當(dāng)下材料力學(xué)教學(xué)實(shí)踐側(cè)重于基礎(chǔ)概念與數(shù)理知識(shí)的通識(shí)性介紹，缺乏與工程實(shí)際的聯(lián)系，無(wú)法使學(xué)生對(duì)課堂產(chǎn)生興趣，造成基礎(chǔ)掌握不牢固，知識(shí)點(diǎn)理解不深。為此，本研究通過(guò)對(duì)材料力學(xué)教學(xué)實(shí)踐與方法探討，旨在提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力，培養(yǎng)學(xué)生的高階性思維，提升材料力學(xué)課程的高階性。

一、高階思維能力

目前，全球各國(guó)科技與經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)激烈，歸根到底是各國(guó)青年人能力的競(jìng)爭(zhēng)。世界范圍內(nèi)的科技飛速發(fā)展，加速了知識(shí)與技術(shù)的迭代，對(duì)新知識(shí)學(xué)習(xí)能力與知識(shí)的綜合運(yùn)用能力也提出了新的要求。因此，需要突破傳統(tǒng)的以教師為主導(dǎo)、知識(shí)單向、模式化地灌輸給學(xué)生的講授式教學(xué)模式，轉(zhuǎn)向處理復(fù)雜任務(wù)和信息的思維方式訓(xùn)練。在高等教育中引導(dǎo)學(xué)生從記憶、理解知識(shí)的低階思維，轉(zhuǎn)向分析、綜合、評(píng)價(jià)各類信息的高階思維是新時(shí)代創(chuàng)新教學(xué)模式、提升人才素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。

思維方式可以分為高階思維技巧（HOTS）和低階思維技能（LOTS）［3］。低階思維技能（LOTS）通常指簡(jiǎn)單記憶，而高階思維技巧（HOTS）則包含對(duì)知識(shí)的綜合、分析、推理、理解、應(yīng)用和評(píng)估。高階思維技能在低階記憶學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上有著更深層次地延伸與拓展，學(xué)會(huì)從不同角度提出、分析、解決問(wèn)題。學(xué)生的高階思維并非與生俱來(lái)的，需要在教學(xué)設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐中訓(xùn)練、引導(dǎo)。在材料力學(xué)中，學(xué)生低階思維能力即記憶、理解與應(yīng)用等能力，與之相對(duì)應(yīng)的材料力學(xué)教學(xué)目標(biāo)包括對(duì)基本概念知識(shí)點(diǎn)的理解、簡(jiǎn)單例題的判斷與計(jì)算等。高階思維能力包括分析、綜合及評(píng)價(jià)的能力，與之對(duì)應(yīng)的材料力學(xué)教學(xué)目標(biāo)包含數(shù)學(xué)建模、理論聯(lián)系實(shí)際的能力、問(wèn)題歸納總結(jié)的能力等。

材料力學(xué)知識(shí)點(diǎn)具有面廣、點(diǎn)多且分散等特點(diǎn)，易造成學(xué)生核心知識(shí)掌握不全不牢，難以形成聯(lián)系整體全局的知識(shí)構(gòu)架體系。目前材料力學(xué)教學(xué)實(shí)踐常常與生產(chǎn)實(shí)際脫節(jié)，落入簡(jiǎn)單概念灌輸與理論推導(dǎo)的淺層，無(wú)法將復(fù)雜的概念理論聯(lián)系實(shí)際生產(chǎn)，學(xué)生提不起興趣，陷入簡(jiǎn)單機(jī)械性地重復(fù)記憶，無(wú)法融會(huì)貫通，更難以應(yīng)用于解決實(shí)際問(wèn)題。課堂作為大學(xué)育人的主要場(chǎng)所，將思政元素融入教學(xué)實(shí)踐中，有助于立德樹(shù)人的潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲。但是如何將思政元素有機(jī)、科學(xué)地融入材料力學(xué)仍是一個(gè)值得探討問(wèn)題。高階課程建設(shè)以學(xué)生為對(duì)象，以材料力學(xué)為載體，以培養(yǎng)學(xué)生高階性思維能力、創(chuàng)新能力、理論聯(lián)系實(shí)際能力為目標(biāo)。

二、材料力學(xué)教學(xué)實(shí)踐中學(xué)生高階性思維培養(yǎng)探索

（一）構(gòu)建高低階協(xié)調(diào)的知識(shí)體系

材料力學(xué)是力學(xué)基礎(chǔ)課程之一，其知識(shí)體系偏重于基礎(chǔ)理論與數(shù)學(xué)推導(dǎo)。由于教學(xué)內(nèi)容較廣、概念繁多、學(xué)習(xí)難度較大，使學(xué)生易陷入枯燥的學(xué)習(xí)狀態(tài)。如采用平鋪直敘的教學(xué)方式，學(xué)生較難理清知識(shí)脈絡(luò)之間的內(nèi)在聯(lián)系，最終陷入低階的簡(jiǎn)單記憶中。為實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)能力從低階到高階的跨越，在教學(xué)設(shè)計(jì)中首先需要建立清晰的知識(shí)脈絡(luò)與結(jié)構(gòu)體系，明確高低階目標(biāo)對(duì)應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)實(shí)踐中從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從低階到高階，循序漸進(jìn)、不斷引導(dǎo)，扎實(shí)基礎(chǔ)，逐步提升高階性。

教學(xué)設(shè)計(jì)中，清晰的知識(shí)脈絡(luò)有助于教學(xué)展開(kāi)。本文采用“1+4”結(jié)構(gòu)梳理知識(shí)脈絡(luò)［4］，即圍繞核心概念引申出“概念來(lái)源、相關(guān)概念、概念應(yīng)用、概念拓展”四個(gè)重點(diǎn)要素。并依據(jù)四個(gè)重點(diǎn)要素分別拓展更廣的概念、方法、思想、哲理等方面知識(shí)。如圖1所示，針對(duì)材料力學(xué)中拉伸、壓縮、剪切等核心概念，其基礎(chǔ)理論是胡克定理，又可以引申出包括軸力、內(nèi)里、壓桿變形、強(qiáng)度條件、安全因素等相關(guān)概念，可應(yīng)用于強(qiáng)度校正、截面設(shè)計(jì)、材料選用等方面，拓展概念包括屈服極限，卸載硬化等。“1+4”結(jié)構(gòu)可以較好地分清高低階教學(xué)內(nèi)容、能過(guò)清晰展示出知識(shí)點(diǎn)間的內(nèi)在聯(lián)系。

培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維高階性，要引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考，主動(dòng)去發(fā)現(xiàn)知識(shí)體系中各個(gè)理論之間的聯(lián)系與差異，由簡(jiǎn)及繁，對(duì)進(jìn)行升級(jí)式學(xué)習(xí)，及時(shí)對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行復(fù)習(xí)，從溫故知新中深化對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解。教師要對(duì)知識(shí)體系做進(jìn)一步整合，同時(shí)在課程中融入一些與貼近教學(xué)內(nèi)容的技術(shù)難點(diǎn)與科研最新進(jìn)展，并運(yùn)用已學(xué)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的推演與解釋，激發(fā)學(xué)生進(jìn)行更深層次的思考。問(wèn)題的討論可以在不同層次展開(kāi)并關(guān)聯(lián)教材的多個(gè)章節(jié)，便于學(xué)生進(jìn)行概念辨析和知識(shí)體系構(gòu)筑。培養(yǎng)學(xué)生對(duì)知識(shí)理解的綜合能力，提升學(xué)生對(duì)高階技巧的掌握。

（二）增強(qiáng)理論與實(shí)踐的結(jié)合度

材料力學(xué)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的工科課程，其知識(shí)體系與工程實(shí)際聯(lián)系緊密。但由于工程中實(shí)際問(wèn)題影響，參數(shù)較多且分析過(guò)程較復(fù)雜，更適合課程背景介紹，不宜直接作為課堂教學(xué)深入研討的內(nèi)容。通常，需要對(duì)復(fù)雜的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化建模，而教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中常常忽略了其所在的工程背景，使學(xué)生只簡(jiǎn)單關(guān)注了問(wèn)題求解，而無(wú)法將其反饋到工程實(shí)踐中，達(dá)不到訓(xùn)練理論聯(lián)系實(shí)踐的能力。增強(qiáng)理論與實(shí)踐的契合度，有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生高階性思維。

為增強(qiáng)理論與實(shí)踐的結(jié)合度，教學(xué)案例應(yīng)從實(shí)際工程背景、簡(jiǎn)化力學(xué)模型及關(guān)鍵問(wèn)題三個(gè)維度展開(kāi)，三個(gè)維度相互關(guān)聯(lián)，能訓(xùn)練化學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力，提升學(xué)習(xí)興趣。

例如，為應(yīng)對(duì)鋼軌熱脹冷縮而設(shè)計(jì)的鐵路軌道伸縮縫，可以簡(jiǎn)化為兩端位移受限的變形力學(xué)模型，然后在不同條件下求解具體問(wèn)題，再將結(jié)果反饋到工程實(shí)際中，如圖2。

從周圍環(huán)境引入教學(xué)案例。來(lái)自學(xué)生周圍環(huán)境的案例更容易讓學(xué)生快速帶入角色，引發(fā)思考。以教室內(nèi)投影儀安裝為例［5］，在教室里安裝設(shè)備需要考慮哪些可能出現(xiàn)的問(wèn)題？如果在吊燈設(shè)備型號(hào)、自重等已知條件下又該如何選擇吊桿？選擇吊桿時(shí)要考慮哪些因素，選擇什么材料？如何確定吊桿截面形式和截面尺寸？通過(guò)設(shè)置層層遞進(jìn)的問(wèn)題，將實(shí)際問(wèn)題簡(jiǎn)化成數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而解決實(shí)際問(wèn)題。從所學(xué)的專業(yè)引入案例，專業(yè)相關(guān)的案例更能引發(fā)學(xué)生共鳴，以土木工程專業(yè)為例，貴州赫章特大橋位于畢節(jié)至威寧高速公路，擁有亞洲第一高墩大橋，其中最高橋墩高達(dá)200米，此處山風(fēng)很強(qiáng)勁，經(jīng)常風(fēng)力在六級(jí)以上，最大風(fēng)力時(shí)速超過(guò)每秒30米。在風(fēng)荷載作用下，高橋墩會(huì)發(fā)生變形量有多大？通過(guò)簡(jiǎn)化計(jì)算模型，假設(shè)風(fēng)荷載是均勻分布，橋墩內(nèi)撓度與最大變形量。由于最大變形量交小，肉眼較難觀測(cè)，進(jìn)一步引出橋梁變形測(cè)量方法。隨著計(jì)算技術(shù)發(fā)展，當(dāng)下可以采用虛擬現(xiàn)實(shí)等教學(xué)手段，引入更多生活中的實(shí)際工程案例如教學(xué)，比如吊車?yán)K索、斜拉橋的斜拉桿、千斤頂、活塞桿等。

（三）提高內(nèi)容的思想性

立德樹(shù)人是教書(shū)育人的根本，課程思政則是落實(shí)立德樹(shù)人的關(guān)鍵舉措。將思想政治元素合理融入材料力學(xué)課程教學(xué)，在授業(yè)解惑的同時(shí)，啟發(fā)學(xué)生的思想，達(dá)到潛移默化、潤(rùn)物無(wú)聲的效果。在教學(xué)實(shí)踐中加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的思想教育，引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立正確的三觀，堅(jiān)定理想信念，增強(qiáng)文化自信，投身祖國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)［6］。土木工程專業(yè)的材料力學(xué)課程中融入的思政元素可以從發(fā)展歷史、科學(xué)人物故事、工程事故及近代建設(shè)成果等四個(gè)方面展開(kāi)。

我國(guó)很早就有與材料力學(xué)相關(guān)的文字記錄。東漢經(jīng)學(xué)家鄭玄提出的“假令弓力勝三石，每加一石，則張一尺”，是最早有關(guān)弓的彈力與弓的變形成正比關(guān)系的描述。在工程建設(shè)方面取得了卓越的成就。例如建于隋朝時(shí)期河北趙州橋，歷經(jīng)一千四百余年，至今昂然挺立。世界三大奇塔之一的山西應(yīng)縣木塔，不費(fèi)一釘一鉚，卻屹立數(shù)百年。都江堰兩千多年依然灌溉著著天府之國(guó)的成都平原。通過(guò)引入我國(guó)歷史案例，突顯中國(guó)文化，不斷增強(qiáng)學(xué)生的文化自信。

作為材料力學(xué)科學(xué)人物之一的歐拉以頑強(qiáng)的精神與驚人的毅力，甚至在雙目失明的情況下，仍然堅(jiān)持科學(xué)研究，在數(shù)學(xué)（數(shù)學(xué)分析、變分法、拓?fù)鋵W(xué)）和力學(xué)（固體力學(xué)、剛體動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)）等諸多領(lǐng)域都有著開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)。中國(guó)現(xiàn)代橋梁之父茅以升與錢塘江大橋修建、炸毀、重建的故事也體現(xiàn)出科學(xué)人物為科學(xué)而獻(xiàn)身的精神，家國(guó)情懷取舍大義激勵(lì)學(xué)生獻(xiàn)身科學(xué)研究。

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)取得了突飛猛進(jìn)的成就，有“基建狂魔”之稱。在已建成的許多世界級(jí)大橋中，世界十大跨海大橋榜首是我國(guó)的港珠澳大橋，全球十大最高橋梁首位是位于我國(guó)貴州省六盤水市的北盤江大橋。中國(guó)高速鐵路、高速公路建設(shè)方面也取得了舉世矚目的成就。將國(guó)家重大工程建設(shè)和科技進(jìn)展融入教學(xué)活動(dòng)中，能拓寬學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生的大國(guó)工匠精神和民族自豪感。

工程事故的案例不勝枚舉。加拿大魁北克橋發(fā)生的兩次重大事故，第一次事故是因?yàn)楹雎詶U件屈曲造成了橋梁坍塌，第二次事故則是由于壓桿失穩(wěn)而引起橋體全面坍塌，共造成74名建筑工人死亡。1940年11月7日，美國(guó)華盛頓州塔科馬橋因剛度不夠，劇烈的大風(fēng)下，橋面扭曲變形過(guò)大致毀。上述事故的原因包含著強(qiáng)度、剛度、壓桿失穩(wěn)等在材料力學(xué)知識(shí)點(diǎn)。通過(guò)引入工程事故案例分析，既能加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)與實(shí)際工程息息相關(guān)的認(rèn)識(shí)，又能起到警示作用，樹(shù)立學(xué)生的職業(yè)精神和社會(huì)責(zé)任感［7］。

（四）提高教學(xué)高階性策略

在完成材料力學(xué)的內(nèi)容高階性與思想的高階性構(gòu)建后，教學(xué)策略也需完成適應(yīng)高階性思維培養(yǎng)的提升。教學(xué)中培養(yǎng)大學(xué)生的高階性思維能力的教學(xué)策略包括支架式教學(xué)、啟發(fā)式教學(xué)、項(xiàng)目式教學(xué)、構(gòu)建協(xié)作教學(xué)與多遠(yuǎn)反饋策略［8］。

在支架式教學(xué)策略中，需要教師基于前期學(xué)情進(jìn)行分析，在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中逐步地引導(dǎo)和幫助學(xué)生搭建學(xué)習(xí)支架。研究表明，供合適的“支架”對(duì)于促進(jìn)發(fā)展大學(xué)生的高階思維能力培養(yǎng)有極大幫助。在啟發(fā)式教學(xué)策略中，教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中需采用靈活多變的提問(wèn)方式引導(dǎo)大學(xué)生的獨(dú)立思考，基于講授的基礎(chǔ)知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，積極引導(dǎo)學(xué)生將知識(shí)遷移運(yùn)用到實(shí)際工程問(wèn)題中，加深學(xué)生工程聯(lián)系實(shí)際的能力。在項(xiàng)目式教學(xué)中，教師需首先與學(xué)生共同確立課程學(xué)習(xí)目標(biāo)，通過(guò)布置遞進(jìn)式的思維訓(xùn)練任務(wù)，推動(dòng)學(xué)生自主地運(yùn)用以傳授的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)去完成更為綜合的、結(jié)合實(shí)踐的任務(wù)或設(shè)計(jì)方案，最終完成一批反映全面學(xué)生知識(shí)貫通的作品。在構(gòu)建協(xié)作學(xué)習(xí)策略中，教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中采用差異分組或自由分組的方式，形成學(xué)習(xí)小組，通過(guò)小組的合作學(xué)習(xí)、交流、匯報(bào)展示以及相互評(píng)價(jià)等綜合方式，激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生思維碰撞，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)互助、組織溝通、借鑒經(jīng)驗(yàn)并進(jìn)行自我反思的多重效果。在多元評(píng)價(jià)反饋策略中，教學(xué)實(shí)踐結(jié)果評(píng)價(jià)采取多元視角，綜合利用多元化的評(píng)語(yǔ)和量化的數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)方法，給予學(xué)生多維度的、全面的評(píng)價(jià)反饋，從而促進(jìn)學(xué)生的自我反思和批判、創(chuàng)造性地改進(jìn)學(xué)習(xí)策略和方法。

三、 結(jié)語(yǔ)

認(rèn)知是一個(gè)過(guò)程，而不是一個(gè)結(jié)果。高等教育教學(xué)是讓學(xué)生建立知識(shí)體系的過(guò)程，對(duì)知識(shí)點(diǎn)簡(jiǎn)單記憶法達(dá)到學(xué)習(xí)的目的，更注重培養(yǎng)學(xué)生高階思維能力，達(dá)到能夠運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)分析、提出、解決工程實(shí)踐問(wèn)題。本研究從教學(xué)高低階協(xié)調(diào)知識(shí)結(jié)構(gòu)體系、理論與實(shí)踐結(jié)合度、提升教學(xué)思想性三個(gè)方面探討了如何結(jié)合材料力學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力。在材料力學(xué)課程教育過(guò)程中注重學(xué)生高階性思維的培養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生自主思考，讓學(xué)生從根本上理解知識(shí)、建立完整的知識(shí)體系，從而能夠更好地應(yīng)用知識(shí)，最終達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。材料力學(xué)課程的高階性應(yīng)以培養(yǎng)高階性思維能力為導(dǎo)向，以學(xué)生為中心，不斷完善過(guò)程評(píng)價(jià)，持續(xù)改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)高階性課程建設(shè)。

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（薦稿人：安永日，貴州大學(xué)副教授）

（責(zé)任編輯：淳潔）

基金項(xiàng)目：貴州大學(xué)教改項(xiàng)目“新時(shí)代土力學(xué)‘課程思政課堂教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究”（項(xiàng)目編號(hào)：XJG2022003）。

作者簡(jiǎn)介：廖建興（1991—），男，博士，貴州大學(xué)土木工程學(xué)院講師，研究方向?yàn)閹r石力學(xué)與滲流；王宏（1992—），男，博士，貴州大學(xué)土木工程學(xué)院講師，研究方向?yàn)榈刭|(zhì)災(zāi)害；周慶（1997—），女，碩士在讀，貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，研究方向?yàn)閹r土工程。