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，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)和實際脫節(jié)。思考如何在有限的學(xué)時內(nèi)改進教學(xué)方法和手段，是當(dāng)前高校材料力學(xué)課程教學(xué)面臨的一項挑戰(zhàn)性的課題。

在全面推進素質(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[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，大至國之重器，其背后都蘊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、機械、土木等工科專業(yè)優(yōu)勢，整合了近30年的一線教學(xué)經(jīng)驗，以案例庫建設(shè)驅(qū)動教學(xué)改革與創(chuàng)新，在教學(xué)實踐過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、問題分析和問題解決深度融合的互動教學(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案例庫建設(shè)構(gòu)想

1.1 KSQ案例構(gòu)成要素及分類

“KSQ”即知識點(knowledge points)、情景(situations)和問題(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”的過程，引出相關(guān)材料力學(xué)“知識點”，通過對“問題”的思考或討論，讓每個“知識點”都鮮活起來。

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

1.2 案例素材來源

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

其一，主講教師開發(fā)案例。包含對案例素材的收集、整理、試用、優(yōu)化、效果評估等?？紤]到課堂時間的寶貴性，教師需要結(jié)合教學(xué)目標(biāo)和任務(wù)對所搜集的案例認(rèn)真考量。

其二，已畢業(yè)校友推薦和在讀學(xué)生選編案例。主講教師通過建立畢業(yè)生就業(yè)信息檔案，定期進行動態(tài)跟蹤，加強實際工程問題實時互動交流，對于相關(guān)工程問題及解決方案，根據(jù)單位實際情況整理匯總，形成案例素材。在讀學(xué)生結(jié)合課程知識點搜尋其他相關(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，以供大家交流學(xué)習(xí)。

1.3 案例撰寫與更新

案例撰寫要具有可讀性，除了文字描述，可適當(dāng)添加圖片。知識點要明確，情景描述要簡潔，內(nèi)在邏輯要清晰。通過對學(xué)生所搜集案例素材的點擊量(瀏覽情況)及反饋意見，對案例進行篩選，可作為KSQ 案例庫優(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)，案例庫中的案例也呈現(xiàn)“動態(tài)”變化模式。教師和學(xué)生共同學(xué)習(xí)、共同探討，持續(xù)擴充案例教學(xué)資源，使教學(xué)案例在擴充中完善，在優(yōu)化中更新。

2 材料力學(xué)KSQ案例教學(xué)框架設(shè)計

2.1 教學(xué)理念

基于KSQ 案例教學(xué)實質(zhì)上是教與學(xué)融合的互動模式。采用案例教學(xué)，可加強學(xué)生對抽象概念的理解，真正體會到材料力學(xué)的魅力及其重要性，對實際問題的認(rèn)識從感性到理性，以增強工程“實戰(zhàn)”經(jīng)驗，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

材料力學(xué)課程KSQ 案例教學(xué)應(yīng)根據(jù)課程知識點進行，幫助學(xué)生樹立工程實踐意識和質(zhì)量安全意識。教學(xué)設(shè)計遵循“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)問題、分析問題和解決問題的能力(可簡稱為“3Q”能力)為主線，以強化實踐意識和安全意識為兩翼。通過兩翼配合“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)實施

基于KSQ 案例庫建設(shè)的教學(xué)實施，應(yīng)根據(jù)教師和學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中充當(dāng)?shù)慕巧?，精選適當(dāng)案例，通過課前準(zhǔn)備、課中討論及課后思考實現(xiàn)課前課后協(xié)同聯(lián)動、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)生對案例的差異化需求。

首先，依據(jù)教學(xué)目標(biāo)，在案例庫中選擇案例、調(diào)整問題，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 案例庫的“一三二”教學(xué)框架

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

3.2 課中互動討論，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、相互啟發(fā)、問題延伸、創(chuàng)新思維。作為教師要營造平等民主的氛圍，鼓勵學(xué)生大膽思考、充分表達(dá)，增強學(xué)習(xí)的主動性[5]。

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

案例中的情景是對具體事件的簡要描述，通過案例情景引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題。除了老師提出的問題外，同時要鼓勵學(xué)生提出一些新的相關(guān)問題。

下面結(jié)合課堂教學(xué)實踐，以KSQ生活型案例為例，通過案例預(yù)設(shè)問題的討論，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)針對知識點的其他力學(xué)問題，如表1。

通過對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題，從而樹立問題意識，這加深了學(xué)生對相應(yīng)知識點的理解，使他們對相關(guān)理論不再覺得枯燥、抽象。

3.2.2 問題分析：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點，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，進行有針對性、開拓性、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，可選取“2008年我國南方雪災(zāi)導(dǎo)致的輸電塔倒塌事件”[6]作為問題型案例，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時才需考慮低溫對結(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)長桿，故須從壓桿穩(wěn)定性方面進行分析。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，但通過引導(dǎo)學(xué)生從材料力學(xué)角度出發(fā)，利用相關(guān)知識點對問題進行分析，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、解決問題的能力。考慮到工程實際問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、多角度研究問題，判斷分析各方案是否合適或可行。在多個可行方案中，可引導(dǎo)學(xué)生選擇“最優(yōu)方案”。課堂上一般不分組，教師面對全班學(xué)生拋出問題，采用不確定的方式，可向從未提問過的學(xué)生發(fā)問，也可向之前提問過的學(xué)生進行追問。這種隨機發(fā)問方式，可迫使學(xué)生集中注意力，聆聽他人的發(fā)言并分享觀點，進行友好的爭辯，抱著開放的心態(tài)評估各種解決方案，在討論中提高解決問題的能力[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)課程的知識結(jié)構(gòu)，僅靠課堂提供的信息往往是不夠的，通過課后思考，延伸課堂教學(xué)，勢在必行。具體實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)要求撰寫案例分析報告，從問題案例中吸取教訓(xùn)，從賞析案例中總結(jié)經(jīng)驗。教師審閱后，可在課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺對個人(團隊)案例分析報告進行點評，篩選出優(yōu)秀的分析報告供大家參考借鑒。

考慮到智能手機的普及以及案例圖文并茂的展示，可借助網(wǎng)絡(luò)手段，建立案例庫共享中心，積極開展“指尖上的力學(xué)”教學(xué)，以配合課堂教學(xué)。針對課堂沒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，可從案例庫中選取“泰坦尼克沉船懸疑”作為課后思考案例，如圖2 所示。在講到彎曲強度時，可從案例庫中選取賞析型案例“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)計兼具美學(xué)與科學(xué)，充分顯示出了中國勞動人民的智慧和力量，因此，本案例也可作為材料力學(xué)課程的思政元素。通過賞析型案例教學(xué)，可使愛國教育、歷史文化傳統(tǒng)教育與專業(yè)教育得到有機結(jié)合，達(dá)到教書育人的效果。

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

圖2 “泰坦尼克”沉船懸疑

圖3 趙州橋的奧妙

4 結(jié)束語

基于KSQ案例建設(shè)的材料力學(xué)課程教學(xué)，旨在通過生活型案例激發(fā)學(xué)生的興趣，關(guān)注身邊的力學(xué)問題；通過問題型案例，促使學(xué)生積累專業(yè)知識，汲取經(jīng)驗教訓(xùn)；通過經(jīng)典賞析型案例幫助學(xué)生增長見識，拓展思維。教師通過課前準(zhǔn)備、課中討論、課后思考案例教學(xué)的有效實施，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)，實現(xiàn)課程教學(xué)從課內(nèi)延伸到課外，使學(xué)生在整個教學(xué)過程更加勤于觀察、善于思考，更樂于總結(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)。