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应用型本科材料力学新形态教材建设探索与实践

2024-12-20 69 上传者：管理员

摘要：随着高等教育走向大众化和普及化，应用型本科高校逐渐成为培养工程应用型人才的重要阵地。“材料力学”作为机械、土木、航空航天等工科专业重要的技术基础课程，其教材建设对于提升学生的理论知识、实践能力和价值素养至关重要。文章从应用型本科人才培养的特点和要求出发，探索应用型本科材料力学新形态教材篇章体系的编排、思政元素的融入、应用能力的培养和数字资源的嵌入等方法，旨在为应用型本科教育提供一种符合时代需求、具有鲜明特色的材料力学教材。

关键词：
应用型本科
教材建设
教育思想
新形态教材
材料力学
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“材料力学”是机械、土木、航空航天等工科专业一门重要的技术基础课程，该课程以工程构件正常工作应具有的强度、刚度和稳定性为核心问题，研究杆件拉压、剪切、扭转、弯曲四种基本变形和组合变形。学习该课程，既可以解决一些工程实际问题，也可以为后续相关课程的学习以及工程构件设计和科学研究打好力学基础。教材作为教育思想、教学内容和教学方法的载体，是实现课程教学目标的重要工具。为满足高素质应用型本科人才的培养需求，探索应用型本科教材的编写方法具有重要的应用价值和实际意义。

1、应用型本科新形态教材建设的迫切性

“材料力学”是机械、土木、航空航天等工科专业的必修课程，诸多应用型本科高校开设该课程，且修读该课程的学生众多。目前，已有多种版本的材料力学教材在应用型本科高校使用，这些教材存在的问题主要体现在以下方面。

1.1 适用于应用型本科的教材较少

我国的材料力学教材是在20世纪50年代引用苏联教材的基础上建立起来的，经过国内学者70余年的教材建设，材料力学教材已有相当的规模和数量[1]。进入21世纪以来，随着我国经济转型发展，培养应用型人才成为高校共识，教材建设大致经历了从自选到自编的过程。自选教材即选用普通学术型本科教材，由于在人才培养目标上，应用型本科与学术型本科存在较大差异，两者契合度较低。近年来，应用型本科自编教材增势明显，但这些教材对权威教材的模仿痕迹较重[2]。目前的材料力学教材，大多重理论、轻应用，理论叙述详尽，联系工程实际较少，重视知识传授，相对忽视教学方法和应用能力的培养，不能很好地满足应用型本科人才培养的需要[3]。

1.2 教材呈现形式单一，内容更新滞后

目前的材料力学教材大多是纸质教材，教材内容主要通过文字、图片展示，呈现形式单一、平面，教材内容的更新需要通过教材的修订再版才能实现，周期较长，内容更新滞后。近年来，随着“互联网+教育”工作的推进，笔记本电脑、平板电脑、智能手机等的普及，微课、慕课、雨课堂、翻转课堂等新兴教学模式不断涌现，这给学生带来了新的学习方式，也为“纸质+数字资源”的新形态教材建设和应用打下了基础。新形态教材，拓展了教学内容，丰富了呈现形式，加强了与学生的互动，且教材内容可以及时更新[4]。

1.3 教材思政育人功能有待探索

课程思政是落实“立德树人”根本任务、实现“三全育人”目标的重要途径。近年来，课程思政已成为教育教学改革的研究热点，相关研究成果不断涌现。已有的研究报道表明，关于课程思政的研究成果主要集中在教学效果的呈现、课程思政与专业学科的交融等方面，而关于教材建设中如何融入课程思政元素则鲜见报道[2,5]。教材作为教育教学的关键要素，是教育思想、教学内容和教学方法的载体，教材建设直接关系人才培养的质量和方向。如何在教材中有机融入思政元素，发挥教材育人功能，是提高人才培养质量的重要课题。

2、材料力学教材的建设实践

江苏理工学院是江苏省一流应用型本科高校立项建设单位，教材编写团队在广泛调研并总结多年应用型本科教学经验的基础上，为应用型本科高校精心编写了材料力学教材，教材已于2016年由西安电子科技大学出版社正式出版，教材出版至今深受应用型本科高校的欢迎和好评，教材经过多次重印并于2024年进行了修订再版[6]。

应用型本科培养的是负责技术开发和生产管理等工作的服务生产一线的应用型人才，要求学生毕业后能把专业理论知识应用于生产实际。不仅要求他们具有扎实的专业理论知识，还要求其具有解决实际问题的能力[7-8]。这不仅要求教材内容全面，注重理论知识、工程思维和解决工程实际问题的能力培养，还需要发挥好教材的育人功能。

2.1 篇章体系的编排

教材内容根据教育部高等学校力学基础课程教学指导分委员会制定的《“材料力学”课程教学基本要求(A类)》编写而成[9]。全书共12章，主要内容包括绪论、轴向拉伸与压缩、剪切与挤压、扭转、弯曲内力、弯曲应力、弯曲变形、应力状态分析与强度理论、组合变形、压杆稳定、动载荷和能量法等，教材内容全面。

教材充分考虑应用型本科人才培养的特点和要求，在篇章体系上进行了合理安排，使教材易教易学。每章开篇设有引言，简要介绍该章的主题和核心内容，帮助学生明确学习目标和方向。教材根据应用型本科人才培养的特点和要求，遵循“应用、实践、创新”的教学宗旨，精选各章节内容。在表述上深入浅出，在知识的理解上循序渐进，注重基本概念、基本理论和工程实用性。教材采用红色与黑色双色印刷，突出关键信息和重点内容，帮助学生更好地理解和掌握教学内容。每章设有小结，对章节内容进行凝练、总结，提炼出关键信息和核心概念，帮助学生厘清知识脉络。每章后配有思考题和习题，思考题和习题围绕章节核心内容设计。思考题以填空、单选、多选、判断等客观题型呈现，巩固学生的基本概念和基本理论。每章后的习题与工程实际密切相关，通过练习，帮助学生了解材料力学在工程实际中的应用，增强其对理论知识的理解，提升学生分析解决工程实际问题的能力。

2.2 应用能力的培养

应用型本科的教学目标是学生学业期满后应具有较高的工程思维水平，能应用专业理论知识分析解决具体的工程问题[10]。为此，教材例题、思考题、习题的选择遵循了工程性、典型性和代表性的原则，教材中引入了丰富的工程案例，以加强工程思维和解决工程问题能力的培养。材料力学研究的是工程问题，工程实际结构一般比较复杂，材料力学计算时用的是简化后的力学模型。为帮助学生抓住事物的本质，学会将复杂的工程结构抽象化为简单的力学模型，教材在分析解决工程问题时引导学生先对实际工程结构进行简化。例如，如图1(a)所示的例题要求根据强度条件设计钻床立柱的直径，教材先展示钻床的实物图，再将其简化为如图1(b)所示的力学模型，而不是直接给出力学简图。材料力学对工程问题的求解有严格的步骤和格式要求，如在求解图1所示的钻床立柱直径时，需要先画出力学简图，再假想把钻床沿立柱横截面截开，分析截面上的内力，然后分析截面上的应力，再进一步根据强度条件建立方程求解截面直径。求解过程每一步都必须有依据，有严格的图示图解，有严密的理论与计算的支撑，才能得出正确的结论。为了培养学生分析解决工程问题的能力，教材中的例题配有“解题分析”，帮助学生厘清解题思路；例题的分析求解过程条理清晰、层次分明，一步步展示解决材料力学问题的全过程；例题分析图中的外力、内力、应力用红色表示，有利于帮助学生掌握正确的图示图解方法；例题后配有“讨论”，帮助学生将所学知识和方法融会贯通，并举一反三。

2.3 思政元素的融入

本科高校培养的是高级专门人才，应突出人才的“高素质”。应用型人才在工作过程中，个人的意志品质、心理素质、道德感、责任心等素养往往直接影响其专业知识的运用和技术的发挥，进而影响工作完成的质量和效果[7]。教材通过融入思政元素，发挥教材的育人功能。教材编写团队结合教学内容，主要从以下方面深挖思政元素：1)以材料力学发展史为切入点。材料力学的发展经历了漫长的历史，例如“赵州桥”“应县木塔”等古建筑历经千年仍保存完好，反映了我国古代人民的工匠精神和在工程实践中积累的丰富材料力学知识。通过回顾历史，帮助学生理解科学理论不是个别人的一朝一夕之功，而是在生活、生产、工程实践中经历了漫长的实践积累，并经过一代代力学家的努力逐渐形成的，培养学生的科学探索精神和精益求精的工匠精神。2)以力学家的故事为切入点。材料力学作为一门独立学科，可追溯到17世纪早期伽利略的工作，在学科发展过程中，俞茂宏、胡克、泊松、欧拉等无数中外力学家作出了重要贡献。通过挖掘与教学内容相关的力学家及其故事，培养学生敢于质疑、不畏困难、勇于挑战的精神。3)以我国重大工程案例为切入点。现代工程建设离不开力学分析，同时现代工程建设也推动了力学理论的发展。例如列车钢轨，传统列车时速较慢，解决钢轨因热胀冷缩产生温度应力的方法是在各段钢轨之间留有伸缩缝。经过约30年的建设，中国高铁已从“追赶人”变成了“领头羊”，高铁的速度远高于传统列车。为保证行车的安全性与舒适度，高铁使用无缝钢轨，解决无缝钢轨热胀冷缩问题的方法是用紧固扣在合适的温度下把钢轨牢牢锁定在混凝土轨枕上。教材通过引入与教学内容相关的重大工程案例，培养学生的家国情怀、创新精神和科技强国的理想信念。4)以工程事故案例为切入点。结合教学内容，引入工程事故案例的力学分析，例如，引入建筑施工场地的脚手架倾覆事故、魁北克大桥的坍塌事故等案例，不仅可培养学生应用材料力学的理论知识分析解决工程问题的能力，还能培养学生的责任意识、安全意识和大局意识。在教材中通过思政元素的有效融入，较好地实现了将知识传授、能力培养和价值塑造三者融为一体的目标。

图1 工程问题分析求解举例

2.4 数字资源的嵌入

教材编写团队将教学内容与现代互联网信息技术相融合，打造材料力学新形态教材。在教材中嵌入二维码，通过微信扫一扫，即可打开与其链接的数字教学资源。教材二维码链接的内容涉及基本概念、理论推导、例题讲解、工程案例分析等微视频，也涉及力学家的故事、工程事故案例分析等拓展阅读。图2为教材二维码链接的部分数字教学资源，通过微信扫一扫即可打开相应链接。需要说明的是，微视频均由教学经验丰富的教师设计、讲解、制作，拓展阅读均是在查阅大量文献资料的基础上整理编辑而成，每篇拓展阅读后均标明了引用的参考文献。学生使用本教材时，可以结合数字资源更便捷地学习，可更好地掌握基本概念、基本理论和解题技巧；对工程实物、工程背景有更直观的了解；对家国情怀、科学精神、工匠精神等有更深的理解。

3、教材的主要特色

本教材根据应用型本科人才培养的特点和要求，注重夯实理论基础、强化实践应用，同时注重思政元素的融入，与同类教材相比，教材具有以下鲜明特色。

1)融入思政教育。

教材坚守“立德树人”使命任务，通过力学发展史、力学家的故事、重大工程建设成就、工程事故案例等，培根铸魂。

2)夯实理论基础。

教材内容根据教育部高等学校力学基础课程教学指导分委员会制定的《“材料力学”课程教学基本要求(A类)》选取，内容全面。通过精选教材内容、合理安排篇章体系，夯实理论基础。

3)突出工程应用。

教材遵循“应用、实践、创新”的教学宗旨，体现应用型专业的特点。例题、思考题、习题的选择遵循工程性、典型性和代表性的原则。教材选取了丰富的工程案例，增加了实践性的内容。

4)强化能力培养。

教材例题的解题过程条理清晰、层次分明，一步步展示用材料力学知识解决问题的全过程，每一步都必须有依据，有严格的图示图解、严密的逻辑推理和理论及计算的支撑，有助于培养学生的工程思维和分析解决问题的能力。教材例题配有“解题分析”和“题后讨论”，有助于学生将所学知识和方法融会贯通，并举一反三。

图2 教材二维码链接的数字教学资源举例

5)注重易教易学。

教材在表述上深入浅出，内容安排上循序渐进，易于理解。采用红色和黑色双色印刷，排版精美，重点突出。利用二维码技术融入微视频和拓展阅读，数字资源丰富，有助于教师教和学生学。

4、结语

应用型本科高校的学生毕业后大多直接参与生产一线工作，相应的教材内容应夯实理论基础、突出工程应用、强化分析解决问题的能力培养，同时还需要发挥好教材的育人功能。传统纸质教材的修订再版需要一个较长的时间周期，教材内容更新滞后。现代网络和信息技术的发展推动了教材形态的变化，通过在纸质教材中嵌入二维码，可链接丰富的教学资源，弥补了纸质教材版面有限、表达形式单一、内容更新滞后等不足。

参考文献:

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[2]杨晓东,甄国红,姚丽亚.应用型高校专业课程思政教材建设关键问题之思[J].国家教育行政学院学报,2020(5):68-75.

[3]叶志明,李俊峰,王世斌,等.基础力学课程教材及教学体系分析(一):国内基础力学教材基本情况简述[J].力学与实践,2019,41(3):314-319.

[4]黄明东,蔺全丽,李晓锋.高校新形态教材的特征､发展态势与建设路径[J].出版科学,2022,30(2):32-39.

[5]陈菊芳,朱福先,胡可军.基于SPOC的机械类专业混合教学模式研究与实践:以“理论力学”课程为例[J].南方农机,2022,53(18):183-187.

[6]陈菊芳,朱福先,韩文钦,等.材料力学[M].2版.西安:西安电子科技大学出版社,2024.

[7]徐立清.地方应用型本科人才培养标准的设计思路与实现路径[J].高等教育研究,2017,38(5):81-85.

[8]别敦荣.学术本科､应用本科和职业本科概念释义､办学特点与教育要求[J].中国高教研究,2022(8):61-68+75.

[9]教育部高等学校工科基础课程教学指导委员会.高等学校工科基础课程教学基本要求[M].北京:高等教育出版社,2020.

[10]于敏,缑瑞宾,但文蛟.应用型本科力学课程的工程思维融入途径研究[J].黑河学院学报,2022,13(4):96-98.

基金资助:江苏理工学院教育教学成果奖培育项目(11610112408);江苏理工学院优秀基层教学组织项目(10910512301);江苏理工学院AI课程建设专项(11210512401);江苏理工学院五育并举专项(11610512415);