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摘要：结合材料力学课程面临进一步优化内容，缩短授课学时，学生学习面临短期接受更多知识、多学科知识交叉化、早期实践环节缩减导致感性认知不足等压力。结合当前信息化技术发展，针对材料力学教学和学生学习过程的新变化，本文从教学内容组织与教学手段、考核形式和学生学习过程与形式，即“教”和“学”方面概括了借助信息化开展工科材料力学教学改革的几点探索。
关键词：材料力学；教学改革；信息化
本文引用格式：吴守军,等.基于信息化技术的《材料力学》教学改革探索[J].教育现代化,2019,6(71):95-97.
一 引言
《材料力学》是一门理论性较强、与工程技术联系极为密切的专业基础课程，是将力学的基本定理、定律和结论广泛应用于各行各业的工程技术中，研究工程结构普遍存在的受力、变形和破坏现象，是培养学生解决实际工程问题的重要专业基础课程。
当前各种学科的发展群星璀璨、社会对人才的需求是多方面的，要求学生具有综合知识体系和技能。在这种情况下，大学教育中增加了许多新的学科和课程，同时比以往增加了较多的选修课程，传统的课程均面临进一步优化内容，缩短授课学时的必然趋势。
面对当前人才培养需求和教学手段变化，众多的科教人员从教学内容、教学手段等方面对《材料力学》课程的改革进行了诸多有益探索[1-4]。另一方面，信息技术的飞速发展，使得教学行为、教学资源、教学组织、学习体验等教与学的各方面发生了极大变化，能够更加便捷实现教学行为的人性化、灵活化，教学资源多元化、复杂现象虚拟化、学习形式交互化、多样化等特点[5-7]。但《材料力学》课程相关改革举措与当前快速普及的信息化技术的结合较少，特别是与学生学习和考核方面结合较少。在此背景下，有必要探索基于信息化技术的《材料力学》课程“教”与“学”的改革。
二 现有改革探索与存在问题
（一）传统板书向多媒体教学转变，但与网络信息技术结合不足
过去十多年引入多媒体进行教学手段改革在克服传统板书死板、费事、信息有限、对学生注意力和好奇心吸引等方面的不足起到了非常明显的作用。但面对当前校园网络信息化、智能手机和无线上网的普及，以往比较单一的以幻灯形式的多媒体教学对有效提高学生兴趣、特别是提高教学效果和培养学生理论结合实际及提高技能上效果不明显。同时受技术发展，现有教学手段的改革多强调以多媒体丰富教学，较少体现动态教学、教学数据信息化分析及教学资源共享[8,9]。传统实验教学环节，实际操作和演示互动是课程重要组成部分，但部分实验操作环节常存在各种困难，以至于学生理论无法和实践充分结合，同时实验课程的时长的有限性造成了学生数据采集的限制，妨碍了进一步对比分析及实验反思矫正。因此，需要借助新兴的计算机模拟、网络平台进行《材料力学》课程改革[10]。
（二）现有改革重“教”轻“学”
现有改革主要集中在“教”上，虽然也有一些工作尝试基于虚拟仿真实验教学平台的开展教学改革与实践，但同样对“学”的过程很少关注[11]。另一方面，当前信息技术、特别是网络技术和智能手机的飞速普及，一方面信息获取变得更为简单实时，同时互联网尤其是在线娱乐与媒体对学生学习也带来了极大地冲击。因此，有必要重视从“学”的方面进行《材料力学》课程改革。
三 改革举措
（一）教学手段的信息化改革
视频能更好地增加学生兴趣、强化认知，同时能够更大量地传递相关，特别是新鲜的知识，非常有利于在教学中强化工程背景与知识点结合，例如压杆失稳引起的工程故障视频和理论分析。当前大坝、桥梁等重要工程实际中已开始采用有线甚至无线网络进行结构的应力、变形监测、数据采集和简单分析等，可实现网络在线教学和讨论，而且实际工程的网络在线观摩等已经在一些学科获得应用[12]。因此，在理论教学上有必要适应实际工程网络化发展进行教学手段改革。借助于计算机模拟，如3DMax，Flash、Ulead GIF Animator等软件可以便捷地制作出动画效果，可以克服传统实验教学受实验场地、设备和空间限制，无法实现大规模、足尺实验如楼房模型的静动力学特性检测、弹性支撑偏心受压实验等复杂约束条件实验研究等问题。
借助于网络教学平台，可以将教学资源，特别是大量相关的知识背景、工程应用、发展动向、习题库等学习资源共享，开展在线讨论、答疑。此外，基于手机的通讯工具如QQ、微信、易信等交流工具在学生中获得普遍应用，这些信息化工具为课后便捷、实时答疑，学习资源共享提供了便利。
因此，在教学手段的改革方面，在利用多媒体幻灯替代传统板书的基础上，利用视频教学强化工程背景与知识点结合优化教学内容组织，利用网络资源共享给学生提供更多学习选择利用微信、QQ等通讯工具进行课后互动。
（二）考核形式的信息化改革
传统课程考核主要以考试为主，虽然对课程知识点可以较好覆盖，成绩在一定程度上可以反映学生对相关知识的掌握情况，但这种相对单一的考核形式对学生理论实践相结合的能力考核比较薄弱，例如材料力学的目标是以工程应用中的受力分析、强度、刚度和稳定性分析、计算、校核为目标，但受考试时间的限制，考题是经过抽象简化的模型，重在对某个知识点的考核，在载荷形式、构件形式、许可条件等方面与工程实例存在许多偏差。
近几年，国内外教学实践证实，课堂小组讨论能够有效调动学生学习，特别是分析和解决问题的积极性，能够综合有效培养学生主动学习、将理论与实践结合的能力[13]。但是采用传统的几人组合的课堂讨论实施比较困难，而且教师对不同小组的情况、特别是不同组的结果分析比较比较费时。以连通主义理论和网络化学习的开放教育学为基础的慕课，以兴趣导向，主要通过研讨、测试、阅读等形式在线实现高效学习，可以方便地实现点名签到、随机测试、小组讨论、任务发布、资源共享等[14]。笔者利用“慕课”的经验证实，该新型的网络教学手段可以非常有效地调动学生积极性，能够针对性了解个体，能够快速进行课堂测试并快速合理分析结果，以往学生上课玩手机变成了用手机上课，且教师可以便捷地检测学生学习状态，学生也对这种新兴的授课表现出了积极的响应，激发了思考问题的积极性。上述新颖的教学模式，虽在一定程度上改进了传统教学的规定时长、一次性消费的教学模式，但仍存在教学模式间相互独立，沟通不足、信息单向传递、缺乏学生实验操作成果对比及实验分析反馈等问题。对此，针对《材料力学实验》，笔者尝试将课堂理论、实验操作、平台视频、数值模拟教学相结合，搭建集学习、科研为一体的大数据信息平台。该信息平台依托于P2P网络构架[15]，实现信息并行储存、共享及交流模式。使每一个参与者成为互通主体，共享教学资源（实验视频、实验数据），同时针对P2P的信息反馈交流特性，建立实验数据共享对比分析模块，通过实验数据录入，大数据分析（理论研究成果、传统实验成果及模拟实验成果），得到相应的实验报告，给出误差大小及误差产生原因分析结果，以此形成反馈教学机制。
综上所述，在教学考核形式上，利用视频教学强化工程背景与知识点结合，利用“慕课”等新型网络教学手段开展实时点名、小组讨论和随机现场考核；利用大数据信息平台，实现教学中参与者互通、资源共享、效果分析、反馈等综合效果。
（三）学生学习过程与形式上的信息化改革
《材料力学》大部分理论公式的推导是基于工程实践简化模型实验之上的，教学中涉及多个实验环节；课程教学实例也来源于工程实践。当前，受前期相关工程实践教学环节，以及兴趣导向的局限，学生对实验课程缺乏积极性和认真态度，表现为实验课玩手机，实验记录不认真，结果分析与报告抄袭等；对于涉及与工程实践密切相关的实例教学，如利用几何法求解杆件的近似变形量，学生普遍反映抽象难理解；而后续研究生科研实验中则反映出学生对相关实验环节缺乏细致了解、缺乏思考，如以简支梁跨中受集中载荷为原型的三点弯曲测试，学生对数据处理（如强度计算）不熟悉；桁架式喷灌机桁架结构静力和变形校核等基本技能不熟悉等。另一方面，智能手机均可实现高清拍照、录制、网络共享等功能；学生在开设材料力学课程前基本都已学习Matlab、C语言、AutoCAD等课程，具备基本的编程、绘图、数据处理和简单图像模拟技能。因此，在学生学习过程与形式上，鼓励学生借助数码技术、数字模拟技术进行实验环节的记录、数据采集与分析，鼓励学生多学科知识的综合应用。利用构建的大数据信息平台，通过传统实验结合理论计算及数值模拟实验的方法，进行实验数据对比分析，关联知识获取，信息编辑讨论，培养学生自主学习和科研素养。实践证实，这种方式能够有效调动学生实践学习的兴趣和积极性，能够做到较为细致的记录，显著增强学生对抽象知识的感官认识，特别有利于学生将其多门课程知识综合应用的训练，能够拓展学生思维和提升分析能力。
四结语
当前本科教学传统课程均面临进一步优化内容，缩短授课学时的趋势；同时，信息技术的蓬勃发展，对教与学提出了新的挑战。学生学习面临短期接受更多知识、多学科知识交叉化、早期实践环节缩减导致感性认知不足等压力。结合上述新变化和多年从事本科材料力学教学实践，本文概括了当前借助信息化开展工科材料力学教学改革的几点探索：（1）教学手段上，利用多媒体幻灯替代传统板书，利用计算机模拟直观展现抽象内容，利用视频教学强化工程背景与知识点结合优化教学内容组织，利用网络资源共享给学生提供更多学习选择，利用微信、QQ等通讯工具进行课后互动。（2）考核形式上，利用“幕课”等新型网络教学手段开展实时点名、小组讨论和随机现场考核；利用大数据信息平台，实现教学中参与者互通、资源共享、效果分析、反馈等综合效果。（3）学生学习过程与形式上，鼓励学生借助数码技术、数字模拟技术进行实验环节的记录、数据采集与分析，鼓励学生开展多学科知识的综合应用；利用大数据信息平台，实现关联知识获取，信息编辑、讨论，培养学生自主学习和科研素养。
以上几点认识仅仅是笔者对本课程教学改革的粗浅探索与总结，如何有效提高当前大学生对材料力学的学习兴趣、特别是提高教学效果和培养学生理论结合实际实现知识、技能提高仍然是一个长期研究的重要课题。
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