浅谈创客教育背景下材料力学教学改革

　　0引言
　　自2013年《十二五国家自主创新能力建设规划》中提出要进行创新主体培育、创新能力建设至今，多个中央文件都强调了创新、创业对中国经济转型升级的重要性，提出要形成大众创业、万众创新的新态势。《中国制造2025》的9大任务之一就是要提高国家制造业创新能力。而创新能力提高的基础和前提在于培养具有创新精神的人才，培养具有工程思维的创客。特别是随着互联网和3D打印技术、各种开源软硬件平台的日益成熟，我国越来越多的高校将创客教育作为培养学生创新能力及创业能力的有效途径。创客教育强调的是创新精神和综合运用知识的能力，关键是学生学习的主体性、实践性、深度参与性、连续性和完整性。对工科专业的教育者而言，创客精神与在实践中学习的教育思想，与卓越工程师培养计划的要求，以及与高等院校材料力学课程对学生的要求不谋而合。本文总结了在创客教育背景下浙江农林大学工程学院《材料力学》课程教学改革的实践经验。
　　1课程教学改革的背景
　　《材料力学》是工科类专业一门重要的专业基础课，为在满足强度、刚度和稳定性要求的前提下，设计既经济又安全的构件提供理论基础和计算方法，也是很多专业课程学习的基础。尽管随着科技的进步，《材料力学》涵盖内容未能完全反映工程中的力学问题，但是材料力学仍是很多问题的力学基础，所学内容实用性强。目前，大部分学校非力学专业该课程的学时缩减为60学时左右，包括理论教学课时50个左右与实验课时10个左右。《材料力学》内容繁杂，概念多、公式多，计算复杂，学生普遍反映学习难度大，课上所学内容与工程应用较难结合。如何在有限课时内使学生掌握材料力学的理论知识，并用于工程实践，是《材料力学》课程教学中要面对和强调的问题，也是课程教学改革的目标。
　　2课程教学改革的关键
　　2.1培养学生的主体性
　　创客教育的教学理念中融合了体验教学、项目教学、创新教育以及DIY(Doityourself，简称DIY，自己动手做)等教学方法的精髓。这些教学方法都强调培养学生的自主学习能力，力求以学生为中心。学生当创客的过程中，也有可能会运用到力学、物理学，甚至人文艺术学科的知识。孔子云知之者不如好之者，好之者不如乐之者，只有真正乐之，才有学习动力。《材料力学》概念多，有些知识点相对抽象，学生理解起来有一定难度，要取得好的教学效果，必须先培养学生学习的主体性，激发学习兴趣。应用通俗生动的实例，尤其是日常生活中众所周知的实例，不仅可以活跃课堂气氛，也有助于学生理解力学的基本概念。
　　在绪论教学中，通过生动活泼的实例，让学生意识到材料力学离生活并不遥远，不仅仅在工程中有广泛的应用，更与日常生活息息相关。可通过引入以下问题，引发学生的思考，激发其学习兴趣。如提问学生，为何冬天低温状态下水管中水结冰会导致水管破裂，而冰却不破裂?为什么我们在剥鸡蛋时采用局部敲击的方式?杂技表演中咽喉顶枪是常见项目，为何表演者可以用咽喉这个脆弱的部位压弯甚至破坏顶枪?这些生动的案例，其实都贯穿着材料力学的知识点，如应力状态、脆性材料的应力集中和压杆稳定等。
　　自2009年起已成功举办6届的中国古建筑摄影大赛，其中一个奖项为匠心营造斗拱奖。将视角对准中国古建筑特有的细部结构斗拱，正是因为这一结构不仅具有极高的艺术美感，同时承载了载荷传递、抗震减灾的作用。而斗拱实际上是载荷分布合理、充分利用材料拉压受力状态的结构形式。悬索桥、斜拉桥的设计则是利用了超静定结构的承载能力。提问学生为什么树木的截面是圆形的，而竹子、麦秆的截面是环形的?进一步强调材料力学的基本任务在满足安全性、精确性的前提下，构件设计要经济，具有美感。这些生动的实例，对于提高学生的学习兴趣和积极性大有裨益。
　　2.2确保学习体系的连续性和完整性
　　在《材料力学》的教学中，要尽可能理清完整的课程学习脉络。《材料力学》课程研究变形固体的强度、刚度和稳定性，分析在不同的外力条件(静载荷或动载荷作用)下，构件可能发生的拉伸、压缩与剪切、扭转、弯曲等基本变形及组合变形。常见的问题有强度校核、截面设计及确定许可载荷3大类。而解决问题的基本思路则是判断外载荷形式变形形式(应力计算)破坏形式(强度校核、截面设计)。教学内容上，除了上述基础知识外，可鼓励学生阅读教学参考书，学习弹塑性力学、热应力、复合材料力学和有限元等材料力学的延伸拓展知识。
　　要保证学生学习的连续性，教师在课堂学时安排上也要有所调整，将课堂时间进行合理划分为前课复习、新课导入、讲授新知识点和课堂小结等模块。前课复习环节，通过教师讲解或师生问答，对已经学过的知识点学而时习之、温故而知新。在新课导入环节要合理设计，从前课复习中自然导入，前后衔接。在学习过程中，引导学生贯彻伽利略提出的自然科学研究方法，即实验观察假说提出理论分析实验验证。尽可能使学生在学习的过程中，经历材料力学理论提出、发展的演变顺序，若其学习的逻辑顺序与材料力学的发展顺序一致，则更有利于学生把握完整的创新过程。课堂小结环节，进一步实现温故而知新，使学习更为连续。
　　2.3提高学生学习的深度
　　在学习《材料力学》的过程中，不能仅停留在结论的获取上，更重要的是去探究和挖掘结论的获取过程，要知其然，知其所以然。教师传授知识时，也要授人以鱼，且授人以渔，通过推断或演绎的方法，阐述知识点，鼓励学生在学习中提出质疑，不断发现问题、提出问题、分析问题和解决问题。这样不仅有利于学生系统掌握相关知识，提高学习的深度，更有利于将学生的被动学习转变为主动获取知识、质疑、解惑和提高的过程。
　　如在讲解应力时，可先让学生求解构件的最大工作应力，再提问该杆件能否安全工作，最大应力的极限是多少，判断依据是什么?然后结合工程失败的案例，如新闻中时常报道的桥歪歪、楼脆脆等豆腐渣工程，引导学生思考为什么要研究应力状态，问题的实质是什么?最后再进一步讲解材料的性能和强度问题、许用应力等。
　　2.4增强学习的实践性
　　实践是创新之源，工程实践是创新的基础。如前所述，创客教育中融入了DIY的理念，强调学生的动手能力。同样，《材料力学》是一门实用性很强的课程，其教学过程中要介绍材料力学在工程实践中的广泛应用，使学生充分认识课程的重要性和实用价值。如鼓励学生进行农业机械设计，使其充分应用材料力学的相关知识。
　　如山核桃是浙江农林大学所在地临安的地标性农产品，是当地农户的主要收入来源。山核桃采收机械的缺乏是制约当地山核桃产业发展的重要影响因素，而采收机械的设计与改进一直是浙江农林大学师生关注和研究的重要选题。山核桃采收机械设计的根本目标，是要实现在不损害树干，不影响来年产量的前提下，快速将山核桃青蒲与果柄分离，同时机械要便于携带。在《材料力学》的教学中，可引导学生对山核桃采收机械进行设计，分析现有机型的特征，能否改进，可否从其他坚果采收机械上借用，能否模仿?机械材料选择上如何节省，减小质量，使其在满足作业要求的前提下，提高便携性。采用教学科研与生产实践相结合的方式，提高学生的创新实践能力。
　　3结束语
　　《材料力学》是工科类院校很多专业的重要基础课，对学生打好专业基础、培养专业素养有重要的作用。基于创客教育的要求，提出从学生的学习自主性，学习内容及脉络的完整性，学习的深度和实践着手进行教学改革。实践证明，这样的教学方式对于提高学生学习兴趣，改善教学质量有较好的效果。