原標(biāo)題：優(yōu)化材料力學(xué)課程教學(xué) 培養(yǎng)創(chuàng)新人才

來源：中國教育報

原標(biāo)題：優(yōu)化材料力學(xué)課程教學(xué) 培養(yǎng)創(chuàng)新人才

來源：中國教育報

聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院土木專業(yè)作為山東省一流本科專業(yè)，積極響應(yīng)國家教育數(shù)字化戰(zhàn)略，深化新工科背景下的工程技術(shù)應(yīng)用，深刻把握人工智能為高等教育賦能的重要趨勢，致力于塑造培養(yǎng)應(yīng)用型、復(fù)合型的工程科技人才，促進(jìn)教學(xué)從“師生交互”向“師/生/機(jī)”深度交互轉(zhuǎn)變。聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院土木專業(yè)以材料力學(xué)課程為試點，堅持以人才培養(yǎng)為核心，通過將工程實際與人工智能融入材料力學(xué)教學(xué)，建設(shè)基于新形態(tài)知識圖譜的專業(yè)培養(yǎng)新模式和課程內(nèi)容數(shù)智化體系，為高等教育和區(qū)域產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展培育高水平師資隊伍和高素質(zhì)創(chuàng)新人才，為創(chuàng)新傳統(tǒng)學(xué)科的教育教學(xué)模式探索了新的路徑。

材料力學(xué)作為聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院土木專業(yè)大二階段的核心課程，不僅是建筑工程學(xué)院土木專業(yè)學(xué)生研究生入學(xué)考試的關(guān)鍵科目，也是注冊建筑師資格考試的必考內(nèi)容，在聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院土木工程專業(yè)的人才培養(yǎng)體系中，材料力學(xué)課程承擔(dān)著承上啟下、協(xié)同提升工程計算能力的重要使命。學(xué)生經(jīng)過兩年的專業(yè)學(xué)習(xí)，能夠初步掌握基本的理論知識，并形成對工程方案的初步認(rèn)知能力。然而，部分學(xué)生在實際工程設(shè)計理念、結(jié)構(gòu)原理以及文化內(nèi)涵等方面缺乏深層次認(rèn)知。為解決這一問題，聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院土木專業(yè)材料力學(xué)教學(xué)團(tuán)隊瞄準(zhǔn)“進(jìn)一步持續(xù)提升學(xué)生的工程素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)科交叉融合、提升教學(xué)的數(shù)字化水平，充分應(yīng)用人工智能技術(shù)、突破教學(xué)的時空壁壘、展現(xiàn)專業(yè)特色不足，豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗”的目標(biāo)，貫徹以學(xué)生為中心的教育理念，強(qiáng)化新工科內(nèi)涵，借助傳統(tǒng)教學(xué)智慧，運用人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)，針對聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院土木專業(yè)大二學(xué)生的材料力學(xué)課程教學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)化更新。

推行“四維融合”教學(xué)模式

聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院土木專業(yè)材料力學(xué)教學(xué)團(tuán)隊全面推行“線上線下混合式教學(xué)模式+實驗教學(xué)模式+工程實踐教學(xué)模式+人工智能教學(xué)模式”“四維融合”的教學(xué)模式，實現(xiàn)學(xué)生知識、能力、素養(yǎng)和創(chuàng)新的協(xié)同發(fā)展。首先，依據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和需求，科學(xué)調(diào)配線上自主學(xué)習(xí)與線下課堂教學(xué)的時間和內(nèi)容，構(gòu)建了完善的混合式實驗課程體系。學(xué)生可借助在線平臺自主安排學(xué)習(xí)任務(wù)，在線上學(xué)習(xí)階段，學(xué)生可以通過觀看教學(xué)視頻、完成在線測試等方式，初步掌握材料力學(xué)的基本概念和原理，而線下課堂則聚焦于知識難點剖析，教師針對學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中遇到的疑難問題進(jìn)行詳細(xì)講解，組織學(xué)生進(jìn)行互動討論、答疑解惑以及實踐操作，并鼓勵學(xué)生發(fā)表自己的見解，助力學(xué)生更好地理解材料力學(xué)的知識、掌握技能。其次，在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院土木專業(yè)材料力學(xué)教學(xué)團(tuán)隊為加深學(xué)生對材料力學(xué)的理解，精心設(shè)計了材料力學(xué)實驗課程，利用電測法進(jìn)行材料力學(xué)拉伸實驗、梁的彎曲實驗、彎扭組合變形實驗、壓桿穩(wěn)定實驗等，引導(dǎo)學(xué)生將理論知識與實際操作緊密聯(lián)系，從而深化對材料力學(xué)原理的掌握。例如，在進(jìn)行材料力學(xué)拉伸實驗時，學(xué)生操作實驗設(shè)備，記錄實驗數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線，從而更直觀地理解材料的力學(xué)性能。在此基礎(chǔ)上，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行實地工程實踐和實習(xí)實訓(xùn)，目前建筑工程學(xué)院土木專業(yè)設(shè)立結(jié)構(gòu)力學(xué)反力架加載實訓(xùn)、材料力學(xué)組合實驗裝置實訓(xùn)、裝配式結(jié)構(gòu)實訓(xùn)等，加深學(xué)生對工程實踐的認(rèn)知。再其次，利用人工智能技術(shù)賦能教學(xué)，通過智能教學(xué)平臺和數(shù)據(jù)分析工具，實現(xiàn)對學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度的實時監(jiān)控和個性化學(xué)習(xí)路徑的設(shè)計。人工智能技術(shù)不僅能為學(xué)生提供智能輔導(dǎo)和即時反饋，還能搭建虛擬仿真實驗場景，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗和實踐能力。這種融合模式不僅提升了教學(xué)效果，還激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，為材料力學(xué)課程的高質(zhì)量發(fā)展提供了有力支撐。

搭建“人工智能融合”的智能化材料力學(xué)教學(xué)體系

在教學(xué)內(nèi)容方面，聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院土木專業(yè)材料力學(xué)教學(xué)團(tuán)隊將傳統(tǒng)教學(xué)和人工智能技術(shù)相結(jié)合，通過聊天機(jī)器人開展課堂教學(xué)實驗，針對專業(yè)學(xué)生具體情況，對課程資源進(jìn)行模塊化處理和層級結(jié)構(gòu)拆分，提取教學(xué)子主題、知識點及內(nèi)容，對課程知識體系進(jìn)行了深度重構(gòu)，將教學(xué)章節(jié)轉(zhuǎn)化為9個教學(xué)單元，形成3個模塊，分別為“基本變形強(qiáng)度和剛度”“復(fù)雜變形強(qiáng)度和剛度”以及“應(yīng)力狀態(tài)”。將課程內(nèi)容劃分為“基礎(chǔ)理論”“實踐操作”和“拓展應(yīng)用”三大模塊。每個模塊結(jié)束時嵌入3次專題研討。針對不同內(nèi)容，構(gòu)建不同知識圖譜查看模式，例如，利用課程地圖幫助學(xué)習(xí)者快速把握知識體系，利用模塊環(huán)狀圖譜幫助學(xué)習(xí)者理解模塊間的緊密聯(lián)系和跨模塊的交叉融合，同時為教師提供教學(xué)內(nèi)容安排和跨學(xué)科改革的依據(jù)。根據(jù)課程特色和學(xué)員需求動態(tài)調(diào)整個性化圖譜的利用方式，增強(qiáng)教學(xué)的針對性和實用性，提升教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)體驗。同時通過利用人工智能工具，教師可以設(shè)計互動式教學(xué)活動，如角色扮演、小組討論等，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度。此外，人工智能工具還可以輔助教師進(jìn)行課程內(nèi)容的創(chuàng)新，動態(tài)生成教學(xué)材料，提供即時反饋和評估，以及開展互動式教學(xué)活動。

在教學(xué)方式方面，聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院土木專業(yè)材料力學(xué)教學(xué)團(tuán)隊首先利用Gradescope平臺進(jìn)行調(diào)研，根據(jù)學(xué)生的不同興趣將學(xué)生分為“材料力學(xué)小組”“結(jié)構(gòu)工程小組”“材料設(shè)計小組”“材料科學(xué)小組”，并利用人工智能針對不同小組推送不同內(nèi)容。團(tuán)隊教師針對“材料力學(xué)小組”，利用人工智能推送有關(guān)材料力學(xué)的詳盡資源，包括材料微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能之間的關(guān)系、材料的力學(xué)行為預(yù)測，以及材料在不同條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線等。這些資源形式多樣，涵蓋學(xué)術(shù)論文、實驗數(shù)據(jù)、模擬結(jié)果等，以全面滿足小組的研究需求。團(tuán)隊教師針對“結(jié)構(gòu)工程小組”，圍繞小組探討的復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化議題，利用人工智能提供豐富的結(jié)構(gòu)分析背景資源，包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法、材料性能數(shù)據(jù)以及結(jié)構(gòu)在不同載荷下的響應(yīng)分析等。這些資源將有助于小組深入理解結(jié)構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜性，并激發(fā)其對于結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計的想法。團(tuán)隊教師針對“材料設(shè)計小組”，利用人工智能推送有關(guān)材料設(shè)計的多元資源，包括新材料的發(fā)現(xiàn)、材料性能的優(yōu)化，以及材料在特定應(yīng)用中的性能表現(xiàn)等。這些資源將為小組提供寬廣的研究視野，促進(jìn)其對于材料設(shè)計領(lǐng)域的深入理解。團(tuán)隊教師針對“材料科學(xué)小組”，利用人工智能提供關(guān)于材料科學(xué)領(lǐng)域新的研究進(jìn)展和研究成果，涵蓋材料篩選與優(yōu)化、性能預(yù)測與模擬、新材料發(fā)現(xiàn)等議題。

在教學(xué)資源方面，聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院土木專業(yè)材料力學(xué)教學(xué)團(tuán)隊利用人工智能技術(shù)整合線上和線下資源庫，形成全方位的教學(xué)支持體系。線上資源包括高質(zhì)量教學(xué)視頻、完整課件和拓展學(xué)習(xí)資料，并利用哈爾濱工程大學(xué)教育資源云平臺2.0與材料力學(xué)54個人工智能大模型的深度融合，滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)需求。線下資源則涵蓋優(yōu)質(zhì)教材、實驗設(shè)備、案例庫和項目庫，支持實踐教學(xué)。聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院土木專業(yè)材料力學(xué)教學(xué)團(tuán)隊通過人工智能技術(shù)定期更新資源，結(jié)合學(xué)生反饋優(yōu)化內(nèi)容，確保資源的時效性、實用性和高質(zhì)量。

實施“理實結(jié)合”的材料力學(xué)教學(xué)創(chuàng)新

聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院土木專業(yè)材料力學(xué)教學(xué)團(tuán)隊通過創(chuàng)新的“理實結(jié)合”教學(xué)模式，將理論學(xué)習(xí)與地方特色項目實踐相結(jié)合，同時巧妙地融入人工智能技術(shù)，以提升教學(xué)的互動性、實踐性和獨特性。團(tuán)隊利用黃河水沙調(diào)控及泥沙高效利用實驗室和數(shù)據(jù)開放創(chuàng)新應(yīng)用實驗室（建筑遺產(chǎn)）這兩個省級平臺，選取黃河和光岳樓作為教學(xué)實踐場景，為學(xué)生提供了豐富的實踐資源和真實的工程背景。

在這一模式中，人工智能技術(shù)發(fā)揮了關(guān)鍵作用。依托人工智能輔助的設(shè)計和分析工具，學(xué)生能夠在虛擬環(huán)境中模擬水利工程運行和橋梁建設(shè)，深入理解材料力學(xué)理論在實際工程中的應(yīng)用。同時，人工智能技術(shù)也被用于創(chuàng)建互動式學(xué)習(xí)模塊，如虛擬現(xiàn)實（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）體驗，讓學(xué)生能夠直觀地探索光岳樓等古代建筑的力學(xué)結(jié)構(gòu)和歷史價值。此外，聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院材料力學(xué)教學(xué)團(tuán)隊還引入了項目式學(xué)習(xí)（PBL）方法，進(jìn)一步強(qiáng)化“理實結(jié)合”的教學(xué)效果。將學(xué)生進(jìn)行分組，分配與黃河水利工程和古建筑保護(hù)相關(guān)的實際項目任務(wù)，學(xué)生需要運用所學(xué)的材料力學(xué)知識，結(jié)合人工智能工具進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和方案設(shè)計。例如，在黃河水利工程的模擬項目中，學(xué)生利用數(shù)值模擬軟件，分析不同水沙條件下的堤壩受力情況，提出優(yōu)化設(shè)計方案；而在光岳樓保護(hù)項目中，學(xué)生借助增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）技術(shù)對光岳樓的結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重建，分析其在長期風(fēng)化和地震作用下的穩(wěn)定性。這種項目式學(xué)習(xí)不僅提升了學(xué)生的實踐能力，還培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新思維和團(tuán)隊協(xié)作能力，使學(xué)生能夠更好地應(yīng)用理論知識解決復(fù)雜的實際工程問題。

聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院土木專業(yè)通過“知識—工程—人工智能”協(xié)同融合，創(chuàng)新材料力學(xué)課程教學(xué)模式，實現(xiàn)了“四維融合”“人工智能融合”“理實結(jié)合”的突破。聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院土木專業(yè)材料力學(xué)教學(xué)團(tuán)隊借助線上線下混合式教學(xué)、實驗實踐、人工智能賦能以及地方特色項目，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，提升學(xué)生知識、能力和素養(yǎng)。不僅為學(xué)生提供了更加豐富多元的學(xué)習(xí)體驗，更為材料力學(xué)教學(xué)注入了新的活力。未來，聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院將繼續(xù)深化校地融合與校企合作，探索跨學(xué)科教學(xué)，在教學(xué)中融入數(shù)字技術(shù)，推動課程與市場需求緊密結(jié)合，為培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才和推動區(qū)域發(fā)展提供有力支撐。

（張小千）

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