1. 概述
武陵山地区是我国重要的装备制造业基地之一，近年来伴随区域经济持续发展与产业结构升级，正逐步由劳动密集型向技术密集型转变[1]。在这一进程中，材料力学作为装备制造领域的重要基础学科，对提升产品质量、保障结构安全具有关键支撑作用。无论是大型机械的结构设计，还是精密工具的强度分析，都离不开材料力学的理论支持与方法应用[2]。
然而，该地区在产业转型过程中面临人才能力与岗位需求不匹配的挑战，尤其体现在学生实践能力与创新思维不足等方面[3]。为应对上述问题，“工单制”教学模式逐渐受到重视。该模式由程治国教授于2013年提出，旨在突破传统职业教育中学生被动学习、教学方式单一等局限[4]。其核心是以“工单”为任务载体，通过“阅读–执行–展示”的教学流程，突出学生主体地位，实现“做中学、做中教”。在国内，材料力学教学改革已逐步推进，常见做法包括将章节式教学内容重构为模块化单元，嵌入专题研讨和计算机模拟，增强互动性与实践性[5]。然而，目前很多实验教学仍存在方法传统、资源匮乏、挑战性不足等问题，限制了学生创新与动手能力的培养。
总体来看，现有研究在推动学生参与科研、提升综合能力方面仍存在参与度低、激励不足和资源支持有限等问题。本研究(图1)拟通过建立项目导向的教学机制，完善评价与激励体系，加强教师指导与学生互动，系统提升材料力学课程的教学质量与学生的工程实践能力，为武陵山地区装备制造行业培养具有创新能力和适应发展的高素质人才。
Figure 1. Research framework for the “Work Order-Based” teaching model in materials mechanics for equipment manufacturing in the Wuling mountain region
图1. 面向武陵山装备制造的材料力学“工单制”教学模式研究框架
2. “工单制”教学模式理论基础
“工单制”教学模式融合了项目管理理论、工学结合模式及任务驱动教学法三大理论，聚焦于通过实践任务提升学生的综合能力，契合武陵山地区装备制造行业对高素质应用型人才的需求。
2.1. 项目管理理论
项目管理强调以系统方法对资源进行规划、组织与控制，以实现特定目标，其要素包括目标导向、时间管理、质量控制和风险管理等[6]。将项目管理理念引入教学，通过模拟真实项目流程，使学生从被动接受知识转变为主动探索与应用知识。在材料力学课程中，学生以具体工程问题为项目任务，运用所学进行设计、分析与优化，从而深化对理论的理解。教师角色由知识传授者转变为引导者和协助者，负责设计项目、提供支持并实施过程性与终结性相结合的评价。该理论的应用不仅提升教学的实效性，也显著培养了学生的实践能力与创新思维。
2.2. 工学结合模式
工学结合是一种将学习与工作相融合的教育模式，尤其适用于装备制造这类实践性强的领域，旨在通过理论与实际操作紧密结合，提升学生的职业技能和综合素养[7]。该模式通过项目教学、案例教学及混合式教学方法，使学生能够在真实或模拟的职业环境中学习并验证知识，强化解决工程实际问题的能力。同时，工学结合推动“双师型”教师队伍建设，促进校企深度合作，通过建立校企合作委员会等机制，为学生提供更多实习与就业通道。此外，轮岗实习、顶岗实习等形式有助于学生培养产品质量意识、诚信意识等职业素养，有效提升其就业竞争力与社会适应力。
2.3. 任务驱动教学法
任务驱动教学法以具体任务为中心，引导学生通过完成任务实现知识建构与技能习得，突出学生的主体性和教师的引导作用[8]。在“工单制”中，该理念进一步具象为以“工单”为任务载体，明确学习目标、实施步骤与评价标准，使教学更贴近企业真实工作流程。在材料力学教学改革中，“工单制”教学模式作为一种融合了项目管理、工学结合与任务驱动理念的新型教学形态，与PBL (基于问题的学习)、CDIO (构思–设计–实现–运作)、能力本位教育(CBE)等模式既有共同之处，也存在显著差异。
“工单制”教学模式的理论创新主要体现在以下几个方面：首先，其以“工单”为任务载体，融合项目管理流程与工学结合理念，通过具体化和可操作化的教学流程，增强了教学的实践性和针对性；其次，借助数字化教学平台，“工单制”实现了教学过程的高效组织和动态评价，显著提升了教学效率和学生参与度；最后，通过引入工程师参与工单设计，“工单制”将教学内容与企业需求紧密结合，使学生能够在接近真实生产情境中锻炼解决实际问题的能力。这种模式既继承了PBL、CDIO和CBE等模式的核心理念，又通过任务驱动与校企协同的双重路径，实现了对现有理论的情境化融合与创新应用，为材料力学教学改革提供了系统而可操作的实施框架。
3. “工单制”教学模式设计
3.1. 教学目标
“工单制”教学模式以学生为中心，依托具体工单任务引导学生主动探索和解决问题，旨在激发学习兴趣与创造力，强化自主学习与终身学习能力。该模式注重培养学生独立思考与工程实践能力，使其从被动接受知识转变为积极建构者和解决者。结合CDIO工程教育理念，融合启发式与研究式教学方法，教师通过设定课题、提供材料与提示，引导学生自主研究并协作得出结论，从而系统培养其分析、协作与创新思维[9]。同时，通过紧密对接行业实际需求，及时引入企业真实项目与技术标准，增强教学内容的时效性与应用性，有效提升学生的职业素养和岗位适应能力，为其职业发展奠定坚实基础。
3.2. 教学内容
“工单制”教学模式整合理论、实验与项目三类教学内容，通过模拟真实工作流程和任务情境，帮助学生系统掌握专业知识与实践技能。理论部分依托工单任务嵌入课程重难点，使学生在解决问题中深化对概念和原理的理解；实验操作通过模拟真实工作场景，训练学生的动手能力和诊断技能；项目实践则要求学生以团队形式完成从需求分析到设计实现的完整流程，强化工程综合实践与团队协作能力。教学评价注重多元维度，不仅关注知识掌握程度，更强调职业素养、创新与合作能力的培养，全面支撑应用型人才的成长。
3.3. 教学方法
该模式以工单为载体，融合案例分析、小组讨论与项目实践等多种方法，推动“做中学、学中做”[10]。教师通过发布工单、线上资源推送与学前测试，分析学情并明确任务目标。学生阅读工单并开展实际操作(如设备检查、模拟仿真等)，教师随后进行集中答疑与新知识讲解。小组讨论帮助学生交流观点、协同解决问题；项目实践则鼓励学生自组团队，选择基础性、综合性或设计性课题开展探索，并通过报告、自评、互评等方式完成过程与成果评估。整个教学过程突出学生主体性和教师引导作用，实现理论与实践深度融合，有效提升解决实际问题的能力与团队协作水平。
3.4. 教学评价
“工单制”教学评价体系强调过程性与终结性评价相结合，全面反映学生能力发展。过程评价涵盖课堂参与、作业完成、小组讨论、项目实施等多个环节，借助线上平台实时跟踪学习进展，为教学调整提供依据。结果评价则包括考试、报告、项目展示等形式，重点考查知识整合与实践应用能力。评价方式多元，整合教师评价、自评、互评、企业评估等主体，采用记录册、报告、评价量规等工具，建立科学可靠的评价系统[11]。该体系注重持续反馈与动态改进，帮助学生反思学习行为、提升元认知能力，同时推动教师优化教学设计，最终实现以评促学、以评促教，保障高素质应用型人才的培养质量。
4. “工单制”教学模式实施案例
本节将系统阐述“工单制”教学模式在材料力学课程中的实施背景、过程与整体效果，并辅以“起重机吊臂焊接接头设计与安全评估”这一具体工单案例进行深入剖析，旨在为教学模式的应用与推广提供理论与实践的双重支撑。
4.1. 工单设计
本工单旨在帮助学生融合应用“连接件的强度”与“应力状态与强度理论”等核心知识。其任务框架清晰定义了从分析到评估的完整工作流程，如图2所示。
Figure 2. Workflow of the work order task for the design and safety assessment of a crane boom welded joint
图2. 起重机吊臂焊接接头设计与安全评估工单任务流程图
本工单以“针对一款采用Q345钢板制造、最大起吊载荷5吨的小型起重机吊臂焊接接头进行设计与安全评估”为任务情境，旨在引导学生掌握接头受力分析与强度计算、应用第四强度理论、运用仿真软件分析应力分布与失效风险，并撰写符合行业规范的安全评估报告；任务流程完整覆盖从接头选型与受力分析、理论强度校核、仿真建模与分析到结果对比与安全评估，最终形成技术报告的工程实践全流程，并配套提供了设计手册、软件教程、材料参数及行业标准等资源，同时辅以明确量化的评价标准，确保学习目标的可达成性与可衡量性。
4.2. 流程安排
本工单实施周期为2周(共计4课时)，具体安排如下：第1周，学生在课前组建小组并自主查阅相关资料，课内则集中进行小组讨论，完成焊接接头的选型与理论计算，教师在此期间针对“焊缝许用应力取值”等共性难点进行集中讲解；第2周，课内教学转移至机房开展仿真建模与分析实操，教师重点辅导软件操作与结果解读，课后各小组需撰写并提交完整的技术报告，同时准备课堂展示，系统阐述其安全评估结论与工艺优化思路。
4.3. 成果展示
在实施过程中，学生成功实现了材料力学理论与焊接工程实践的有效融合。以某一优秀小组为例，他们通过仿真模拟获得了吊臂对接接头高能束加工的温度场云图(图3)，清晰揭示了加工区域存在“中心高温集中、外围温度梯度陡峭”的特征。这种温度分布虽能保证材料快速熔化实现冶金结合，但过度集中的高温可能导致局部晶粒粗大，而陡峭的梯度则可能引发残余应力基于此发现，该小组通过精确计算指出结构在最大载荷下安全裕度不足，进而创造性地提出了“采用削薄余高以平滑过渡”的工艺优化方案，并经仿真验证该方案可有效降低应力峰值约20%，充分展现了其将理论知识转化为工程解决方案的出色能力。
Figure 3. Temperature field contour during the welding process of the boom butt joint
图3. 吊臂对接接头焊接加工温度场云图
4.4. 教学反思
“起重机吊臂焊接接头设计与安全评估”工单的成功实施，是“工单制”教学模式有效性的一个缩影。它通过真实的焊接结构设计任务，将材料力学的抽象理论与焊接工艺、结构安全等专业知识有机融合。学生在完成“分析–设计–仿真–评估”的完整工作流程中，不仅深化了对强度理论等核心知识的理解，更重要的是培养了面向工程实际的安全责任意识与复杂问题解决能力。此模式有力地促进了理论与实践的螺旋式上升，为学生后续专业课程的学习及未来职业发展奠定了坚实的基础。
5. “工单制”教学模式的可行性分析
5.1. 技术可行性
当前材料力学教学面临重要挑战：知识点繁杂、公式抽象、推导过程难以掌握，易引发学生的畏难情绪。传统教学体系以杆件基本变形为主线，依赖较多学时，难以适应目前多数院校40~80学时的课程安排。相比之下，非传统体系整合内容、减少重复，更适合少学时教学。
“工单制”模式通过项目式工单任务，引导学生以小组形式开展工程问题建模、仿真或实验，有助于激发学习兴趣，提升团队协作与自主探索能力。其实施依赖于教学资源支持，包括实验设备、仿真软件和稳定的网络环境，同时要求教师具备跨学科整合能力和现代教学理念。目前，尽管硬件条件逐步改善，教师对新教学方法的适应与培训仍是关键。在有限条件下，“工单制”可逐步推行，并随资源优化不断扩展深化。
5.2. 经济可行性
实施“工单制”需一定初期投入，包括教学平台构建、教师培训及实践设备更新等成本。但从长远看，该模式能显著提升学生的实践能力和岗位适应性，减少企业后续培训投入，具有较高的成本效益比[12]。
学生通过“工单制”教学能够更快速适应职业环境，增强就业竞争力。企业可从中获得更符合需求的技术人才，节省招聘与培训开支。对社会而言，该模式有助于培养高素质技能型人才，促进区域产业升级和经济发展。因此，尽管存在前期投入，其长远经济回报和社会效益显著，具备良好的经济可行性。
5.3. 社会可行性
“工单制”教学模式通过贴近企业实际任务的教学设计，强化学生的职业技能和团队协作能力，受到学生、教师、家长和企业的多方关注。学生需适应任务导向的学习方式，自主思考和团队合作能力得到提升；教师则需转型为引导者，具备跨学科知识和行业经验。家长普遍关注子女通过该模式能否获得实用技能，但也存在对理论弱化的担忧。装备制造企业表现出高度支持，愿意提供实习机会和工单资源，参与人才培养过程，以期获得能快速胜任岗位的毕业生。该模式深化了校企合作，推动了教育链与产业链的对接，具备广泛的社会接受度和应用前景。
5.4. 政策可行性
国家和地方政府近年来出台多项政策，鼓励职业教育创新、深化产教融合，为“工单制”教学模式提供了有力的政策支持。教育部门强调实践育人、校企协同育人，鼓励学校引入企业真实项目和创新教学方式。
但同时，该模式也面临政策执行层面的挑战，如教师企业实践激励机制不完善、教学评价体系与传统差异较大、部分学校资源不足等。未来，随着职业教育改革持续深化，预计相关政策将更具体系化，资源支持力度也将不断加大。“工单制”符合新工科和教育现代化的方向，具有较好的政策环境和发展空间。
5.5. 挑战与对策
在推广“工单制”教学模式过程中，仍面临师资能力、设备资源、学生适应性与校企合作机制四方面挑战。教师普遍缺乏企业实战经验和项目化教学的系统训练，从“知识传授者”向“任务引导者”的角色转换存在难度；部分院校实验设备老旧、仿真软件不足，难以支撑全员参与的工单任务；部分学生习惯于被动学习，面对开放式任务易产生畏难情绪，小组协作中也容易出现参与度不均的现象；此外，企业参与工单设计的积极性不稳定，合作多停留在资源供给层面，缺乏深度融合与长效机制。这些问题若不能有效解决，将影响“工单制”实施的广度与深度。
为应对上述挑战，需采取系统化对策：在师资方面，推动教师赴企业实践锻炼，并组建跨学科教学团队，以提升其工程实践与工单设计能力；在资源方面，采用“虚实结合”方式，引入开源仿真平台与虚拟实验系统，分阶段推进工单实施，以弥补硬件不足；针对学生适应性差异，设计阶梯式工单任务，强化过程评价与贡献记录，并开设“工单学习工作坊”引导学生掌握自主探究与协作技巧；在校企合作方面，共建“工单资源库”，设立企业导师岗位，并积极引入政府或行业协会作为协调方，构建“校–企–行–政”协同育人机制，以增强合作的持续性与实效性。通过上述举措，可在现实条件下逐步突破瓶颈，为“工单制”的顺利推广提供有力支撑。
6. 结束语
本研究围绕“工单制”教学模式在材料力学课程中的应用展开系统探讨。实践表明，该模式以工单任务为驱动，通过重构教学流程、优化任务分配和完善课程反馈机制，有效提升了学生的专业技能、自主学习能力及工程问题解决能力，并促进了教学与实际岗位需求的紧密对接。然而，当前材料力学教学仍面临实验内容固化、资源有限、学生畏难情绪及跨学科能力不足等挑战。未来应持续推进教学改革，深化教学模式创新，优化教学内容，加强教师队伍建设，构建多元化、全过程的教学质量反馈机制，持续培养适应新时代制造业发展的高素质工程技术人才。
基金项目
本论文依托怀化学院校级教改项目“武陵山装备制造导向的材料力学工单教学模式研究”完成。
NOTES
*通讯作者。