周繼磊　程相孟　張東煥　李麗君　許英姿

[摘 要]為了適應工程教育認證體系下工程類專業(yè)學生培養(yǎng)目標的要求，針對傳統(tǒng)材料力學教學中存在的問題，文章主要從培養(yǎng)學生工程實際問題的力學建模能力、人文科學素養(yǎng)以及實驗設計與操作能力三個方面進行改革，提出相應的解決方案。這些方案對師資和實驗條件要求不高，且簡單易行，具有廣泛的適用性，可為其他高校材料力學的后繼改革提供有益參考。

[關(guān)鍵詞]工程教育認證;材料力學;教學模式;課程改革

[中圖分類號] G64[文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）04-0078-03

一、前言

美國工程與技術(shù)委員會（ABET）基于成果導向（Outcome-based Engineering Education）的工程教育認證理念，提出工程教育專業(yè)學生需具備應用數(shù)理與工程知識的能力，設計和操作實驗的能力，分析和處理數(shù)據(jù)的能力，識別、分析和解決工程問題的能力，以及人文科學素養(yǎng)和社會責任感等綜合能力和素質(zhì)。與美國等西方發(fā)達國家工程教育專業(yè)的學生相比，我國基于課程為導向的工程教育培養(yǎng)出來的學生雖然其數(shù)理、專業(yè)基礎扎實，邏輯思維能力強，但集成知識解決實際工程問題的能力弱，工程實踐中團隊合作缺乏訓練，人文科學素養(yǎng)和社會責任感欠缺。針對上述差距，我國從2006年開始全面構(gòu)建國際實質(zhì)等效的工程教育認證體系，于2013年加入《華盛頓協(xié)議》，從而為我國工程類畢業(yè)生走向世界提供具有國際互認質(zhì)量標準的“通行證”。

材料力學作為高等院校土木工程、機械工程等諸多工科專業(yè)課程中的一門重要基礎應用課程，不僅為后續(xù)專業(yè)課程學習提供基礎性支撐平臺作用，而且在工程結(jié)構(gòu)設計與分析中有著廣泛應用，其課程改革是我國工程教育認證體制改革過程中必不可少的環(huán)節(jié)。另外，工業(yè)界對我國高校工科畢業(yè)生力學等專業(yè)基礎知識的掌握狀況和應用能力評價不高， 甚至還有不少嚴厲的批評[1]。因此，以工程教育認證為導向的材料力學教學改革勢在必行。近三年來，我國高校教育工作者根據(jù)工程教育認證理念要求，相繼對材料力學課程的教學理念、教學內(nèi)容和教學方法以及考核方式改革進行了有益探索[2-4]。

我校力學教研組在各種校級和省級教研項目支持下對全校力學教學進行了廣泛深刻的改革。比如為積極響應學校課程信息化教學改革，逐步推進數(shù)字化教學資源建設，完整搭建了課程網(wǎng)絡教學平臺[5-6]，把CAE軟件應用到課程教學當中[7]，引申觸類[8]、教學內(nèi)容的解構(gòu)與重構(gòu)[9]、多元混合教學模式[5，10]等新的教學思想、教學理念和教學手段及方法不斷得以提出和完善，激發(fā)了學生學習的主動性與參與性，改革成效顯著。但與基于成果為導向的工程教育認證要求相比，目前我校的材料力學教學還存在以下三個主要問題：一是學生的工程實際問題的力學建模能力薄弱，二是學生的人文科學素養(yǎng)和社會責任感欠缺，三是學生的實驗設計和團隊協(xié)作能力不強。雖然其他工科院校為解決上述問題提出了一些解決方案[11-12]，并取得了一定效果，但學校之間的師資和設備條件差異較大，在一定程度上限制了推廣和應用。

我們力學教研室在材料力學課程所取得的一系列改革成果的基礎上，根據(jù)我校材料力學教學改革現(xiàn)狀和師生特點，主要對培養(yǎng)學生工程實際問題的力學建模能力、人文科學素養(yǎng)以及實驗設計與操作能力這三個方面進行改革，提出相應的解決方案。

二、學生力學建模能力的培養(yǎng)

提高學生的力學建模能力是課程體系、知識結(jié)構(gòu)變化的需要，也是當今我國工程教育認證改革的要求。目前國內(nèi)材料力學教材中的大部分實例都是從現(xiàn)實工程結(jié)構(gòu)直接簡化而建立的抽象力學模型[13]，學生在學習過程中并不了解這些簡化的力學模型是如何從實際工程問題中轉(zhuǎn)化而來的，因為他們?nèi)狈χ苯拥母行哉J識[13]。從工程結(jié)構(gòu)到力學建模是一個非常復雜的過程，而學生往往缺乏將復雜的工程結(jié)構(gòu)簡化為力學模型的能力，這就造成其基礎力學理論知識與其實踐認知環(huán)節(jié)脫節(jié)。

針對上述問題，我們在制作課件和講授課程內(nèi)容時采取四步走策略：一是工程問題描述和解釋（包括工程和生活實際的照片或圖片），二是力學模型的抽象與簡化，三是材料力學基本理論和公式的推導，四是利用基本理論和公式對簡化模型進行具體分析計算。其相應的分析流程如圖1所示。由于我們講授的都是成熟的理論和方法，可忽略“力學模型修正”這一環(huán)節(jié)。與傳統(tǒng)授課不同的是，我們增加了“力學模型的抽象與簡化”這一環(huán)節(jié)，同時在學時不變的情況下調(diào)整授課內(nèi)容和增加課件制作內(nèi)容。

工程問題力學模型的抽象和簡化是一個非常復雜的過程，涉及辯證唯物主義哲學觀和方法論。人們對大自然和工程問題的認知是一個由簡單到復雜、由特殊到一般的過程，受到人類自身科技發(fā)展水平的制約，為了研究工程背后的科學問題，只能抓住主要矛盾，在滿足工程要求和特定適用條件下忽略次要矛盾，提出理想化的簡單力學模型。在這個過程中如何準確把握具體的工程問題與抽象的力學模型之間的度是十分關(guān)鍵的。在適當?shù)臅r候， 對具體問題給出一定的假設、條件可能是解決問題的關(guān)鍵，但過多地假設會導致結(jié)論錯誤。這個度的把握取決于思維、方法和實踐。我們在講授材料力學基本變形、組合變形的受力與變形特點時，首先給出實際工程圖，并針對典型問題開展如何從工程實際問題提煉力學模型的訓練。力學模型的抽象和簡化主要包括空間問題向平面問題的簡化，非線性問題到線性問題的簡化，各種類型約束的簡化，不同幾何尺寸和截面形狀結(jié)構(gòu)的簡化，荷載形式的簡化等。得到簡化后的平面圖形力學模型后，就可利用相關(guān)力學的基本理論和方法對所建模型進行變形和受力分析，以獲得工程實際問題的解決方案。在實際考核時，可在期末考試試題中設計一個工程實際問題，配上現(xiàn)實工程結(jié)構(gòu)圖例，要求學生對其進行力學建模，并寫出其強度、剛度分析的主要思路。

另外，我們在授課之外鼓勵學生閱讀一些相關(guān)力學史類書籍和學習相關(guān)的公開課，如網(wǎng)易公開課的“力學概論”“材料力學漫談”“力學與生活”“現(xiàn)代力學與工程分析”等課程，使學生認識到力學知識來源于生活和工程實踐，增強學生對力學課程的認同感。

三、學生人文科學素養(yǎng)的培養(yǎng)

在教學過程中強調(diào)重現(xiàn)知識的發(fā)現(xiàn)過程，引導學生重走先哲們探索、發(fā)現(xiàn)知識點的過程，從方法論角度培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力，也是當前以工程教育認證為導向的材料力學改革的一個重要方面[14]。為此，我們從材料力學發(fā)展史的角度，引入科學唯物辯證法和人文科學素養(yǎng)培養(yǎng)模式，在鞏固學生對基本理論和基本概念掌握基礎的同時，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力和批判性思維能力。

材料力學每一個基本理論的提出和完善都是經(jīng)過數(shù)代力學家和數(shù)學家的艱辛探索而形成的，其最初得出的結(jié)果往往是不完善甚至是錯誤的，但他們對科學真理的執(zhí)著追求與探索，以及對后繼科學家的指引和啟示永遠是這門科學的寶貴財富。我們增加從材料力學發(fā)展史的角度培養(yǎng)學生的人文科學素養(yǎng)這一環(huán)節(jié)不僅僅是簡單介紹這一理論成果是哪一位或哪些科學家提出的以及其成就如何，而且將他們在探索這一理論的曲折過程、導致有些結(jié)論不完善或錯誤的深層次原因，以及其個人科學素養(yǎng)和時代工程背景給學生展示出來，旨在培養(yǎng)學生的人文科學素養(yǎng)及其敢于接受任何失敗的創(chuàng)新意識、工程職業(yè)道德和社會責任感等基本能力和素質(zhì)。同時我們會把上述研究成果添加到材料力學網(wǎng)絡教學平臺上的教學資源中，供學生查閱和學習。

在具體實施上，我們把材料力學基本理論的形成分成不同模塊，包括拉壓變形理論（包括變截面、偏心拉壓結(jié)構(gòu)）、圓軸扭轉(zhuǎn)變形理論（包括變截面、非圓截面結(jié)構(gòu)）、梁彎曲變形理論、材料的本構(gòu)關(guān)系理論、復雜（或組合變形）應力狀態(tài)強度理論、壓桿穩(wěn)定理論、材料疲勞破壞理論。通過查閱力學史、通訊書稿、人物傳記、科學史等文獻資料，詳細整理和分析這些基本理論誕生時的時代工程背景、科學發(fā)展水平，對基本理論有過貢獻的力學家和工程師的個人知識素養(yǎng)及科學精神，他們在研究過程中采用的研究方法和結(jié)論缺陷，以及產(chǎn)生結(jié)論缺陷甚至錯誤的根本原因，把材料力學各基本理論的形成和發(fā)展過程脈絡清晰地展現(xiàn)給學生，引起他們的共鳴，激發(fā)他們對追求真理和科學知識的興趣。

四、學生實驗設計與操作能力的培養(yǎng)

做材料力學實驗時，教師以講解為主，并為學生進行演示，實驗過程過于流程化，學生自主設計實驗能力以及團隊協(xié)作精神沒有得到很好地體現(xiàn)。另外，隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多新型復合材料，其力學性能與傳統(tǒng)材料差異明顯，而在材料力學性能實驗中并沒有與現(xiàn)實工程實際很好地結(jié)合起來。因此，我們在做實驗部分的考核時，除了要求學生完成常規(guī)的拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲等驗證性實驗之外，還根據(jù)當前的實驗設備條件和力學教研室的研究方向，增設一些基于工程背景的開放性、創(chuàng)新性實驗，如橫力彎曲梁的彎曲正應力電測實驗（實驗結(jié)果與彈性力學解析解對比，驗證不同高跨比下純彎曲正應力公式計算誤差）、復雜應力狀態(tài)外力測試實驗（利用廣義胡可定律反推外力）和新型復合陶瓷材料高溫、超高溫強度拉伸、彎曲強度實驗（測量陶瓷材料的溫度相關(guān)性本構(gòu)關(guān)系）。學生通過自行設計實驗方案，獨立完成實驗操作及對實驗數(shù)據(jù)的整理分析后，既能更好地掌握相關(guān)材料力學知識，也能促進其工程實踐能力提升及創(chuàng)新精神培養(yǎng)。其具體實施步驟如下：

（1）指導老師根據(jù)平臺資源和個人精力，選擇合適時段開出實驗，根據(jù)臺套數(shù)每次開出一組或多組實驗，通過網(wǎng)絡平臺發(fā)布相關(guān)背景知識和實驗指導資料，但不做具體現(xiàn)場實驗講解。

（2）學生自由組成小組，通過網(wǎng)絡平臺預約實驗，獨立完成實驗過程和數(shù)據(jù)處理，必要的情況下由研究生實驗助理協(xié)助處理相關(guān)技術(shù)問題。

（3）學生完成實驗后，可自由發(fā)揮撰寫實驗報告（不指定報告模板），指導老師對實驗及其報告做出評價。

五、結(jié)語

根據(jù)工程教育專業(yè)認證的要求，本文針對目前材料力學教學中存在的問題，在教學環(huán)節(jié)中引入實際工程結(jié)構(gòu)力學建模過程，完善科學研究的整個流程，即科學來源于實踐并如何指導實踐，進一步培養(yǎng)學生利用所學知識解決實際工程問題的能力。從材料力學發(fā)展史的角度，引入人文科學素養(yǎng)培養(yǎng)模式，培養(yǎng)學生敢于接受任何失敗的創(chuàng)新意識、工程職業(yè)道德和社會責任感等基本能力和素質(zhì)。在教學過程中引入實際工程結(jié)構(gòu)，增加“力學模型的抽象與簡化”這一環(huán)節(jié)，提高學生解決實際工程問題的能力。增設一些基于工程背景的開放性、創(chuàng)新性實驗，讓學生參與到創(chuàng)新實驗的設計環(huán)節(jié)中，加強材料力學與現(xiàn)有材料科學研究前沿的聯(lián)系，激發(fā)學生的學習積極性。通過材料力學課程的教學改革，可為實現(xiàn)我校由基于課程為導向的工程教育理念向基于成果導向的工程教育認證理念的轉(zhuǎn)變提供有效途徑。這些方案對師資和實驗條件要求不高，簡單易行，可為其他高校材料力學的后繼改革提供有益參考。

[ 參 考 文 獻 ]

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[14] 隋允康， 宇慧平，? 杜家政. 材料力學：桿系變形的發(fā)現(xiàn)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[責任編輯：龐丹丹]