汪道兵 許月梅 張向東

［摘 要］ 新工科教育的目的是培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和高素質的交叉復合型工程技術型卓越人才，以適應未來產業(yè)的發(fā)展變化，更加注重的是教改實際成效。在此背景下，培養(yǎng)學生運用力學思想解決復雜工程問題的能力變得越來越重要。在“材料力學”的教學過程中，基于工程問題驅動的教學理念和設計模式，從實驗教學、課堂講授、學科競賽、研究訓練計劃項目和本科畢業(yè)設計論文等幾個層面，論證了相關的教學示范案例，培養(yǎng)了學生對力學課程的學習興趣和自主學習能力，培養(yǎng)了學生的建模能力和力學思維，有效提高了力學課程的教學效果。

［關鍵詞］ 工程問題；材料力學；能力培養(yǎng)；力學思維

［基金項目］ 2021年度北京石油化工學院教學改革和研究項目“基于工程問題驅動模式的《材料力學》課程教學改革實踐與探索”（ZDFSGG202102006）

［作者簡介］ 汪道兵（1985—），男，安徽桐城人，博士，北京石油化工學院機械工程學院講師，主要從事新能源科學研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）10-0097-04［收稿日期］ 2022-05-16

引言

近幾年，新工科工程教育理念已在全國理工科院校如火如荼展開，新工科教育的目的是培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和高素質的交叉復合型工程技術型卓越人才，以適應未來產業(yè)的發(fā)展變化，更加注重的是教改實際成效［1］。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能和云計算等技術的快速發(fā)展，IT技術已滲透到各行各業(yè)中，不斷出現(xiàn)工程的新業(yè)態(tài)，從而給未來技術和產業(yè)發(fā)展帶來了新機遇與新挑戰(zhàn)［2］。在這一背景下，讓學生運用工程力學思維去解決各行各業(yè)復雜工程問題的能力顯得越來越重要。“材料力學”是研究物體變形規(guī)律的一門科學，研究結構構件和機械零件承載能力，是機械工程類專業(yè)主干技術基礎課，對提高學生工程概念有重要作用。然而，目前“材料力學”課程教學以滿堂灌輸式教學為主，學生處于被動接受知識的狀態(tài)。加之“材料力學”涉及內容繁多，力學原理和力學概念比較抽象，理論公式推導過程十分復雜，為保證講授過程理論知識的完整性，易使教師陷入照本宣科式教學的誤區(qū)。加上課程多媒體PPT翻頁速度較快，學生對一些關鍵知識理解程度不足，因此使學生對本門課程缺乏學習興趣與動力，學習效果往往不夠理想。如此課程授課方式，導致學生力學知識掌握不牢，腦中建立的知識體系單一，從而偏離了以學生為中心的教學理念與培養(yǎng)目標。

問題驅動式教學法將拋棄傳統(tǒng)的以傳授知識為主、示例講解為輔的教學方式，注重以發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、思維培養(yǎng)為主的多維協(xié)同教學模式［3］。問題驅動教學法可顯著提高學生對力學課程學習的能動性和積極性，大幅提高學生授課過程中的參與度，激發(fā)學習熱情與求知欲，培養(yǎng)與活躍學生的力學工程思維?；趩栴}驅動的探究式“五步式教學法”以“導（導入）—學（自學）—講（精講點撥）—練（課堂課下訓練）—總（思維導圖總結）”為主要教學環(huán)節(jié)，旨在使教師上課思路清晰，教法得當，學生學習指向明確，知識記憶有載體，課下鞏固有針對性，課后復習有條理。充分體現(xiàn)“以學生為中心”的現(xiàn)代教育思想，從而打造高效學習課程。本論文主要研究通過基于工程問題為驅動教學模式下的“材料力學”課程范式教學改革，實現(xiàn)具有較強工程實踐能力和創(chuàng)新思維能力的高素質應用型人才的培養(yǎng)目標。在當前新工科大背景下，教改的重點是全面提升學生的自主學習能力、工程實踐能力與創(chuàng)新思維能力，從而全面提升學生的綜合素質，以實現(xiàn)培養(yǎng)跨學科、跨專業(yè)的復合型交叉人才的目標［4］。

一、基礎力學實驗，加強工程意識

在正式講授拉伸、剪切、扭轉等力學理論知識前，開展基礎力學實驗教學，首先以工程案例為切入點，引出實驗教學相關內容，而非直接講述力學實驗內容，這樣可讓學生知道力學知識來源于工程實踐，使得學生快速建立起力學理論與工程問題間的對應關系，增強學生的學習興趣。實驗教學環(huán)節(jié)分成實驗原理講解、實驗操作、數(shù)據(jù)處理與分析、實驗報告撰寫和實驗成績評定幾個部分。

北京石油化工學院機械工程基礎實驗中心建有工程力學基礎實驗室、材料力學性能測試實驗室，包括萬能拉伸實驗機、壓縮實驗機、扭轉儀等多臺相關力學設備。除此之外，還有高溫高壓巖石力學三軸試驗機、厚壁筒巖石膨脹致裂設備等力學相關的科研實驗設備。實驗教學采用分組模式進行，每組一般5～6名學生，有利于每名學生與老師互動，提高實驗授課效果。課前要求預習并完成預習報告。課中進行活動包括：（1）引入與實驗內容相關的工程力學問題，基于工程問題驅動學生進行思考，激發(fā)學習興趣和了解相關學習情境，學生主動提出相關的問題；（2）對于設備操作及實驗原理、實驗步驟進行講解；（3）學生分組實驗，完成原始數(shù)據(jù)的測量，實驗數(shù)據(jù)的記錄。課后學生撰寫實驗報告，對實驗數(shù)據(jù)進行分析和比較。為鞏固學生對力學實驗中相關概念和知識的理解，還設置了相關的思考題，加強鞏固學生的工程意識。對于學有余力的學生，鼓勵參與“巖石壓縮變形與破壞”“干熱巖水力壓裂”等相關實驗，進一步拓展學生的工程意識和力學思維能力。

在實驗成績評定方面：（1）實驗實施前。指導教師根據(jù)學生預習報告完成情況和質疑，了解學生是否達到實驗實施要求，學生達到要求后，教師在報告上簽字，可以給定預習成績，學生方可進行實驗；沒有達到預習要求的學生本次不能進行實驗；學生有兩次預習實驗機會，如第二次仍然沒有達到預習要求，本實驗需要重修，預習占總成績的20%。（2）實驗操作。教師根據(jù)學生實驗操作過程、數(shù)據(jù)采集情況、實驗結果記錄等評定學生成績，并在原始數(shù)據(jù)上簽字，可以給定實驗操作成績。實驗操作占總成績的20%。（3）實驗結果分析與實驗報告撰寫。教師根據(jù)學生實驗數(shù)據(jù)（結果）的分析情況、報告撰寫情況，評定學生成績。實驗結果分析與實驗報告撰寫占總成績的60%。

二、課堂工程案例引導，培養(yǎng)力學思維與建模能力

以石油工程中水力壓裂問題為案例，創(chuàng)設力學問題的工程實踐情境，從而有效引導學生以真實的任務進入學習情境，使學習過程更加形象化，體會過程更加深刻。水力壓裂過程包括巖石的拉伸、壓縮、剪切等變形與破壞過程，還涉及力學強度準則與材料失效問題，是一個較好的展示“材料力學”所有相關力學理論與知識的綜合性案例，完全來源于石油工程現(xiàn)場實踐。

在創(chuàng)建的工程問題情境下，選擇將拉壓變形與破壞形態(tài)這一主題作為工程問題驅動的學習中心內容，提出“水力壓裂是流體驅使裂紋尖端向前擴展的過程，屬于拉伸破壞還是剪切破壞？”這一問題，引導學生帶著工程問題去解決相關的水力壓裂力學問題。該力學問題的解決可使學生更積極主動地學習，有效激活學生的原有知識體系和學習經驗，促使學生理解、分析并解決當前問題能力的提升，將解決問題過程變?yōu)榇罱ㄐ屡f知識銜接的理想平臺。通過解決工程力學問題來建構相關的知識體系，這正是探索性自主學習的重要特征。

學生通過自主學習、協(xié)作配合等學習方式來解決力學問題，培養(yǎng)力學思維與建模能力。以學生為中心，教師向學生提供解決該問題的有關線索，主要通過壓裂相關文獻查閱、水力壓裂物模實驗和有限元軟件ABAQUS數(shù)值模擬等幾個方面，提供相關軟件操作視頻等信息資料，強調發(fā)展學生的自主學習能力。學生在實驗或者力學建模過程中，思考如何將水力壓裂問題轉換為力學模型或者相似實驗條件。同時，倡導學生之間充分討論和交流意見，通過對不同觀點的交鋒、修正、補充和完善，加深每個學生對當前問題解決方案的認識和深刻理解。并要求學生以大作業(yè)形式，分組匯報，作業(yè)中明確每個學生在此過程中的貢獻。

最后，對最終學習效果的評價包括兩部分內容，一是評價學生是否完成當前問題的解決方案的過程和結果，即評價所學知識的意義；二是評價學生自主能力學習與協(xié)同配合的學習能力。

三、鼓勵學生參加學科競賽和URT項目，培養(yǎng)創(chuàng)新能力

北京石油化工學院設有北京市節(jié)能節(jié)水低碳減排大賽、全國大學生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽、全國周培源大學生力學競賽和大學生研究訓練計劃項目（URT）等，通過讓學生參加這些學科競賽和URT項目，教師通過設置相關的力學問題，可培養(yǎng)學生在力學知識方面的應用與創(chuàng)新能力。

1.在學科競賽方面，以干熱巖新型能源為研究對象，干熱巖儲層內蘊含非常豐富的地熱能資源，是21世紀最有前景的新型能源之一。目前提取干熱巖熱能的主要技術是水力壓裂。傳統(tǒng)的水力壓裂以水為工作介質，存在消耗大量水資源的問題，且其所用的壓裂液及返排液含有大量化學成分，極易造成水資源污染等難題。教師針對液氮壓裂這一工程力學問題，引導學生思考背后的力學問題，教師提供相關的文獻和參考書，帶領學生開展相關實驗與數(shù)值模擬分析，學生在此過程中鍛煉了創(chuàng)新思維能力，提高了力學知識應用能力，極大激發(fā)了他們對“材料力學”這門課的學習興趣，能夠學有所用，用有所獲。通過這項比賽，帶領學生榮獲北京市節(jié)能節(jié)水低碳減排大賽三等獎3次。

2.在URT項目方面，同樣以部地熱增強型地熱系統(tǒng)為研究對象，讓學生進行國內外文獻調研，發(fā)現(xiàn)通過水力壓裂改造形成人工熱儲裂隙系統(tǒng)是經濟開采深層熱能的有效方法。然而，由于干熱巖埋藏較深，巖石塑性特征增強，使人工裂縫復雜性程度降低，易導致注水井和生產井之間形成短路，產生“熱突破”現(xiàn)象，即換熱面積和換熱時間縮小，從而導致生產井井口溫度過低而喪失利用價值。因此，如何增強縫網復雜程度是提高干熱巖采熱效率的關鍵問題之一。針對此地熱高效取熱這一工程問題，教師向學生提出，應該通過什么樣的壓裂技術可以克服上述瓶頸問題，最后借鑒傳統(tǒng)油氣暫堵轉向壓裂技術，應用于干熱巖高效造縫，提高采熱效率。但是與油氣不同的是，干熱巖需要考慮溫度對裂縫暫堵轉向的影響，由此指出了里面的力學問題，驅動學生就高溫作用下巖石成縫能力、暫堵轉向壓裂裂縫擴展規(guī)律和裂縫參數(shù)優(yōu)化設計等幾個力學問題開展研究學習。針對每個學生的研究興趣和特長，通過高溫高壓巖石力學實驗、水力壓裂大物模實驗、有限元模擬和Meyer壓裂軟件優(yōu)化計算參數(shù)等，拓寬了學生視野，與課堂所學知識互補。

四、指導學生本科畢業(yè)設計論文，培養(yǎng)綜合應用力學能力和力學思維

教師以水力壓裂中的工程力學問題為驅動，在正式選題前向學生講解相關的壓裂技術與流程，然后向學生提出該壓裂技術里面的核心與關鍵所在，據(jù)此設計相關的畢業(yè)設計題目，學生可快速了解畢設內容的工程意義，有較強信心與興趣開展相關的文獻查閱工作，從而開展數(shù)值模擬與實驗研究，3年以來共指導了十幾名學生本科畢業(yè)設計論文，選取水力壓裂過程中暫堵劑顆?！w粒間力學作用、不同起裂位置的裂縫擴展、水力裂縫中流動傳熱和薄互層穿層壓裂等幾個不同主題，使學生綜合應用材料力學、巖石力學、流體力學和流固耦合算法等知識，綜合應用力學能力和力學思維，培養(yǎng)了學生畢業(yè)后利用力學理論解決相關工程問題方面的能力，能更好地適應相關工作崗位。

以低滲透油氣藏薄互層油氣藏穿層壓裂為主題，由于薄互層油藏滲透率較低，通過水力壓裂形成人工裂縫以建立高滲透通道是提高薄互層油藏滲透率的關鍵技術。然而，由于薄互層油藏構造復雜，砂泥巖交替出現(xiàn)，很難將縫高控制在儲層，導致壓裂效果不理想。利用有限元分析軟件ABAQUS，通過cohesive單元內聚力破壞模型，對水力壓裂縫高擴展規(guī)律開展了數(shù)值模擬研究，分別建立了對稱和非對稱條件下的三層和五層薄互層壓裂有限元模型，分析了巖石彈性模量、地應力差、注液排量和抗拉強度等因素對薄互層油藏水力壓裂過程中縫高擴展的影響。通過對比對稱與非對稱壓裂模型，分析以上因素對不同模型縫高擴展規(guī)律差異。此論文獲得北京石油化工學院校級優(yōu)秀畢業(yè)論文，該名學生進入石油石化相關部門工作，為以后從事相關問題研究工作奠定了良好基礎。學生說通過完成此次畢業(yè)論文，第一次全面地研究、分析了一個課題，在整個模擬分析過程中，學會了如何獨立地思考。可見，通過工程問題的驅動，對力學思維的培養(yǎng)起了很好的促進作用。

結語

“材料力學”課程力學概念多、理論知識復雜抽象、力學建模思維培養(yǎng)難度大，本文以工程問題驅動為教學理念和設計模式，從實驗教學、課堂講授、學科競賽、研究訓練計劃項目和本科畢業(yè)設計論文等幾個層面，通過開展相關教學方法改革實踐，以學生學習為中心，發(fā)現(xiàn)基于工程問題驅動的教學模式，可為學生提供體驗工程實踐的情境和感悟工程問題的情境，使學生圍繞工程任務開展自主學習，通過任務的完成結果對學習過程進行檢驗和總結等，從而改變學生的被動學習模式，使學生大腦中建立了研究、思考、實踐、運用、解決問題的思維體系。該教法將理論與實踐有效銜接起來，將傳統(tǒng)的枯燥無味的抽象學習模式轉變?yōu)樯鷦有蜗蟮淖灾鲗W習模式。在當前新工科大背景下，本文提出的教學改革思路可大幅提升學生的自主學習能力、工程實踐能力與創(chuàng)新思維能力，從而全面提升學生的綜合素質，以實現(xiàn)培養(yǎng)跨學科、跨專業(yè)的復合型交叉人才的目標。

參考文獻

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［2］葉民，孔寒冰，張煒.新工科：從理念到行動［J］.高等工程教育研究，2018（1）：24-31.

［3］崔瀅，郭東巖，高華.問題驅動式程序設計語言教學改革探討［J］.2021（5）：87-90.

［4］彭紅兵.應用型人才培養(yǎng)下《材料力學性能》課程教改實踐［J］.創(chuàng)新教育，2017（32）：222-225.

Teaching Reform of the Mechanics of Materials Course Based on Engineering Problem-driven Method

WANG Dao-bing， XU Yue-mei， ZHANG Xiang-dong

（School of Mechanical Engineering， Beijing Institute of Petrochemical Technology，

Beijing 102617， China）

Abstract： The purpose of emerging engineering education is to cultivate outstanding talents with entrepreneurship and innovation ability and high-quality cross-composite engineering and technology to adapt to the development of the future industry， which pays more attention to actual results of teaching reform. In this context， it is becoming more and more important to cultivate students ability to use the ideas of mechanics to solve complex engineering problems. In the teaching process of the Mechanics of Materials course， based on the teaching concept and design model driven by engineering problems， the relevant teaching cases are demonstrated from the aspects of experimental teaching， classroom lecturing， subject competitions， research training programs and undergraduate graduation design thesis. It cultivates students interest in mechanics courses and independent learning ability cultivates students modeling ability and mechanics thinking， and effectively improves the teaching effect of mechanics courses.

Key words： engineering problems; Mechanics of Materials; ability training; mechanics thinking