新工科背景下材料力學(xué)性能課程教學(xué)改革

張國尚　馮日寶　紀(jì)朝輝

[摘 要]針對材料力學(xué)性能課程教學(xué)內(nèi)容與民航結(jié)合不夠緊密、學(xué)科交叉滲透不深入的現(xiàn)狀，學(xué)校在新工科背景下借鑒“跨學(xué)科”課程的教學(xué)方法對教學(xué)內(nèi)容有機(jī)融合，突出工程能力、專業(yè)英語應(yīng)用能力、科學(xué)精神與人文素養(yǎng)、創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)。此外，還要優(yōu)化教學(xué)方法和手段、建立多元化考核評價(jià)體系。通過以上措施，收到了較好的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]新工科背景;教學(xué)內(nèi)容融合;教學(xué)方法和手段;多元化考核評價(jià)

[中圖分類號] G642.0[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）04-0075-03

材料力學(xué)性能是材料類專業(yè)一門必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，講述材料在外加載荷和環(huán)境因素聯(lián)合作用下表現(xiàn)出變形、損傷與斷裂的行為規(guī)律和物理本質(zhì)以及評定方法，是各類材料在實(shí)際應(yīng)用中必須涉及的共性問題[1]。該課程作為一門材料科學(xué)和力學(xué)兩個學(xué)科交叉形成的課程，隨著新型材料的不斷涌現(xiàn)以及現(xiàn)代力學(xué)理論的不斷發(fā)展，現(xiàn)有教學(xué)過程中存在的內(nèi)容老化、學(xué)科交叉與融合不夠深入等問題愈加突出。此外，傳統(tǒng)的教學(xué)模式存在重理論、輕實(shí)踐，重知識、輕能力的現(xiàn)象，使培養(yǎng)出的大多數(shù)學(xué)生缺乏創(chuàng)造性的分析問題和解決問題的能力，越來越顯現(xiàn)出其弊端[2]。我校材料類絕大多數(shù)畢業(yè)生在民航系統(tǒng)內(nèi)從事與機(jī)務(wù)維修相關(guān)的工作，大量新材料、新技術(shù)在民航中的廣泛應(yīng)用以及國產(chǎn)飛機(jī)、發(fā)動機(jī)創(chuàng)新型維修人才需求，迫切需要學(xué)校改革原有的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式。本文在新工科背景下借鑒國內(nèi)外“跨學(xué)科”課程的教學(xué)方法[3-7]，立足寬口徑、厚基礎(chǔ)、強(qiáng)能力、高素質(zhì)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合工程材料在民航應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，融入學(xué)科交叉理念、優(yōu)化教學(xué)方法和手段以及考核體系對材料類專業(yè)基礎(chǔ)課程材料力學(xué)性能進(jìn)行了教學(xué)改革探索。

一、 結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)和民航應(yīng)用，教學(xué)內(nèi)容有機(jī)融合

（一）廣度與精度相結(jié)合，緊跟時代發(fā)展

大學(xué)教育為一種通才教育，新形勢下大學(xué)生就業(yè)呈現(xiàn)多元化趨勢，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)具有一定的廣度。國內(nèi)現(xiàn)有的材料力學(xué)性能教材以講述傳統(tǒng)金屬材料的力學(xué)性能為主，對廣泛應(yīng)用的復(fù)合材料、電子材料的力學(xué)性能涉及很少，甚至國內(nèi)所有教材均未涉及已在A380、B787上開始應(yīng)用且極具前景的熱塑性復(fù)合材料的獨(dú)特力學(xué)性能，一些如“云計(jì)算”“大數(shù)據(jù)”等最新研究成果也未包含在教材中。因此，結(jié)合我校學(xué)科特色，注重講解材料力學(xué)性能知識在民航中的應(yīng)用，使學(xué)生切實(shí)體會到學(xué)有所用，既增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的興趣，又鍛煉了理論聯(lián)系實(shí)際的能力。例如，復(fù)合材料部分結(jié)合實(shí)物對該材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、制造工藝及檢測方法、失效模式與機(jī)制等進(jìn)行了系統(tǒng)講述，并與金屬材料作了對比。因本門課程包括實(shí)驗(yàn)在內(nèi)僅有36學(xué)時，對于其他課程中已有所涉及的部分，如金屬的拉伸曲線在工程力學(xué)課程中已詳細(xì)講述，則進(jìn)行了刪減。

（二）力學(xué)理論與材料結(jié)構(gòu)相結(jié)合，理解失效機(jī)理

現(xiàn)有大部分教材中將力學(xué)只作為材料表征的一種手段，對力學(xué)的一些經(jīng)典理論、適用范圍很少提及，使學(xué)生很難深入理解力學(xué)指標(biāo)的意義。相反，有些教材從力學(xué)角度講述該課程，對材料力學(xué)性能變化的原因很少涉及，使學(xué)生很難領(lǐng)悟材料性能變化的深層原因。因此，在新工科強(qiáng)調(diào)打破學(xué)科壁壘的背景下，教學(xué)中以問題作為學(xué)科間連接的中心，在介紹力學(xué)性能指標(biāo)建立的背景、適用范圍基礎(chǔ)上講述材料的力學(xué)性能特點(diǎn)，突出材料力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

（三）與學(xué)科發(fā)展歷史相結(jié)合，融入科學(xué)精神與人文素養(yǎng)

自然科學(xué)與人文社會科學(xué)交叉滲透已是不爭的事實(shí)，科學(xué)精神與人文素養(yǎng)相融合在高等教育中具有重要意義[8]。材料力學(xué)性能中每次課都針對某一主題展開，開展專題教學(xué)，在教學(xué)過程中有機(jī)融入發(fā)展歷程有助于學(xué)生理清學(xué)科發(fā)展脈絡(luò)，了解學(xué)科發(fā)展趨勢。例如，在簡要講述疲勞研究發(fā)展歷程時，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)直到20世紀(jì)50年代英國“彗星”號噴氣客機(jī)發(fā)生一系列災(zāi)難性事故后，飛機(jī)的疲勞設(shè)計(jì)才受到人們的重視。同時，引入一些促進(jìn)學(xué)科發(fā)展的名人軼事，如HOOK定律的發(fā)現(xiàn)者很早就提出了應(yīng)當(dāng)將力學(xué)性能同材料的微觀結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來;氫脆部分則列舉了我國著名材料學(xué)家李薰由于1945年揭示了鋼中氫脆的奧秘，而對科學(xué)界做出了重要貢獻(xiàn)。這些中外科學(xué)家的成才道路、研究方法、治學(xué)精神和哲學(xué)思想，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的創(chuàng)新思維方式。

（四）國內(nèi)與國外經(jīng)典教材相結(jié)合，強(qiáng)化外語應(yīng)用能力

隨著全球一體化進(jìn)程的加快，國際交流日益頻繁，大部分學(xué)生的畢業(yè)后在日常工作中離不開英文的閱讀、翻譯，如果在民航系統(tǒng)內(nèi)工作則不可避免地遇到大量專業(yè)術(shù)語，因此在專業(yè)英語的應(yīng)用方面應(yīng)有所加強(qiáng)。通過選用國內(nèi)與國外經(jīng)典教材（國內(nèi)采用西北工業(yè)大學(xué)出版社出版、鄭修麟主編的《材料的力學(xué)性能》，國外采用Mc Graw Hill Education 出版、Thomas H.Courtney主編的Mechanical Properties of Materials，對相關(guān)術(shù)語及理論開展了雙語教學(xué)，并在作業(yè)及課外資料中大量采用英文，提高了學(xué)生對外語的綜合運(yùn)用和表達(dá)能力。

（五）與科研相結(jié)合，加強(qiáng)綜合能力培養(yǎng)

本專業(yè)教師均具有在企業(yè)工作或民航相關(guān)企事業(yè)單位鍛煉的經(jīng)歷，并主持或參與了大量國家級及省部級科研項(xiàng)目，將非涉密的科研成果引入課堂可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、加深學(xué)生對相關(guān)內(nèi)容的理解，并有助于學(xué)生了解學(xué)科前沿知識[9]。根據(jù)生產(chǎn)及科研中遇到的實(shí)際問題，我們編寫了大量案例，并且對案例及時進(jìn)行補(bǔ)充、更新。一些案例在后續(xù)的專業(yè)實(shí)習(xí)中可看到具體應(yīng)用，可以設(shè)置問題讓學(xué)生在實(shí)習(xí)中尋找答案，引導(dǎo)學(xué)生將理論與工程實(shí)際相結(jié)合。例如，某飛機(jī)發(fā)動機(jī)制造廠渦輪葉片用的是什么材料，和其他材料相比力學(xué)性能有什么有優(yōu)點(diǎn)，其蠕變試驗(yàn)曲線為什么只測一小段，為什么渦輪葉片焊接后要測氫的含量，測量氫的含量需要用什么儀器等。這樣可以將工程材料、材料成型原理及工藝、材料結(jié)構(gòu)分析等課程中內(nèi)容與本課程聯(lián)系起來。

（六）豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維

實(shí)驗(yàn)課一方面可以使學(xué)生驗(yàn)證課堂上所講理論的正確性，另一方面可培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)造性思維能力，起到了其他教學(xué)環(huán)節(jié)不可替代的作用[10]。然而，長期以來我校的材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)課僅設(shè)置了“測量低碳鋼的洛氏硬度”“測低碳鋼的沖擊韌性”及“四球摩擦磨損試驗(yàn)”三個簡單試驗(yàn)，學(xué)生得不到應(yīng)有的鍛煉，也無法體現(xiàn)與其他課程的聯(lián)系及民航特色。為此，對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了擴(kuò)充與優(yōu)化。在硬度實(shí)驗(yàn)中，要求選擇合適的方法測試按波音公司熱處理工藝制備的4340鋼、7075鋁合金熱處理后的硬度，并與未經(jīng)熱處理試件的硬度值進(jìn)行對比，分析改性工藝對硬度的影響。在沖擊實(shí)驗(yàn)中，要求測試45鋼的韌-脆轉(zhuǎn)化溫度，并分析沖擊韌性值存在分散性的原因。在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)中，測試并分析不同工藝條件下的航空熱障涂層的耐磨損性能。此外，還開設(shè)了有關(guān)新型復(fù)合材料力學(xué)性能測試的選修實(shí)驗(yàn)課，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研、閱讀相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)文件實(shí)施實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和規(guī)范意識[11]。

二、優(yōu)化教學(xué)方法和手段， 豐富教學(xué)內(nèi)涵

（一）根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，多種教學(xué)方法綜合運(yùn)用

教學(xué)過程中離不開一定的方式或方法，各種教學(xué)方法既有其優(yōu)越的一面，也有其不可避免的弊端[12，13]。依據(jù)教學(xué)內(nèi)容，教師通過對問題驅(qū)動教學(xué)、啟發(fā)式教學(xué)等各種教學(xué)方法的綜合運(yùn)用，使學(xué)生以極大的熱情學(xué)好課程知識，實(shí)現(xiàn)以教為主向以學(xué)為主轉(zhuǎn)變。如在講述材料的斷裂時，首先從原子間相互作用模型出發(fā)，推導(dǎo)出材料的理論斷裂強(qiáng)度，但該強(qiáng)度值比材料的實(shí)際斷裂強(qiáng)度大1-3個數(shù)量級。這時教師可提出一個問題：導(dǎo)致此種差別的原因是什么？大多數(shù)學(xué)生通過思考認(rèn)為該模型假設(shè)材料為無缺陷的理想材料，而實(shí)際材料存在一定的缺陷。這時引出一個問題：材料中的缺陷有哪些形式，其是如何產(chǎn)生的？在討論完上述問題后，教師可介紹Griffith基于實(shí)際材料中存在微觀缺陷這一事實(shí)提出的計(jì)算模型。最后讓學(xué)生討論如果材料中缺陷很小或者幾乎沒有缺陷，這時會出現(xiàn)什么情況、有什么應(yīng)用。幾乎所有學(xué)生認(rèn)為此時材料的實(shí)際斷裂強(qiáng)度會接近材料的理論斷裂強(qiáng)度，不少學(xué)生還能聯(lián)想到工程材料課程中講述的碳納米管或石墨烯具有高強(qiáng)度可以用Griffith理論解釋。通過這種方法，可以鍛煉學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識的能力，同時學(xué)生也會對自己能用所學(xué)知識解決實(shí)際問題而感覺高興，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣。

（二）引入形象化教學(xué)，幫助學(xué)生理解

材料力學(xué)性能課程內(nèi)容繁雜，比較抽象，尤其斷口形貌、微觀結(jié)構(gòu)、變形過程與失效機(jī)制等很難通過語言來表達(dá)，學(xué)生理解起來相對困難。通過一些實(shí)物、圖片、動畫、視頻以及虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺等，將原來抽象、枯燥的知識形象化，可使學(xué)生易于理解和掌握，同時增大了教學(xué)信息量。如在講述裂紋尖端應(yīng)力場時，由于學(xué)生無彈塑性力學(xué)的相關(guān)基礎(chǔ)，理解起來比較困難。通過有限元分析軟件Ansys將應(yīng)力場模擬出來，可使應(yīng)力分布一目了然。

（三）利用網(wǎng)絡(luò)平臺，實(shí)現(xiàn)以課內(nèi)為主向課內(nèi)外結(jié)合轉(zhuǎn)變

教師利用學(xué)校的Bb平臺、云教學(xué)平臺將教案、多媒體課件、作業(yè)、習(xí)題、專家講座以及重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容制作的微課等資料等放在網(wǎng)上，一方面便于學(xué)生復(fù)習(xí)課上內(nèi)容、教師及時了解學(xué)生對知識的掌握情況，另一方面也可通過平臺實(shí)現(xiàn)師生互動、探討問題，滿足學(xué)生答疑需求。

為了培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐性、綜合性、創(chuàng)新性和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，我們開發(fā)了民用飛機(jī)及發(fā)動機(jī)維修虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。該平臺基于“數(shù)字飛機(jī)及發(fā)動機(jī)”概念，運(yùn)用三維軟件、動畫、視頻等形式將復(fù)雜的飛機(jī)及發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)形象地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，使學(xué)生結(jié)合實(shí)物快速了解相關(guān)構(gòu)造。材料方向以材料和結(jié)構(gòu)力學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合民用飛機(jī)的特點(diǎn)及飛機(jī)結(jié)構(gòu)修理手冊中的實(shí)例，重點(diǎn)關(guān)注民用飛機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、維修及適航審定中涉及的材料及其力學(xué)問題和解決方案。目前已開發(fā)了航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片焊接修復(fù)、航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片封嚴(yán)涂層修復(fù)及飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)身挖補(bǔ)式修復(fù)三個虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。例如，航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片焊接修復(fù)工藝制定和適航審定中需要獲取材料在不同工藝下的組織—性能間的關(guān)系。然而葉片修復(fù)具有高成本、不可逆等特點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)獲取相關(guān)規(guī)律在教學(xué)中并不可行，而且有些參數(shù)如熱影響區(qū)力學(xué)性能并不能直接通過測試獲得，只能借助于物理仿真或數(shù)值模擬方法。因此，在該項(xiàng)目中以航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片修復(fù)為工程背景，圍繞其蘊(yùn)含的材料“成分—工藝—組織—性能”間的關(guān)系這一科學(xué)問題，以實(shí)物演示輔助、運(yùn)用虛擬仿真手段設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、探究規(guī)律，并與典型試件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證仿真結(jié)果的合理性。采用虛實(shí)結(jié)合、團(tuán)隊(duì)研討等方式使學(xué)生掌握葉片焊接的修復(fù)工藝—組織—力學(xué)性能間的關(guān)系及在適航審定中的應(yīng)用。這種“發(fā)散思維+數(shù)學(xué)建模+科學(xué)計(jì)算+實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)+參數(shù)優(yōu)化+工程實(shí)踐”的培養(yǎng)模式，增強(qiáng)了學(xué)生解決復(fù)雜工程、實(shí)踐創(chuàng)新、團(tuán)隊(duì)合作和溝通的能力。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺已經(jīng)用于專業(yè)其他課程、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目及畢業(yè)設(shè)計(jì)，受到了學(xué)生的好評。

三、優(yōu)化考核方法，形成多元化考評體系

考試是教學(xué)過程的一個重要環(huán)節(jié)，考核評定模式對學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)起到重要的導(dǎo)向作用。過去的考試方法比較單一，期末考試幾乎決定了學(xué)生一學(xué)期的成績，會導(dǎo)致學(xué)生對平時學(xué)習(xí)重視不夠、臨考突擊的現(xiàn)象，也很難綜合評定學(xué)生的自學(xué)能力、分析解決問題的能力以及動手能力等。因此，應(yīng)采取綜合的考核方法，由單純的終結(jié)性教學(xué)評價(jià)模式向形成性和終結(jié)性相結(jié)合的教學(xué)評價(jià)模式轉(zhuǎn)變，由以結(jié)果評價(jià)為主向結(jié)果過程評價(jià)結(jié)合轉(zhuǎn)變。為全面反映學(xué)生的綜合能力，考試內(nèi)容、方式也應(yīng)具有多元性[14-16]。例如，期末成績由三部分構(gòu)成，即平時成績（回答問題、作業(yè)、讀書報(bào)告）占15%、實(shí)驗(yàn)占15%、期末考試成績占70%。其中，實(shí)驗(yàn)成績單獨(dú)考核，如果實(shí)驗(yàn)成績不及格，則總成績不及格。期末考試內(nèi)容覆蓋每一章節(jié)，題型有填空、選擇、名詞解釋、計(jì)算和綜合分析題，其中綜合分析題來源于工程實(shí)際，需要學(xué)生發(fā)散思維，綜合運(yùn)用所學(xué)知識進(jìn)行創(chuàng)造性回答。這種綜合評定方式使學(xué)生更注重平時的學(xué)習(xí)積累，減緩了期末考試的壓力。同時，教師可通過對學(xué)生各部分的成績分析，得知在教學(xué)中哪部分應(yīng)該改進(jìn)，以提高后續(xù)教學(xué)效果。

四、結(jié)語

通過初步的教學(xué)改革與探索，在考試難度略有增加的情況下，學(xué)生的考試成績、出勤率以及評教分?jǐn)?shù)比以前均有所提高。學(xué)生普遍反映課程條理清晰，教學(xué)內(nèi)容豐富、新穎，教學(xué)方法得當(dāng)，知識理解較容易，同時感到比較有趣。此外，該課程的教學(xué)改革也促進(jìn)了教師教學(xué)水平的提高，加深了對學(xué)生的了解。

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[責(zé)任編輯：劉鳳華]