以工程教育認(rèn)證為導(dǎo)向的材料力學(xué)課程教學(xué)模式探索研究

周繼磊　程相孟　張東煥　李麗君　許英姿

[摘 要]為了適應(yīng)工程教育認(rèn)證體系下工程類專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)的要求，針對傳統(tǒng)材料力學(xué)教學(xué)中存在的問題，文章主要從培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)際問題的力學(xué)建模能力、人文科學(xué)素養(yǎng)以及實(shí)驗(yàn)設(shè)計與操作能力三個方面進(jìn)行改革，提出相應(yīng)的解決方案。這些方案對師資和實(shí)驗(yàn)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(xué)的后繼改革提供有益參考。

[關(guān)鍵詞]工程教育認(rèn)證;材料力學(xué);教學(xué)模式;課程改革

[中圖分類號] G64[文獻(xiàn)標(biāo)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(dǎo)向（Outcome-based Engineering Education）的工程教育認(rèn)證理念，提出工程教育專業(yè)學(xué)生需具備應(yīng)用數(shù)理與工程知識的能力，設(shè)計和操作實(shí)驗(yàn)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(xué)素養(yǎng)和社會責(zé)任感等綜合能力和素質(zhì)。與美國等西方發(fā)達(dá)國家工程教育專業(yè)的學(xué)生相比，我國基于課程為導(dǎo)向的工程教育培養(yǎng)出來的學(xué)生雖然其數(shù)理、專業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)，邏輯思維能力強(qiáng)，但集成知識解決實(shí)際工程問題的能力弱，工程實(shí)踐中團(tuán)隊合作缺乏訓(xùn)練，人文科學(xué)素養(yǎng)和社會責(zé)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(shí)質(zhì)等效的工程教育認(rèn)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(rèn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的“通行證”。

材料力學(xué)作為高等院校土木工程、機(jī)械工程等諸多工科專業(yè)課程中的一門重要基礎(chǔ)應(yīng)用課程，不僅為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)提供基礎(chǔ)性支撐平臺作用，而且在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析中有著廣泛應(yīng)用，其課程改革是我國工程教育認(rèn)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(xué)等專業(yè)基礎(chǔ)知識的掌握狀況和應(yīng)用能力評價不高， 甚至還有不少嚴(yán)厲的批評[1]。因此，以工程教育認(rèn)證為導(dǎo)向的材料力學(xué)教學(xué)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(rèn)證理念要求，相繼對材料力學(xué)課程的教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法以及考核方式改革進(jìn)行了有益探索[2-4]。

我校力學(xué)教研組在各種校級和省級教研項(xiàng)目支持下對全校力學(xué)教學(xué)進(jìn)行了廣泛深刻的改革。比如為積極響應(yīng)學(xué)校課程信息化教學(xué)改革，逐步推進(jìn)數(shù)字化教學(xué)資源建設(shè)，完整搭建了課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺[5-6]，把CAE軟件應(yīng)用到課程教學(xué)當(dāng)中[7]，引申觸類[8]、教學(xué)內(nèi)容的解構(gòu)與重構(gòu)[9]、多元混合教學(xué)模式[5，10]等新的教學(xué)思想、教學(xué)理念和教學(xué)手段及方法不斷得以提出和完善，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性與參與性，改革成效顯著。但與基于成果為導(dǎo)向的工程教育認(rèn)證要求相比，目前我校的材料力學(xué)教學(xué)還存在以下三個主要問題：一是學(xué)生的工程實(shí)際問題的力學(xué)建模能力薄弱，二是學(xué)生的人文科學(xué)素養(yǎng)和社會責(zé)任感欠缺，三是學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計和團(tuán)隊協(xié)作能力不強(qiáng)。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(xué)校之間的師資和設(shè)備條件差異較大，在一定程度上限制了推廣和應(yīng)用。

我們力學(xué)教研室在材料力學(xué)課程所取得的一系列改革成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)我校材料力學(xué)教學(xué)改革現(xiàn)狀和師生特點(diǎn)，主要對培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)際問題的力學(xué)建模能力、人文科學(xué)素養(yǎng)以及實(shí)驗(yàn)設(shè)計與操作能力這三個方面進(jìn)行改革，提出相應(yīng)的解決方案。

二、學(xué)生力學(xué)建模能力的培養(yǎng)

提高學(xué)生的力學(xué)建模能力是課程體系、知識結(jié)構(gòu)變化的需要，也是當(dāng)今我國工程教育認(rèn)證改革的要求。目前國內(nèi)材料力學(xué)教材中的大部分實(shí)例都是從現(xiàn)實(shí)工程結(jié)構(gòu)直接簡化而建立的抽象力學(xué)模型[13]，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中并不了解這些簡化的力學(xué)模型是如何從實(shí)際工程問題中轉(zhuǎn)化而來的，因?yàn)樗麄內(nèi)狈χ苯拥母行哉J(rèn)識[13]。從工程結(jié)構(gòu)到力學(xué)建模是一個非常復(fù)雜的過程，而學(xué)生往往缺乏將復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)簡化為力學(xué)模型的能力，這就造成其基礎(chǔ)力學(xué)理論知識與其實(shí)踐認(rèn)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(shí)際的照片或圖片），二是力學(xué)模型的抽象與簡化，三是材料力學(xué)基本理論和公式的推導(dǎo)，四是利用基本理論和公式對簡化模型進(jìn)行具體分析計算。其相應(yīng)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(xué)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(xué)模型的抽象與簡化”這一環(huán)節(jié)，同時在學(xué)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(xué)模型的抽象和簡化是一個非常復(fù)雜的過程，涉及辯證唯物主義哲學(xué)觀和方法論。人們對大自然和工程問題的認(rèn)知是一個由簡單到復(fù)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(xué)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(xué)模型。在這個過程中如何準(zhǔn)確把握具體的工程問題與抽象的力學(xué)模型之間的度是十分關(guān)鍵的。在適當(dāng)?shù)臅r候， 對具體問題給出一定的假設(shè)、條件可能是解決問題的關(guān)鍵，但過多地假設(shè)會導(dǎo)致結(jié)論錯誤。這個度的把握取決于思維、方法和實(shí)踐。我們在講授材料力學(xué)基本變形、組合變形的受力與變形特點(diǎn)時，首先給出實(shí)際工程圖，并針對典型問題開展如何從工程實(shí)際問題提煉力學(xué)模型的訓(xùn)練。力學(xué)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(xué)模型后，就可利用相關(guān)力學(xué)的基本理論和方法對所建模型進(jìn)行變形和受力分析，以獲得工程實(shí)際問題的解決方案。在實(shí)際考核時，可在期末考試試題中設(shè)計一個工程實(shí)際問題，配上現(xiàn)實(shí)工程結(jié)構(gòu)圖例，要求學(xué)生對其進(jìn)行力學(xué)建模，并寫出其強(qiáng)度、剛度分析的主要思路。

另外，我們在授課之外鼓勵學(xué)生閱讀一些相關(guān)力學(xué)史類書籍和學(xué)習(xí)相關(guān)的公開課，如網(wǎng)易公開課的“力學(xué)概論”“材料力學(xué)漫談”“力學(xué)與生活”“現(xiàn)代力學(xué)與工程分析”等課程，使學(xué)生認(rèn)識到力學(xué)知識來源于生活和工程實(shí)踐，增強(qiáng)學(xué)生對力學(xué)課程的認(rèn)同感。

三、學(xué)生人文科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)

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

材料力學(xué)每一個基本理論的提出和完善都是經(jīng)過數(shù)代力學(xué)家和數(shù)學(xué)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(xué)真理的執(zhí)著追求與探索，以及對后繼科學(xué)家的指引和啟示永遠(yuǎn)是這門科學(xué)的寶貴財富。我們增加從材料力學(xué)發(fā)展史的角度培養(yǎng)學(xué)生的人文科學(xué)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(xué)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(dǎo)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(xué)素養(yǎng)和時代工程背景給學(xué)生展示出來，旨在培養(yǎng)學(xué)生的人文科學(xué)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(zé)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(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上的教學(xué)資源中，供學(xué)生查閱和學(xué)習(xí)。

在具體實(shí)施上，我們把材料力學(xué)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(fù)雜（或組合變形）應(yīng)力狀態(tài)強(qiáng)度理論、壓桿穩(wěn)定理論、材料疲勞破壞理論。通過查閱力學(xué)史、通訊書稿、人物傳記、科學(xué)史等文獻(xiàn)資料，詳細(xì)整理和分析這些基本理論誕生時的時代工程背景、科學(xué)發(fā)展水平，對基本理論有過貢獻(xiàn)的力學(xué)家和工程師的個人知識素養(yǎng)及科學(xué)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(xué)各基本理論的形成和發(fā)展過程脈絡(luò)清晰地展現(xiàn)給學(xué)生，引起他們的共鳴，激發(fā)他們對追求真理和科學(xué)知識的興趣。

四、學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計與操作能力的培養(yǎng)

做材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)時，教師以講解為主，并為學(xué)生進(jìn)行演示，實(shí)驗(yàn)過程過于流程化，學(xué)生自主設(shè)計實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ约皥F(tuán)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(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多新型復(fù)合材料，其力學(xué)性能與傳統(tǒng)材料差異明顯，而在材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)中并沒有與現(xiàn)實(shí)工程實(shí)際很好地結(jié)合起來。因此，我們在做實(shí)驗(yàn)部分的考核時，除了要求學(xué)生完成常規(guī)的拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲等驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)之外，還根據(jù)當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件和力學(xué)教研室的研究方向，增設(shè)一些基于工程背景的開放性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，如橫力彎曲梁的彎曲正應(yīng)力電測實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)結(jié)果與彈性力學(xué)解析解對比，驗(yàn)證不同高跨比下純彎曲正應(yīng)力公式計算誤差）、復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)外力測試實(shí)驗(yàn)（利用廣義胡可定律反推外力）和新型復(fù)合陶瓷材料高溫、超高溫強(qiáng)度拉伸、彎曲強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)（測量陶瓷材料的溫度相關(guān)性本構(gòu)關(guān)系）。學(xué)生通過自行設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)操作及對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理分析后，既能更好地掌握相關(guān)材料力學(xué)知識，也能促進(jìn)其工程實(shí)踐能力提升及創(chuàng)新精神培養(yǎng)。其具體實(shí)施步驟如下：

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

（2）學(xué)生自由組成小組，通過網(wǎng)絡(luò)平臺預(yù)約實(shí)驗(yàn)，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)處理，必要的情況下由研究生實(shí)驗(yàn)助理協(xié)助處理相關(guān)技術(shù)問題。

（3）學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后，可自由發(fā)揮撰寫實(shí)驗(yàn)報告（不指定報告模板），指導(dǎo)老師對實(shí)驗(yàn)及其報告做出評價。

五、結(jié)語

根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求，本文針對目前材料力學(xué)教學(xué)中存在的問題，在教學(xué)環(huán)節(jié)中引入實(shí)際工程結(jié)構(gòu)力學(xué)建模過程，完善科學(xué)研究的整個流程，即科學(xué)來源于實(shí)踐并如何指導(dǎo)實(shí)踐，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)知識解決實(shí)際工程問題的能力。從材料力學(xué)發(fā)展史的角度，引入人文科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)模式，培養(yǎng)學(xué)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(zé)任感等基本能力和素質(zhì)。在教學(xué)過程中引入實(shí)際工程結(jié)構(gòu)，增加“力學(xué)模型的抽象與簡化”這一環(huán)節(jié)，提高學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力。增設(shè)一些基于工程背景的開放性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生參與到創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的設(shè)計環(huán)節(jié)中，加強(qiáng)材料力學(xué)與現(xiàn)有材料科學(xué)研究前沿的聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。通過材料力學(xué)課程的教學(xué)改革，可為實(shí)現(xiàn)我校由基于課程為導(dǎo)向的工程教育理念向基于成果導(dǎo)向的工程教育認(rèn)證理念的轉(zhuǎn)變提供有效途徑。這些方案對師資和實(shí)驗(yàn)條件要求不高，簡單易行，可為其他高校材料力學(xué)的后繼改革提供有益參考。

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