材料力學(xué)全英文教學(xué)的實(shí)踐與體會(huì)

劉劉

[摘 要]隨著高等教育國(guó)際化的發(fā)展，來(lái)華留學(xué)生的總體規(guī)模不斷擴(kuò)大，留學(xué)生教育正逐漸成為我國(guó)高等教育的重要組成部分。材料力學(xué)是機(jī)械工程、航空與宇航工程專業(yè)基礎(chǔ)力學(xué)的必修課。北京理工大學(xué)對(duì)留學(xué)生的材料力學(xué)課程以全英文教學(xué)形式開設(shè)。筆者以北京理工大學(xué)已開展6年的材料力學(xué)全英文教學(xué)實(shí)踐為例，就教學(xué)大綱、教材選用、教學(xué)內(nèi)容和目的、實(shí)驗(yàn)安排及考核方式等方面進(jìn)行探討，通過(guò)與中文材料力學(xué)教學(xué)模式的對(duì)比，提出優(yōu)化和改進(jìn)方案。

[關(guān)鍵詞]材料力學(xué);全英文教學(xué);教學(xué)改革

[中圖分類號(hào)] G642[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2019）10-0054-04

為達(dá)到國(guó)家對(duì)高等教育“卓越化、國(guó)際化、研究型”的要求[1]，北京理工大學(xué)致力于培養(yǎng)具有國(guó)際視野和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)與合作能力，在全球政治經(jīng)濟(jì)、文化教育和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域具有卓越領(lǐng)導(dǎo)力的高層次國(guó)際化人才。全英文教學(xué)模式已成為國(guó)際化人才培養(yǎng)的重要途徑之一[4]。我校努力推進(jìn)英文教學(xué)，已經(jīng)初步構(gòu)建了全英文教學(xué)體系[2-3]。經(jīng)過(guò)6年的努力，北京理工大學(xué)來(lái)華留學(xué)事業(yè)取得了很大進(jìn)步，外國(guó)留學(xué)生規(guī)模已經(jīng)從數(shù)百名迅速增長(zhǎng)到2400余名。

材料力學(xué)是機(jī)械工程、航空與宇航工程專業(yè)的基礎(chǔ)力學(xué)的必修課，我校對(duì)留學(xué)生的材料力學(xué)以全英文教學(xué)形式開設(shè)。本文以北京理工大學(xué)已開展6年的材料力學(xué)全英文教學(xué)實(shí)踐為例，就教學(xué)大綱、教材選用、教學(xué)內(nèi)容和目的、實(shí)驗(yàn)安排及考核方式等方面進(jìn)行探討，并通過(guò)對(duì)比中文材料力學(xué)教學(xué)模式，提出優(yōu)化和改進(jìn)方案。

一、全英文材料力學(xué)教學(xué)模式

材料力學(xué)是工科高等學(xué)校機(jī)械類專業(yè)的一門主干技術(shù)基礎(chǔ)課，是聯(lián)系專業(yè)課和基礎(chǔ)課的橋梁。材料力學(xué)與生產(chǎn)及工程實(shí)際有著非常密切的關(guān)系。材料力學(xué)課程開設(shè)的主要目的是培養(yǎng)學(xué)生掌握材料力學(xué)的基本理論、計(jì)算技術(shù)與實(shí)驗(yàn)技能，能夠解決工程領(lǐng)域中與強(qiáng)度和變形相關(guān)的基本問(wèn)題。全英文材料力學(xué)課程是大學(xué)二年級(jí)上學(xué)期針對(duì)機(jī)械工程和航空與宇航工程專業(yè)的國(guó)際留學(xué)生開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)必修課。面對(duì)來(lái)自于不同國(guó)家的國(guó)際留學(xué)生，課程采用全英文小班授課模式，課堂人數(shù)不多于32人。本課程課堂教學(xué)課時(shí)48學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課時(shí)8學(xué)時(shí)，合計(jì)3.5學(xué)分。教學(xué)采用全英文模式，包括全英文教案、板書、課后作業(yè)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和考核。近6年來(lái)，機(jī)械和航空與宇航工程專業(yè)共計(jì)42人次必修并通過(guò)了全英文材料力學(xué)課程考核。

（一）全英文材料力學(xué)的教學(xué)大綱、內(nèi)容和目標(biāo)

參照歐美高校機(jī)械工程和航空航天等工程專業(yè)本科的教學(xué)計(jì)劃，全英文材料力學(xué)課程的教學(xué)大綱要求學(xué)生理解材料力學(xué)與先修課理論力學(xué)，后續(xù)課彈性力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)的區(qū)別和聯(lián)系;掌握變形體的基本平衡方程、相容方程和物理方程以及邊界條件;要求學(xué)生掌握桿件的強(qiáng)度、剛度及軸心受壓桿件的穩(wěn)定性的計(jì)算。要求學(xué)生能運(yùn)用強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性條件對(duì)桿件進(jìn)行校核、截面設(shè)計(jì)及載荷確定等簡(jiǎn)單分析計(jì)算工作;初步了解材料的機(jī)械性能及材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本知識(shí)和操作技能。

全英文材料力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容包括：內(nèi)力、內(nèi)力圖繪制、應(yīng)力、應(yīng)變的基本概念，變形體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，掌握拉、壓桿件，受扭桿件，受彎桿件，受橫向剪力桿件的應(yīng)力和變形分布特點(diǎn)以及受壓桿件的穩(wěn)定性條件。教學(xué)目的：使留學(xué)生掌握基本桿件的應(yīng)力和變形分析方法、強(qiáng)度校核基本理論和方法以及提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì)理論，能夠熟練掌握典型靜不定桿件力法求解的基本思想和求解過(guò)程。

通過(guò)全英文材料力學(xué)課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生具體達(dá)到如下目標(biāo)：1.能夠掌握材料力學(xué)的基本概念、基本理論和基本桿件分析方法。2.通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握材料力學(xué)的基本實(shí)驗(yàn)方法（包括材料力學(xué)性能測(cè)定，用電測(cè)法測(cè)定應(yīng)變和應(yīng)力）。3.能夠熟練掌握材料力學(xué)中的全英文專業(yè)術(shù)語(yǔ)，熟練閱讀涉及固體力學(xué)的英文文獻(xiàn)，并能夠采用英文對(duì)材料力學(xué)中的基本知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行歸納、總結(jié)，并較深刻理解材料力學(xué)與其他力學(xué)課程的關(guān)系。4.能夠與機(jī)械工程、航空航天以及力學(xué)專業(yè)領(lǐng)域的同行及社會(huì)公眾進(jìn)行交流，并具備一定的國(guó)際視野，能夠理解跨文化背景下的工程設(shè)計(jì)，包含文化習(xí)慣和工程標(biāo)準(zhǔn)及語(yǔ)言，并進(jìn)行溝通和交流。

（二）全英文材料力學(xué)的教材

該課程針對(duì)攻讀機(jī)械工程和航空航天工程專業(yè)本科學(xué)位的國(guó)際留學(xué)生，由于學(xué)生的中文水平有限，全英文材料力學(xué)課程采用了經(jīng)高等教育出版社授權(quán)于2004年影印出版的英文原版教材Mechanics of Materials（材料力學(xué)），作者為R.C. Hibbeler[5-6]。該教材作者在工程力學(xué)教育方面，做出了很大的貢獻(xiàn)。他編著的教材在美國(guó)和歐洲得到廣泛的采用，在國(guó)際工程力學(xué)教育同行中也得到了廣泛的認(rèn)可和好評(píng)。采用這本教材，可為學(xué)生后續(xù)深造或與國(guó)際同行開展學(xué)術(shù)交流提供通用便利。該書重視基本概念、理論與方法的講述，思路清晰，層次分明，同時(shí)英語(yǔ)語(yǔ)言簡(jiǎn)明易懂，論述嚴(yán)謹(jǐn)。書中每個(gè)重要章節(jié)、概念后面，均安排了重點(diǎn)總結(jié);提出每個(gè)重要的解題方法后，都安排了解題步驟梳理，這些高度的概括小節(jié)對(duì)學(xué)生理解把握概念和分析方法起到了重要的作用，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)掌握這門課程幫助很大[7-9]。該教材中例題非常豐富，由淺至深，與工程實(shí)踐聯(lián)系緊密，提高了學(xué)生理解和掌握解題方法與技巧的能力，另一方面也生動(dòng)地揭示了材料力學(xué)這門基礎(chǔ)課在工程中的應(yīng)用。

教學(xué)中還推薦采用James M. Gere和Stephen P. Timoshenko編寫的Mechanics of Materials（材料力學(xué)）第四版作為課程的參考文獻(xiàn)，該教材也是歐美普遍采用的材料力學(xué)教材，書中有大量的工程實(shí)際結(jié)構(gòu)照片，便于學(xué)生理解材料力學(xué)課程對(duì)于工程設(shè)計(jì)的支撐作用。

（三）全英文材料力學(xué)的課程實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)課程為8個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)，4個(gè)實(shí)驗(yàn)包括韌性材料、脆性材料、桿件在復(fù)雜載荷下的變形以及壓桿穩(wěn)定性試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊(cè)采用全英文形式，并要求學(xué)生提交全英文的實(shí)驗(yàn)報(bào)告和討論。

1.考核與教學(xué)效果評(píng)價(jià)

該課程以考核學(xué)生分析、評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)桿件的能力以及基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰_(dá)成為主要目的，考查學(xué)生對(duì)材料力學(xué)思想體系、各個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)的掌握和應(yīng)用能力，包括課堂提問(wèn)、課后作業(yè)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和期末考試4項(xiàng)內(nèi)容?？傇u(píng)采用百分制，考核細(xì)則如下：

二、全英文材料力學(xué)課程的教學(xué)特點(diǎn)

全英文材料力學(xué)課程具有以下特點(diǎn)：對(duì)標(biāo)歐美高校機(jī)械工程和航空航天等工程專業(yè)的本科教學(xué)計(jì)劃;強(qiáng)調(diào)工程應(yīng)用和工程實(shí)踐;為各種產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品、過(guò)程的設(shè)計(jì)、計(jì)算與仿真、制造、試驗(yàn)等提供材料力學(xué)系統(tǒng)知識(shí);強(qiáng)調(diào)工程實(shí)踐訓(xùn)練;尊崇中國(guó)文化和工程的交融與交流，學(xué)習(xí)過(guò)程中要求北京理工大學(xué)的國(guó)際留學(xué)生持續(xù)增進(jìn)對(duì)中國(guó)文化的學(xué)習(xí)，增進(jìn)跨文化交流能力;同時(shí)通過(guò)減少課堂教學(xué)課時(shí)，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者的自學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)，不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)機(jī)械工程、航空航天工程以及工程力學(xué)相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)和觀念發(fā)展、變化。

三、全英文材料力學(xué)課程實(shí)踐體會(huì)

針對(duì)國(guó)際留學(xué)生的全英文材料力學(xué)課程已經(jīng)在北京理工大學(xué)開設(shè)了6年，筆者在這6年的授課實(shí)踐中全面比較了全英文授課模式和中文材料力學(xué)授課模式，充分挖掘了不同授課模式之間的優(yōu)劣，得到了以下幾點(diǎn)教學(xué)實(shí)踐體會(huì)：

（1）從授課的課時(shí)數(shù)和教學(xué)內(nèi)容比較，全英文材料力學(xué)采用歐美工程專業(yè)本科教育的常用教材，實(shí)施過(guò)程中課時(shí)數(shù)遠(yuǎn)低于中文材料力學(xué)的課時(shí)數(shù)（機(jī)械工程、航空航天或工程力學(xué)專業(yè)的課時(shí)數(shù)≥72學(xué)時(shí)）。從教學(xué)內(nèi)容上比較，二者最顯著的差別在于全英文材料力學(xué)教學(xué)內(nèi)容中對(duì)剛架結(jié)構(gòu)不做要求，但組合桿件和薄壁桿件的剪切應(yīng)力、剪流分布是教學(xué)重點(diǎn)。而中文材料力學(xué)教學(xué)中桿件在橫向載荷下的剪切應(yīng)力和剪流不作為教學(xué)重點(diǎn)，但剛架結(jié)構(gòu)的彎矩圖和變形分析是教學(xué)重要內(nèi)容。通過(guò)對(duì)比不同的教學(xué)內(nèi)容發(fā)現(xiàn)，剛架結(jié)構(gòu)將是后續(xù)結(jié)構(gòu)力學(xué)中的重要教學(xué)內(nèi)容，也是后續(xù)課結(jié)構(gòu)力學(xué)中力法和位移法重點(diǎn)解決的內(nèi)容，因此在前修課材料力學(xué)中不做要求，可避免過(guò)度重復(fù)教學(xué)，在全英文教學(xué)中不做要求更為科學(xué)合理。全英文材料力學(xué)將教學(xué)重點(diǎn)放在桿件受橫向載荷下的剪切應(yīng)力分布、組合結(jié)構(gòu)和薄壁結(jié)構(gòu)的剪流分布，對(duì)于剪切強(qiáng)度低的材料，如復(fù)合材料等前沿材料以及夾芯梁結(jié)構(gòu)等，剪切應(yīng)力和剪流分布是其失效的重要因素，因此將部分課堂教學(xué)課時(shí)和教學(xué)重點(diǎn)放在剪切應(yīng)力和剪流分布是必要的。

（2）全英文材料力學(xué)教材中每節(jié)后有小結(jié)、每章后有重點(diǎn)回顧，例題前有典型分析流程總結(jié)（如圖1所示[6]），這些回顧和總結(jié)對(duì)于學(xué)生梳理思路，把握要點(diǎn)和總結(jié)提高有積極的作用，可為材料力學(xué)中文教材和教案的編寫提供借鑒。

（3）全英文材料力學(xué)的教學(xué)強(qiáng)調(diào)分析、校核和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在工程中的應(yīng)用，且絕大部分習(xí)題來(lái)自于工程實(shí)踐，對(duì)培養(yǎng)合格的工程師非常有幫助。

（4）全英文材料力學(xué)教材中有約1/4的教學(xué)內(nèi)容為提高性教學(xué)內(nèi)容，不做必修要求，但又為具有學(xué)習(xí)潛力和興趣的學(xué)生提供了補(bǔ)充內(nèi)容和資源，對(duì)挖掘?qū)W生的潛力和提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能動(dòng)性具有非常重要的作用。

（5）全英文材料力學(xué)中對(duì)于固體力學(xué)中重要的能量法教學(xué)內(nèi)容安排少，層次低，不利于學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)并掌握有限元分析方法這些力學(xué)工具，因此在后續(xù)的全英文教學(xué)實(shí)踐中建議在能量法章節(jié)中增加課堂教學(xué)學(xué)時(shí)數(shù)，安排單位載荷法和圖乘法等重要的教學(xué)模塊。

（6）面對(duì)網(wǎng)絡(luò)慕課等新興教學(xué)模式的沖擊，全英文材料力學(xué)也可以將慕課[10-13]和課堂教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)模式有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，如要求學(xué)生課前通過(guò)慕課自學(xué)，課中通過(guò)做習(xí)題或口試等靈活的教學(xué)形式開展翻轉(zhuǎn)課堂嘗試。為了配合留學(xué)生的材料力學(xué)教學(xué)任務(wù)，我校率先開始了全英文材料力學(xué)MOOC建設(shè)，課程先導(dǎo)片如圖2所示。

實(shí)踐過(guò)程中為了減少純課堂授課課時(shí)，并強(qiáng)調(diào)學(xué)生自學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，嘗試采用小班分組的教學(xué)形式，開展討論教學(xué)[14-15]。教學(xué)過(guò)程中充分鼓勵(lì)學(xué)生和教師、學(xué)生和學(xué)生之間進(jìn)行互動(dòng)，包括質(zhì)疑，激發(fā)思想火花的碰撞。如“桿件的設(shè)計(jì)（Design of Beams and Shafts）”章節(jié)，教學(xué)中未采用傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式，不再單純地灌輸設(shè)計(jì)理論和講授教材中的例題，而是提出具體的設(shè)計(jì)要求（如以竹材為梁結(jié)構(gòu)主承載材料，設(shè)計(jì)承載能力高的橋面板結(jié)構(gòu)），要求學(xué)生主動(dòng)利用網(wǎng)絡(luò)資源（如國(guó)內(nèi)外高校的在線開放課程或其他網(wǎng)絡(luò)資源、論文數(shù)據(jù)庫(kù)等），主動(dòng)尋找并研究竹材作為結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能，根據(jù)其力學(xué)性能特點(diǎn)，結(jié)合橋面板結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，參考網(wǎng)絡(luò)資源上現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案，提出自己的設(shè)計(jì)思想和方案。雖然在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，學(xué)生的方案通常采用現(xiàn)有的橋面板形式，未形成創(chuàng)新，但通過(guò)學(xué)生的分工協(xié)作以及積極充分利用網(wǎng)絡(luò)資源的主動(dòng)學(xué)習(xí)，在梁和桿件強(qiáng)度設(shè)計(jì)和剛度設(shè)計(jì)思想方面，學(xué)生的材料力學(xué)理論聯(lián)系實(shí)踐能力和知識(shí)點(diǎn)綜合理解深度方面有所提高。這樣的課堂形式更為活潑，學(xué)生和教師之間的互動(dòng)更為頻繁，對(duì)教師了解并掌握學(xué)生的對(duì)知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)知程度也有一定的正面作用。

（7）提高全英文材料力學(xué)教學(xué)實(shí)踐中的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，如新興前沿演示實(shí)驗(yàn)的模塊。另一方面，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真技術(shù)的迅猛發(fā)展，可充分利用我國(guó)在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)，將學(xué)生眼中“枯燥”的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真技術(shù)，轉(zhuǎn)化為佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡即可操縱的“虛擬材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)”。針對(duì)不同材料的力學(xué)性能，可結(jié)合仿真技術(shù)，使得學(xué)生在有限的空間和時(shí)間中可開展不同材料在不同載荷形式下的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，這對(duì)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及提升學(xué)校的科研和教學(xué)國(guó)際影響力將有顯著的幫助[16-20]。

四、結(jié)束語(yǔ)

大學(xué)國(guó)際化是當(dāng)前各國(guó)大學(xué)辦學(xué)的重要課題。大學(xué)國(guó)際化強(qiáng)調(diào)大學(xué)應(yīng)與國(guó)際一流大學(xué)接軌，包括建立交流與合作關(guān)系，開拓學(xué)校和學(xué)生的國(guó)際視野，拓寬大學(xué)的事業(yè)與境界，進(jìn)而積累與提升國(guó)際學(xué)術(shù)聲望，獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，為學(xué)生提供更廣闊的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。全英文授課是大學(xué)國(guó)際化教育的必要手段。本文以北京理工大學(xué)已開展6年的材料力學(xué)全英文教學(xué)實(shí)踐為例，就教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容和目的實(shí)驗(yàn)安排、教材選用及考核方式等方面進(jìn)行梳理和探討，通過(guò)與中文材料力學(xué)教學(xué)模式的廣泛和全面的對(duì)比，提出全英文材料力學(xué)教學(xué)模式的優(yōu)化和改進(jìn)方案。

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[責(zé)任編輯：鐘 嵐]