新工科與工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下材料力學(xué)課程教學(xué)改革思考

許 磊 黃 菊

重慶工商大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 重慶 400067

近年來，我國出現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)增長緩慢、傳統(tǒng)制造業(yè)國際競爭力削弱等問題，為了推動(dòng)創(chuàng)新發(fā)展，國家實(shí)施了“中國制造2025”“人工智能”等重大戰(zhàn)略工程，因此也迫切需要大量具有工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力、能適應(yīng)未來國際化發(fā)展的高素質(zhì)復(fù)合型人才[1,2]。為應(yīng)對新時(shí)代對工科人才培養(yǎng)提出的高要求，國家適時(shí)提出了新工科建設(shè)，并在高校開展了工程教育專業(yè)認(rèn)證工作，作為傳統(tǒng)的工科專業(yè)課程，材料力學(xué)在課程教學(xué)中也需要緊跟時(shí)代節(jié)奏，更新與改革迫切。

材料力學(xué)是眾多工科專業(yè)開設(shè)的專業(yè)核心課之一，以重慶工商大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院為例，授課專業(yè)包括機(jī)械制造及其自動(dòng)化、機(jī)械電子工程等。材料力學(xué)課程包括實(shí)驗(yàn)共計(jì)48～80學(xué)時(shí)，其講授的知識包括梁的拉伸與壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲，應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)度理論等，對工程實(shí)踐如珠港澳大橋等的建設(shè)具有重大的指導(dǎo)意義，廣泛應(yīng)用于道路、橋梁、建筑等領(lǐng)域。然而隨著新時(shí)代、新技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)教學(xué)方式已然不能滿足人才培養(yǎng)要求[3]。

因此，在國家新工科建設(shè)的引領(lǐng)下，結(jié)合重慶工商大學(xué)正在開展的機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)的工程教育專業(yè)認(rèn)證申報(bào)工作，有必要對材料力學(xué)教學(xué)進(jìn)行改革探討，以提高高校的工科人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1 材料力學(xué)課程教學(xué)存在的問題

材料力學(xué)與前期的高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)有著緊密的聯(lián)系，因此課程內(nèi)容也存在著諸如數(shù)學(xué)公式多、內(nèi)容繁雜與抽象、難以理解或理解偏差大等特點(diǎn)。經(jīng)過不同層次的高校不斷的教學(xué)與實(shí)踐，教學(xué)改革在多方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，并取得了顯著的成果[4-6]。由于辦學(xué)層次與辦學(xué)目標(biāo)的差異，新工科與工程教育專業(yè)認(rèn)證對材料力學(xué)的新要求，課程改革仍存在一部分問題，下面以重慶工商大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院在材料力學(xué)課程教學(xué)中存在的問題為例，進(jìn)行分析。

1.1 課程教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)踐聯(lián)系不緊密

材料力學(xué)課程是工科專業(yè)的基礎(chǔ)課之一，開設(shè)時(shí)間長，教材版本眾多，內(nèi)容相似，重慶工商大學(xué)選用的是劉鴻文主編的《簡明材料力學(xué)》一書作為教材。課程在教授的過程中主要研究對象以桿件為主，各個(gè)知識點(diǎn)相對獨(dú)立，如桿件的拉伸與壓縮、桿件的彎曲變形等，如果課程教學(xué)中缺少合適的工程案例來將各個(gè)知識點(diǎn)串聯(lián)起來，學(xué)生理解起來非常抽象。部分力學(xué)模型簡化，過于突兀，對于第一次學(xué)習(xí)材料力學(xué)的大二學(xué)生來說也無法將現(xiàn)實(shí)工程問題轉(zhuǎn)化為簡單力學(xué)問題。所培養(yǎng)的學(xué)生解決實(shí)際工程問題能力稍顯不足，創(chuàng)新性不足，不能滿足新工科和工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求。

1.2 填鴨式的教學(xué) 教學(xué)內(nèi)容多

材料力學(xué)內(nèi)容比較雜，涉及的知識點(diǎn)比較多，因?qū)W時(shí)限制，部分教師在課程教學(xué)中常采用填鴨式，以“PowerPoint+板書”為主，教授內(nèi)容案例分析較多，試圖讓學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)解決大量不同類型的題目。授課互動(dòng)性差，學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性不夠，容易造成“教師累死、學(xué)生困死”的現(xiàn)象。課后布置的作業(yè)以書本練習(xí)題為主，作業(yè)抄襲現(xiàn)象突出，由于作業(yè)未結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際過程中遇到的材料工程問題，嚴(yán)重阻礙了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1.3 強(qiáng)調(diào)知識本身 考核與評價(jià)方式單一

材料力學(xué)課程注重培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力，但考核方式仍以閉卷考試為主，內(nèi)容集中在書本練習(xí)題，考試過多強(qiáng)調(diào)知識本身，缺少對知識的運(yùn)用，更無法評定出學(xué)生是否有將工程問題轉(zhuǎn)化為材料力學(xué)問題的能力，不利于培養(yǎng)學(xué)生解決工程問題的能力。

2 材料力學(xué)教學(xué)改革的思路與內(nèi)容

2.1 教學(xué)改革的思路

我國推行的新工科建設(shè)，特別強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力。近幾年開展的工程教育專業(yè)認(rèn)證工作也強(qiáng)調(diào)人才培養(yǎng)目標(biāo)與課程教學(xué)內(nèi)容的達(dá)成度問題。因此材料力學(xué)課程的教學(xué)改革基本思路(如圖1所示)為：面向國家的人才培養(yǎng)要求，以提升學(xué)生的綜合創(chuàng)新為目標(biāo)導(dǎo)向，從設(shè)計(jì)課程教學(xué)與內(nèi)容出發(fā)，增加項(xiàng)目實(shí)踐，進(jìn)行考評方式改革，最終達(dá)成本課程的本科人才培養(yǎng)目標(biāo)，提高學(xué)生實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力。

圖1 材料力學(xué)課程教學(xué)改革基本思路

2.2 教學(xué)改革的內(nèi)容

2.2.1 教學(xué)知識點(diǎn)設(shè)計(jì)與人才培養(yǎng)目標(biāo)的對接

工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心理念是以學(xué)生為中心，通過分析評價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，判斷是否達(dá)到了國際上既定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，是一種合格性評價(jià)。

在材料力學(xué)課程教學(xué)中，必須根據(jù)國家對大學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)，實(shí)時(shí)修訂課程的教學(xué)大綱，積極調(diào)整授課內(nèi)容與課時(shí)分配比例，進(jìn)一步理清材料力學(xué)先導(dǎo)課程與后續(xù)課程的邏輯關(guān)系。材料力學(xué)課程內(nèi)容主要包括靜力學(xué)、力系的簡化與平衡、拉伸壓縮變形和剪切、擠壓的實(shí)用計(jì)算、扭轉(zhuǎn)變形、彎曲變形、應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)度理論、組合變形及壓桿穩(wěn)定性等理論，要特別注重設(shè)計(jì)材料力學(xué)的教學(xué)知識點(diǎn)與人才培養(yǎng)目標(biāo)的匹配關(guān)系，精選教學(xué)內(nèi)容，尤其是注意理論知識點(diǎn)如何與工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)相結(jié)合。

2.2.2 PowerPoint+板書+微視頻+翻轉(zhuǎn)課堂設(shè)計(jì)

材料力學(xué)教學(xué)過程中，針對不同章節(jié)內(nèi)容，采取相適應(yīng)的教學(xué)手段，設(shè)計(jì)課堂過程，促進(jìn)學(xué)生對各個(gè)知識點(diǎn)的理解，增強(qiáng)教學(xué)效果，做到有的放矢。

PowerPoint能夠?qū)⑽淖?、圖片、動(dòng)畫、視頻等集中在一起，是教師的教學(xué)“利器”，在教學(xué)課堂中，要注意控制多媒體教學(xué)節(jié)奏，尤其特別重視學(xué)生的注意力是否跟上PowerPoint的節(jié)奏。

要善于運(yùn)用黑板和板書，黑板能夠?qū)⒅攸c(diǎn)知識保留在學(xué)生可見的范圍內(nèi)，尤其是在進(jìn)行材料力學(xué)原理推導(dǎo)、例題分析時(shí)，優(yōu)勢突出。

材料力學(xué)原理公式多、內(nèi)容繁雜、抽象性強(qiáng)，在教學(xué)過程中也可增加部分微視頻輔助教學(xué)。微視頻能夠?qū)⒘W(xué)原理、抽象的公式轉(zhuǎn)化為簡明生動(dòng)的動(dòng)畫，有助于學(xué)生對難點(diǎn)知識的理解，實(shí)現(xiàn)教學(xué)“由難入易，變抽象為形象”。

材料力學(xué)課程學(xué)習(xí)中，學(xué)生存在“一聽就懂，一做就懵”的現(xiàn)象，聽的多、做的少，不利于知識點(diǎn)的掌握。翻轉(zhuǎn)課堂能夠?qū)W(xué)習(xí)的決定權(quán)從教師轉(zhuǎn)移給學(xué)生，因此在教學(xué)過程中，適當(dāng)加入翻轉(zhuǎn)課堂，讓學(xué)生參與設(shè)計(jì)課堂教學(xué)，促進(jìn)教學(xué)效果的提升。

2.2.3 工程實(shí)踐強(qiáng)化知識運(yùn)用

材料力學(xué)是一門與工程實(shí)踐結(jié)合度非常高的課程，特別注重學(xué)生創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，因此有必要加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

材料力學(xué)課程有多個(gè)課后實(shí)驗(yàn)供大家學(xué)習(xí)，如低碳鋼與鑄鐵的拉伸與壓縮性能實(shí)驗(yàn)、材料的泊松比測試等，均能提高學(xué)生對理論知識的理解。但是這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目僅僅是課本知識的簡單“遷徙”，缺少現(xiàn)實(shí)工程問題的復(fù)雜性。在課程教學(xué)中需要教師深度挖掘工程問題供大家學(xué)習(xí)，強(qiáng)化知識的運(yùn)用。

重慶工商大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院杜彥斌團(tuán)隊(duì)正在開展水泵葉輪的激光熔覆再制造項(xiàng)目，其中葉輪的激光熔覆涉及材料的拉伸與壓縮、剛度、應(yīng)力與應(yīng)變、彈性模量、扭轉(zhuǎn)等材料力學(xué)課程的多個(gè)知識點(diǎn)，通過引導(dǎo)學(xué)生參與項(xiàng)目的實(shí)踐，獲得較好的教學(xué)效果。

2.2.4 考核方式多樣化

材料力學(xué)是從工程中走出來的一門實(shí)用性很強(qiáng)的課程，傳統(tǒng)的考卷評分方式考核不能全面評價(jià)學(xué)生的能力。以重慶工商大學(xué)為例，現(xiàn)階段考試分?jǐn)?shù)分為兩部分，“總成績100%=平時(shí)成績30%+試卷成績70%”，其中平時(shí)成績由上課出勤、作業(yè)完成情況、課堂互動(dòng)等內(nèi)容構(gòu)成，缺少多樣化的考核機(jī)制。

后期的材料力學(xué)課程教學(xué)中，需要注重考核方式的多樣化，可嘗試增加與材料力學(xué)相關(guān)的工程實(shí)踐能力的考核，將考核改革成“考卷分?jǐn)?shù)50%+平時(shí)成績15%+工程實(shí)踐35%”，試卷分?jǐn)?shù)和平時(shí)成績考查學(xué)生對基本知識的掌握情況，工程實(shí)踐考查學(xué)生將基本知識轉(zhuǎn)化為工程實(shí)踐能力。工程實(shí)踐可分為項(xiàng)目論文型和實(shí)踐操作型，以機(jī)械工程學(xué)院正在承擔(dān)的水泵葉輪激光熔覆再制造項(xiàng)目為例，首先建立由2～3位教師組成的考核小組，布置一系列與項(xiàng)目相關(guān)的材料力學(xué)工程問題，學(xué)生獨(dú)立尋求解決方案，根據(jù)論文完成情況或者材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)完成情況由評分小組評定分?jǐn)?shù)。

3 結(jié)語

為應(yīng)對新時(shí)代對工科人才培養(yǎng)提出的高要求，國家適時(shí)提出了新工科建設(shè)，并在高校開展了工程教育專業(yè)認(rèn)證工作。作為傳統(tǒng)的工科專業(yè)的材料力學(xué)課程，需要緊跟時(shí)代發(fā)展，融入新理論、新方法，更新內(nèi)容，并進(jìn)行教學(xué)改革。

在此背景下，本文針對材料力學(xué)在課程教學(xué)中存在的工程實(shí)踐案例分析少、填鴨式的教學(xué)效果差、考核與評價(jià)方式單一等問題，圍繞材料力學(xué)課程教學(xué)改革，以學(xué)生為中心，緊扣教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)，提出了相關(guān)的建設(shè)內(nèi)容。目前，重慶工商大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院正在大力開展工程教育專業(yè)認(rèn)證申請工作，材料力學(xué)課程的改革正在積極地進(jìn)行，改革實(shí)踐效果有了初步成效，學(xué)生對本課程的興趣有了一定的提升。在今后的課程教學(xué)改革實(shí)施過程中，將進(jìn)一步聚焦教學(xué)改革思路并形成翔實(shí)科學(xué)的措施，為材料力學(xué)課程改革提供一定的經(jīng)驗(yàn)借鑒，為國家培養(yǎng)出具有創(chuàng)新性和工程實(shí)踐能力的應(yīng)用型人才提供一定的支撐。