工程素養(yǎng)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)導(dǎo)向下的“材料力學(xué)”教學(xué)改革與實踐

李霄琳 彭帥英

培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才是高等工程教育在新歷史時期的重要目標(biāo)，是我國各高校正在積極探索的課題。在國外，德國采用“雙元制”辦學(xué)，校企深度合作，共同開展工程教育。美國強調(diào)“回歸工程”的理念，要求工程教育要回歸到工程實踐這個出發(fā)點，不斷更新和調(diào)整教育范式、培養(yǎng)目標(biāo)、課程設(shè)置、教學(xué)模式以及教育理念，進(jìn)而滿足產(chǎn)業(yè)界發(fā)展對工程人才的需求。法國注重保持與工程界的密切聯(lián)系，在工程人才培養(yǎng)目標(biāo)、培養(yǎng)過程、科學(xué)研究、人員交流等方面，注重與工業(yè)企業(yè)的良性互動[1]。在我國，2017年2 月以后，教育部基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求提出了“新工科”。先后形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”以及“北京指南”，努力探索領(lǐng)先全球工程教育的中國模式和中國經(jīng)驗[2]。

材料力學(xué)課程作為一門面向機械類、土木類、交通類、材料類等工科類本科生開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)必修課，是工科學(xué)生接觸到的最早涉及工程問題的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，具有理論性強、知識點抽象、與工程實踐聯(lián)系緊密等特點。承擔(dān)著培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維、力學(xué)建模和解決復(fù)雜工程問題能力的任務(wù)和目標(biāo)，是為學(xué)生日后專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和未來工作學(xué)習(xí)打下堅實基礎(chǔ)的課程，對“大國工匠”和高層次工科人才培養(yǎng)起著舉足輕重的地位和作用。

但過往的材料力學(xué)課堂教學(xué)多采用大班上課形式，課堂內(nèi)容重經(jīng)典、輕現(xiàn)代，教學(xué)方法重理論、輕實踐，造成的結(jié)果是低階、陳舊、灌輸、封閉和不用心的“水課”蔓延，使人才培養(yǎng)離既定目標(biāo)漸行漸遠(yuǎn)，導(dǎo)致學(xué)生被動接受知識，主動性學(xué)習(xí)不足，缺乏運用所學(xué)知識發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力，缺乏創(chuàng)新意識，創(chuàng)新能力不足。因此如何在夯實學(xué)生力學(xué)理論的基礎(chǔ)上培養(yǎng)他們的工程思維和創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和專業(yè)志趣，實施材料力學(xué)課程的教學(xué)改革已經(jīng)是迫在眉睫的事情。

近幾年，徐鋒等[3]通過重組材料力學(xué)知識模塊，利用多維度素材建設(shè)、“教與學(xué)”模式轉(zhuǎn)變以及多指標(biāo)綜合評價等手段，打造“教學(xué)相長、內(nèi)外聯(lián)動、上下融合、虛實結(jié)合”的材料力學(xué)金課；周曉敏等[4]將ANSYS 軟件引入材料力學(xué)的課堂教學(xué)中，不僅可以加深學(xué)生對各類力學(xué)概念的理解，而且可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新性思維，有助于工程應(yīng)用型人才的培養(yǎng)；楊曉峰等[5]開展了工程問題導(dǎo)向型材料力學(xué)教學(xué)法改革與實踐。以工程問題為實例重點介紹應(yīng)用基本原理解決問題的思想與方法。

我校建設(shè)工程學(xué)院材料力學(xué)教研組立足工程創(chuàng)新人才觀，對材料力學(xué)課程進(jìn)行了一系列深入改革，建立了一套以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)，以傳授知識為中心，以解決問題為目的，以創(chuàng)新實踐為特點，以立德樹人為根本的課堂；堅持“力學(xué)理論與操作實踐相結(jié)合”“力學(xué)知識與工程案例相結(jié)合”培養(yǎng)具有工程素養(yǎng)與創(chuàng)新精神的卓越工程人才。

1 設(shè)計與實踐結(jié)合

蘇霍姆林斯基指出：“學(xué)生的厭學(xué)、精神不振等問題，都是由于沒有看到自己的力量與才能所造成的?！睘榇艘浴爱a(chǎn)出”為導(dǎo)向，組織課堂活動、搭建交流平臺。即由學(xué)習(xí)產(chǎn)品（創(chuàng)作作品、實驗報告、解決方案……）為固著點組織教學(xué)活動，讓學(xué)生在搜集、探究、展示、反饋的過程中建構(gòu)知識、啟迪思維、提升智慧、養(yǎng)育人格，并通過獲得成果激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)部動機，讓學(xué)習(xí)者體驗到知識收獲的成就感與解決問題的實踐智慧。

在材料力學(xué)課程中設(shè)計了結(jié)構(gòu)設(shè)計力學(xué)實踐活動，讓學(xué)生使用發(fā)放的指定材料，利用材料力學(xué)知識設(shè)計并制作一些簡單結(jié)構(gòu)。針對土木類專業(yè)的同學(xué)可以參照結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽題目要求學(xué)生設(shè)計并制作一個大跨的屋蓋結(jié)構(gòu)或簡單的橋梁結(jié)構(gòu)等，針對其他專業(yè)的同學(xué)可以參照周培源力學(xué)競賽題目要求同學(xué)設(shè)計并制作懸臂結(jié)構(gòu)等，由此為學(xué)生提供理論結(jié)合實踐的平臺，同時能在較低經(jīng)濟成本的前提下，為學(xué)生理論-實踐-再理論-再實踐的循序深化提供案例。啟發(fā)學(xué)生在實踐過程中產(chǎn)生新知識、新技能以及概念性框架。培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、團隊合作能力，深化學(xué)生理論理解，同時賦予了學(xué)習(xí)過程一定的競爭性，符合“95 后”“00 后”的學(xué)習(xí)習(xí)慣，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)材料力學(xué)課程的動力和興趣。

2 理論與工程結(jié)合

目前材料力學(xué)課堂教學(xué)多以理論講授為主，致使課程理論知識和工程實際脫節(jié)，為此采用案例教學(xué)法，加強學(xué)生對抽象概念的理解，真正體會到材料力學(xué)的魅力及其重要性，幫助學(xué)生樹立工程實踐意識和質(zhì)量安全意識。

案例教學(xué)法的關(guān)鍵是對案例素材的挖掘和整理，依據(jù)教學(xué)內(nèi)容和知識點，選擇更貼近工程實際的案例。比如在彎曲應(yīng)力一章中和同學(xué)們一起討論為什么雙杠的標(biāo)準(zhǔn)尺寸是總長3.5 m，外懸臂60 cm？為什么世博會挪威館的支撐梁設(shè)計成變截面梁？在應(yīng)力集中內(nèi)容的講解中通過介紹易拉罐頂部的刻痕，包裝袋上的缺口和切縫處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，啟發(fā)同學(xué)思考生活中應(yīng)力集中的例子。在講授壓桿穩(wěn)定性內(nèi)容時，選取“2008 年我國南方雪災(zāi)導(dǎo)致的輸電塔倒塌事件”作為案例，引導(dǎo)學(xué)生從材料的低溫冷脆、導(dǎo)線冷縮產(chǎn)生的溫度應(yīng)力、覆冰導(dǎo)致桿件內(nèi)力變化等方面分析高壓線塔倒塌的原因。從“理論→模型→工程→模型→理論→計算”的循環(huán)路徑中幫助學(xué)生掌握材料力學(xué)與工程問題之間的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和解決實際復(fù)雜工程問題的能力。

3 結(jié)語

材料力學(xué)的課程改革是一個持續(xù)的探索過程，旨在通過設(shè)計與實踐的結(jié)合啟發(fā)學(xué)生在實踐過程中產(chǎn)生新知識、創(chuàng)造新方法，培養(yǎng)學(xué)生從認(rèn)知到實踐再到創(chuàng)新，逐步深入鍛煉學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作能力。通過理論與工程的結(jié)合培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的能力，為學(xué)生搭建力學(xué)理論知識與工程實際之間的橋梁，使學(xué)生們可以直觀的了解材料力學(xué)理論的實際工程應(yīng)用。由此打造“兩性一度”的材料力學(xué)課程。