基于專業(yè)認(rèn)證及縮減課時(shí)背景下的《材料力學(xué)》課程教學(xué)研究

【摘?要】工程教育專業(yè)認(rèn)證是深化高校工程教育改革和質(zhì)量保證體系建設(shè)的重要舉措，縮減課程學(xué)時(shí)數(shù)是學(xué)生減負(fù)和發(fā)揮學(xué)習(xí)主體能動(dòng)性的必然選擇?！恫牧狭W(xué)》是巖土工程專業(yè)的核心課程，本文針對(duì)其課程目標(biāo)、主要內(nèi)容、教學(xué)方法和課程考核進(jìn)行了研究，以期用較少的課時(shí)教學(xué)活動(dòng)達(dá)成工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求。

【關(guān)鍵詞】材料力學(xué);工程教育認(rèn)證;教學(xué)改革;巖土工程

Abstract：Engineering education professional certification is an important measure to deepen the reform of engineering education in universities and the construction of the quality assurance system. Reducing the number of course hours is an inevitable choice for students to reduce the burden and give full play to the initiative of the learning body. Material mechanics is the core course of geotechnical engineering. This article studies its course objectives，teaching content，teaching methods and course assessment methods，in order to achieve the requirements of engineering education professional certification with less teaching activities.

Key words：material mechanics;engineering education certification;teaching reform，Geotechnical Engineering

在《高等數(shù)學(xué)》、《大學(xué)物理》、《理論力學(xué)》等相關(guān)前期課程的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，一般的工科本科專業(yè)都需進(jìn)行《材料力學(xué)》課程學(xué)習(xí)。材料力學(xué)更是土木工程專業(yè)一門重要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，它是后期結(jié)構(gòu)工程專業(yè)學(xué)習(xí)《結(jié)構(gòu)力學(xué)》，巖土工程專業(yè)學(xué)習(xí)《土力學(xué)》的重要基礎(chǔ)課程，也是后期《載荷設(shè)計(jì)》、《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》等課程學(xué)習(xí)的重要理論依據(jù)，因此必須對(duì)《材料力學(xué)》進(jìn)行嚴(yán)格的教與學(xué)。但在減負(fù)減學(xué)時(shí)前提下，如何保證該門課程的教學(xué)質(zhì)量及課程目標(biāo)能較好的滿足巖土工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)要求，是個(gè)值得深入探究的課題。本文在學(xué)習(xí)相關(guān)課題研究成果的基礎(chǔ)上[1，2，3]，參考《工程教育專業(yè)認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)（2018版）》要求，結(jié)合我校巖土工程專業(yè)人才定位、以及《材料力學(xué)》教學(xué)體會(huì)對(duì)該問題加以簡單探討。

1、巖土工程專業(yè)的《材料力學(xué)》課程目標(biāo)探討

工程教育認(rèn)證倡導(dǎo)“以學(xué)生為中心，以人才培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，持續(xù)改進(jìn)為目的”的教育理念，既以學(xué)生全體為對(duì)象，以畢業(yè)生應(yīng)具備的各項(xiàng)工程實(shí)踐能力為目標(biāo)，用以組織各項(xiàng)教育教學(xué)活動(dòng)，并加以不斷持續(xù)改進(jìn)。它是畢業(yè)生走上工作崗位后，能夠很快成為解決工程實(shí)踐問題的專家的教育保證。我校巖土工程專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)是一線土木工程師，進(jìn)而研究確定了該類人才應(yīng)具備的能力構(gòu)成，進(jìn)一步通過專家訪談、結(jié)合用人單位意見、學(xué)院學(xué)術(shù)委員會(huì)意見和授課教師意見，最終確定了我校巖土工程專業(yè)畢業(yè)生應(yīng)具備的能力指標(biāo)點(diǎn)體系，其中《材料力學(xué)》對(duì)應(yīng)四個(gè)畢業(yè)要求的指標(biāo)點(diǎn)，因此也就確定了《材料力學(xué)》有以下四個(gè)課程目標(biāo)：課程目標(biāo)1：提高學(xué)生對(duì)高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、理論力學(xué)等課程相關(guān)內(nèi)容的理解和應(yīng)用水平，掌握材料力學(xué)的基本理論和方法，能夠分析、解決一些簡單的土木工程實(shí)際問題，如構(gòu)件的強(qiáng)剛度計(jì)算，壓桿的穩(wěn)定性計(jì)算。課程目標(biāo)2：對(duì)于具體的土木工程構(gòu)件，要求學(xué)生能夠應(yīng)用物理、數(shù)學(xué)知識(shí)和材料力學(xué)原理，如幾何模型的抽象，約束的簡化，載荷的簡化;又如原始尺寸法、平面假設(shè)、強(qiáng)度理論的應(yīng)用，以準(zhǔn)確表達(dá)構(gòu)件變形形式。課程目標(biāo)3：能夠基于材料力學(xué)的基本原理，如材料的力學(xué)性能，變形類型及相應(yīng)的內(nèi)力分布特點(diǎn)，應(yīng)力分析和強(qiáng)度理論等，分析復(fù)雜工程構(gòu)件問題的解決方案。課程目標(biāo)4：熟悉萬能試驗(yàn)機(jī)的功能，初步領(lǐng)會(huì)其工作原理，掌握其操作流程、應(yīng)變片粘貼和連接、應(yīng)變儀的使用，確定驗(yàn)證材料力學(xué)相關(guān)理論正確性的試驗(yàn)方案，搭建實(shí)驗(yàn)，領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)流程并操作儀器，采集數(shù)據(jù)，形成報(bào)告。

2、《材料力學(xué)》的教學(xué)內(nèi)容及課時(shí)探討

作為一門獨(dú)立的學(xué)科課程，必然具有其獨(dú)特的學(xué)科價(jià)值，也必承擔(dān)著推動(dòng)學(xué)科自身發(fā)展的使命;作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，其又承擔(dān)著承上啟下、特別是啟下的課程作用。在國家加大大學(xué)辦學(xué)自主權(quán)的宏觀形勢下，以教育部學(xué)科高指委頒布的《材料力學(xué)本科教學(xué)大綱》為藍(lán)本，各高?？梢愿鶕?jù)自身辦學(xué)定位，制定符合本校專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的合理教學(xué)內(nèi)容，關(guān)于合理的課程體系及教學(xué)內(nèi)容的探討從未停息[4]，在此認(rèn)為，一本院校合理的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該是在基本保留《材料力學(xué)》自身學(xué)科價(jià)值的同時(shí)，更要能體現(xiàn)作為專業(yè)培養(yǎng)課程體系一環(huán)的專業(yè)基礎(chǔ)價(jià)值，方能達(dá)成人才培養(yǎng)目標(biāo)所規(guī)定的《材料力學(xué)》課程目標(biāo)，所以合理的教學(xué)內(nèi)容和課時(shí)主要是由這兩方面決定。

2.1《材料力學(xué)》的學(xué)科價(jià)值

法國人納維埃于1826年出版了一部以《材料力學(xué)》命名的著作，該著作明確以桿件的強(qiáng)度、剛度為研究對(duì)象，應(yīng)用其他學(xué)科從未用過的研究方法，既從幾何關(guān)系、物理關(guān)系及靜力關(guān)系三方面協(xié)同解決變形體的力學(xué)問題，從而將人類對(duì)該問題的認(rèn)識(shí)從文藝復(fù)興之前的經(jīng)驗(yàn)主義泥潭中帶了出來，同時(shí)也一舉奠定了《材料力學(xué)》的作為固體力學(xué)鼻祖學(xué)科的學(xué)科地位。即使是現(xiàn)代的固體力學(xué)，如彈性力學(xué)，彈塑性力學(xué)，甚至是有限元技術(shù)等，所運(yùn)用的主要力學(xué)理論研究方法仍然是這三個(gè)層次，只是上升為平衡、幾何偏微分方程及本構(gòu)關(guān)系。

2.2《材料力學(xué)》對(duì)巖土工程專業(yè)的價(jià)值

雖然《材料力學(xué)》中基本變形的理論成果都是基于平面假設(shè)得到的，屬于一門實(shí)用學(xué)科，但其概念明確，理論結(jié)果簡單，應(yīng)用起來自然方便。巖土工程專業(yè)課程體系涉獵廣泛，對(duì)力學(xué)基礎(chǔ)要求相對(duì)較高，《材料力學(xué)》的內(nèi)容及特點(diǎn)可以較好滿足本科生較快進(jìn)入專業(yè)學(xué)習(xí)。如內(nèi)力圖的快速繪制是學(xué)習(xí)《結(jié)構(gòu)力學(xué)》及《房屋建筑學(xué)》等課程的基本功，熟悉材料的力學(xué)性能是計(jì)算結(jié)構(gòu)極限載荷的基礎(chǔ)，應(yīng)力分析及強(qiáng)度理論是《土力學(xué)》分析承載力及穩(wěn)定性的重要理論依據(jù)，剪切與擠壓是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度計(jì)算的基礎(chǔ)，材料力學(xué)中得到的內(nèi)力分布規(guī)律是學(xué)習(xí)《載荷設(shè)計(jì)》及《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》等課程的重要理論基礎(chǔ)，總之，《材料力學(xué)》在巖土工程專業(yè)中的作用可以說是無處不在。

2.3合理的教學(xué)內(nèi)容與課時(shí)探討

由上述討論可見，學(xué)生通過該門課程的學(xué)習(xí)，不僅要會(huì)對(duì)桿件進(jìn)行剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性計(jì)算，還需對(duì)材料的力學(xué)性質(zhì)，點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)度理論有較為深刻理解;其次，鑒于巖土工程專業(yè)的《結(jié)構(gòu)力學(xué)》中，力法重點(diǎn)是莫爾積分法，而對(duì)非線性材料只能使用單位力法，可原力系作用下的微變形位移需隨時(shí)推導(dǎo)，再者《結(jié)構(gòu)力學(xué)》研究對(duì)象絕大部分限制于桿件，所以能量法中，對(duì)于非線性材料的一般構(gòu)件（不一定是桿件），顯然內(nèi)力直接求偏導(dǎo)的卡氏定理用著更為方便，所以卡氏定理需要講;最后，建筑構(gòu)件中承壓情況很多，所以歐拉公式也需講授。鑒于《材料力學(xué)》為巖土工程專業(yè)核心課程，其課時(shí)為優(yōu)先滿足課程，所以合理的教學(xué)內(nèi)容及課時(shí)為：軸心拉伸（壓縮）變形及材料性能（8h），扭轉(zhuǎn)變形（6h），彎曲變形（14h），剪切和擠壓變形（2h），應(yīng)力分析理論（4h），強(qiáng)度理論（2h），組合變形（6h），壓桿穩(wěn)定（3h），應(yīng)變能及卡氏定理（6），相應(yīng)的課程實(shí)驗(yàn)主要是利用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉壓，扭轉(zhuǎn)，純彎曲，測E和G實(shí)驗(yàn)，以及開放性自主試驗(yàn)。

3、《材料力學(xué)》教學(xué)理念和方法的探討

我國高校的教學(xué)理念主要是受前蘇聯(lián)的教學(xué)理念的影響，即偏向于學(xué)科教育，主要關(guān)注知識(shí)傳授和學(xué)科內(nèi)涵的建設(shè)。然而，工科專業(yè)最終必須面對(duì)具體的工程實(shí)踐的檢驗(yàn)，尤其巖土工程往往都是百年大計(jì)的工程，投資大，建設(shè)周期長，使用壽命長，所以降低建設(shè)成本，保證施工及交工后的使用安全至關(guān)重要;再者，中國土木工程走向世界是發(fā)展大勢所趨，所以我們培養(yǎng)的土木工程人才理應(yīng)是專業(yè)知識(shí)武裝起來的、能夠解決工程實(shí)際問題的、且能夠被世界認(rèn)可的專業(yè)人才。所以，巖土工程專業(yè)的材料力學(xué)的教學(xué)理念，一方面要繼續(xù)重視理論的推演和知識(shí)的傳承，更要重視知識(shí)所挈帶的能力內(nèi)涵的拓展和培養(yǎng)，以達(dá)成課程目標(biāo)和最終的人才培養(yǎng)目標(biāo)。

教學(xué)方法雖然可以千變?nèi)f化，甚至每個(gè)教師都可以有自己的方法和風(fēng)格，但萬變不離其宗的一點(diǎn)是，該方法必須有利于教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。較好地實(shí)現(xiàn)《材料力學(xué)》的學(xué)科價(jià)值和專業(yè)價(jià)值，是達(dá)成《材料力學(xué)》課程目標(biāo)的必充條件，因此該門課程較為理想的教學(xué)方法是：首先要讓學(xué)生明白解決固體力學(xué)問題的一般方法、或者說是思想，既從幾何關(guān)系、物理關(guān)系和靜力關(guān)系三方面考慮固體力學(xué)問題，課程中這種思考方法的宏觀體現(xiàn)是在各種基本變形內(nèi)力分布規(guī)律的理論推導(dǎo)環(huán)節(jié)，這一思考方法的細(xì)微用處可能小到回答一個(gè)小問題、甚至是一個(gè)小填空題。所以前面講述基本變形的幾章可以圍繞這個(gè)主題展開來講。其次，材料力學(xué)是學(xué)生遇到的第一門變形體力學(xué)，所以應(yīng)讓學(xué)生逐步加深明白什么是物體變形，為此，可以多對(duì)照物體位移，多關(guān)注求解或者推導(dǎo)應(yīng)變的變形圖繪制。再次，摩爾的應(yīng)力分析理論是《材料力學(xué)》的重要理論精華，在整個(gè)固體力學(xué)中有不可替代的學(xué)術(shù)地位，強(qiáng)度理論屬于塑性力學(xué)的范疇，也是重點(diǎn)和難點(diǎn)。以上諸點(diǎn)共同構(gòu)成了材料力學(xué)的學(xué)科價(jià)值和專業(yè)價(jià)值，也是各項(xiàng)教學(xué)活動(dòng)、任何教學(xué)方法都需以特別關(guān)注的重點(diǎn)。

4、《材料力學(xué)》考核方法的探索

由前述材料力學(xué)的課程目標(biāo)可見，與傳統(tǒng)學(xué)科培養(yǎng)模式下的課程目標(biāo)比較，二者顯然有巨大差別，主要表現(xiàn)在提高了對(duì)土木工程專業(yè)能力培養(yǎng)的要求。而能力只有通過不斷的實(shí)踐方可得到提高，同樣學(xué)生的能力也只有在教育教學(xué)過程中才能顯示出來，才能被全面客觀的評(píng)價(jià)。所以，目標(biāo)導(dǎo)向下的材料力學(xué)考核方式及內(nèi)涵應(yīng)該有所調(diào)整。

傳統(tǒng)的材料力學(xué)課程考核方式是：A期末考試占總成績的70%，主要由期末考試的卷面成績決定;B平時(shí)成績占總成績的 20%，主要是由學(xué)生的出勤和作業(yè)情況決定;C實(shí)驗(yàn)成績占比為10%，主要由學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告決定，由上述三方面構(gòu)成課程總成績。不難看出這樣的考核方式，過于看重結(jié)果而忽視了學(xué)習(xí)過程，造成的結(jié)果是相當(dāng)一部分學(xué)生平時(shí)不用功，課上不好好聽，課下抄作業(yè)，考前搞突擊，60分萬歲。

因此，考核改革總的思路是：A注重學(xué)習(xí)過程的考核，且考核的重點(diǎn)除了關(guān)注知識(shí)的掌握程度，更要關(guān)注應(yīng)用知識(shí)的能力，尤其是相關(guān)的工程實(shí)踐能力的表現(xiàn)。B增加材料力學(xué)大作業(yè)環(huán)節(jié)，以鍛煉解決綜合性工程實(shí)際問題的能力，C提高實(shí)驗(yàn)成績占比。具體的總評(píng)成績構(gòu)成為：期末占20%，平時(shí)60%（課后作業(yè)+大作業(yè)+課堂表現(xiàn)+考勤），實(shí)驗(yàn)占20%。

總之，通過多年來的不斷探索和努力，我校巖土工程專業(yè)得到專業(yè)認(rèn)證組專家的肯定，《材料力學(xué)》教育教學(xué)也經(jīng)受住了考驗(yàn)，尤其是通過成績考核內(nèi)涵的的改革，不僅滿足了專業(yè)認(rèn)證的核心要求，更是得到了大部分學(xué)生認(rèn)可，也極大調(diào)動(dòng)了學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)的積極性。

參考文獻(xiàn)：

[1]張曉亮，武春霞，楊文姝，王彥明. 工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下材料力學(xué)性能課程教學(xué)改革研究[J]. 廣東化工，2020（22）：182-183.

[2]陳平.專業(yè)認(rèn)證理念推進(jìn)工科專業(yè)建設(shè)內(nèi)涵式發(fā)展[J].中國大學(xué)教學(xué)，2014（1）：42-47.

[3]王懷文，計(jì)宏偉 .卓越工程師計(jì)劃下工科專業(yè)材料力學(xué)課程教學(xué)改革[J]. 中國冶金教育，2020（6）：42-44.

[4]王明祿.材料力學(xué)課程知識(shí)體系調(diào)整研究與實(shí)踐[J].中國教育技術(shù)裝備，2017（22）：90-92.

作者簡介：

劉新龍，1965年8月出生，男，漢族，西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院副教授，主要從事巖土工程教研工作。