新工科背景下土木工程專業(yè)“材料力學(xué)”的教學(xué)改革與實(shí)踐研究

楊 鳳， 劉 軍， 吳 旻

(1.東華理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330013；2.東華理工大學(xué) 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育學(xué)院，江西 南昌 330013；

3.遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院 教務(wù)處，遼寧 沈陽(yáng)，110023)

早在20 世紀(jì)90 年代，美國(guó)就大力推崇工程教育“回歸工程”。進(jìn)入21世紀(jì)，美國(guó)又致力于培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力和領(lǐng)袖素質(zhì)的高水平工程技術(shù)人才。早在19世紀(jì)末期，歐洲高校通過(guò)加強(qiáng)校際協(xié)作、學(xué)生交流等方式促進(jìn)工程人才培養(yǎng)走向國(guó)際化。20世紀(jì)初期，日本、韓國(guó)、印度等亞洲國(guó)家也開(kāi)始實(shí)行產(chǎn)學(xué)合作、培養(yǎng)創(chuàng)新型工程科技人才工程教育改革[1，2]。

在我國(guó)，為主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、“中國(guó)制造2015”等一系列國(guó)家策略。自2016年“新工科”被正式提出以來(lái)，2017年相繼形成“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”，實(shí)現(xiàn)了新工科建設(shè)從概念到內(nèi)涵、行動(dòng)、方向等多個(gè)方面的體系化，并于同年發(fā)布了《關(guān)于開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐的通知》及《關(guān)于推薦新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》，全力探索形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國(guó)模式、中國(guó)經(jīng)驗(yàn)，助力高等教育強(qiáng)國(guó)建設(shè)，新工科建設(shè)也成為我國(guó)新時(shí)期高等工程教育改革的指導(dǎo)方針。然而，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，專用軟件分析和先進(jìn)的數(shù)值計(jì)算方法在工程實(shí)際中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，在此背景下，精確的定量計(jì)算和求解能力已不再是一名優(yōu)秀的土木工程師所要追求的主要目標(biāo)[3]。掌握力學(xué)概念、具有較強(qiáng)的工程性及結(jié)構(gòu)創(chuàng)新意識(shí)成為評(píng)價(jià)優(yōu)秀技術(shù)人員的主要依據(jù)。換言之，企業(yè)需要的是能夠?qū)⒘W(xué)概念與實(shí)際工程緊密聯(lián)系、有效融合，進(jìn)而在概念分析基礎(chǔ)上進(jìn)行合理結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的適應(yīng)新工科要求的土木工程師[4]。因此，“材料力學(xué)”作為工科專業(yè)的基礎(chǔ)，其教學(xué)目標(biāo)主要是提高學(xué)習(xí)者新穎的工業(yè)設(shè)計(jì)能力以及扎實(shí)的力學(xué)計(jì)算和分析能力。因而，研究新工科背景下“材料力學(xué)”課程體系的教學(xué)改革勢(shì)在必行。

1 “材料力學(xué)”課程特點(diǎn)及存在的問(wèn)題

“材料力學(xué)”是土木類專業(yè)學(xué)生最重要的學(xué)位課之一，也是工科類專業(yè)一門注重工程背景的技術(shù)基礎(chǔ)課程，具有理論嚴(yán)謹(jǐn)、邏輯縝密、工程應(yīng)用靈活多變的特點(diǎn)，是后續(xù)課程的基礎(chǔ)[5]。然而，隨著“新工科”的提出，目前“材料力學(xué)”課程的教學(xué)體系普遍存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。

1.1 教學(xué)內(nèi)容相對(duì)陳舊落后

目前，我國(guó)“材料力學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容與課程體系大部分還是沿用蘇聯(lián)的傳統(tǒng)模式，雖然經(jīng)過(guò)幾代力學(xué)前輩們的不懈努力，已形成了一定風(fēng)格，但是隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)、新科學(xué)、新材料和新工藝的不斷涌現(xiàn)，原有“材料力學(xué)”的教學(xué)內(nèi)容、課程體系不僅缺乏系統(tǒng)性和嚴(yán)密性，而且缺乏對(duì)學(xué)生從實(shí)際工程結(jié)構(gòu)向力學(xué)模型轉(zhuǎn)化能力的培養(yǎng)，難以適應(yīng)“新工科”建設(shè)要求[6]。

1.2 教學(xué)學(xué)時(shí)逐步減少

“材料力學(xué)”的知識(shí)體系復(fù)雜，內(nèi)容豐富，概念、公式較多，如果學(xué)生學(xué)習(xí)之前不了解知識(shí)體系，盲目學(xué)習(xí)會(huì)對(duì)課程知識(shí)“不真懂”，導(dǎo)致僅僅會(huì)解典型的習(xí)題，遇到實(shí)際工程問(wèn)題，就無(wú)從下手[5]。然而，在“新工科”建設(shè)背景下，“材料力學(xué)”課時(shí)減少，因此須刪除與其他課程重疊部分的內(nèi)容，這樣就忽視了力學(xué)體系的整體性和綜合性，過(guò)分強(qiáng)調(diào)和偏重單門力學(xué)課程的系統(tǒng)性，導(dǎo)致力學(xué)課程間的相互脫節(jié)，教學(xué)內(nèi)容與其他力學(xué)課程的聯(lián)系性、系統(tǒng)性差。其不利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和素質(zhì),不利于多專業(yè)、多層次人才的培養(yǎng)[7，8]。

1.3 教學(xué)手段相對(duì)單一

“材料力學(xué)”傳統(tǒng)的教學(xué)方法基本上是教師完全采用灌輸式的方法將知識(shí)教授于學(xué)生。不可否認(rèn)，這一傳統(tǒng)的教學(xué)方式具有學(xué)生與教師可以直接溝通、知識(shí)傳授快速高效的優(yōu)勢(shì)。但是在“新工科”大環(huán)境下，“材料力學(xué)”的課時(shí)一減再減，討論課、實(shí)踐課將不得不取消，導(dǎo)致師生互動(dòng)、生生互動(dòng)的環(huán)節(jié)也越來(lái)越少，學(xué)生在教學(xué)過(guò)程中參與度減少，難以真正理解“材料力學(xué)”的知識(shí)內(nèi)涵。因此，單純依靠傳統(tǒng)的教學(xué)手段是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，不僅直接影響教學(xué)效果，甚至抑制了學(xué)生自主創(chuàng)新學(xué)習(xí)的能力[9，10]。

2 解決措施

本文依據(jù)“新工科”背景下“材料力學(xué)”課程特點(diǎn)及存在問(wèn)題，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、成績(jī)?cè)u(píng)定等方面提出解決方案。

2.1 教學(xué)內(nèi)容的改革

“材料力學(xué)”知識(shí)點(diǎn)繁多且瑣碎，與“理論力學(xué)”“結(jié)構(gòu)力學(xué)”“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”的專業(yè)基礎(chǔ)課密切相關(guān)?！袄碚摿W(xué)”重點(diǎn)講述根據(jù)力的平衡條件求解系統(tǒng)的約束力，剛體的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題；“結(jié)構(gòu)力學(xué)”重點(diǎn)內(nèi)容為超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及位移計(jì)算；“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”要求掌握鋼桿的壓桿穩(wěn)定破壞。而“材料力學(xué)”要求重點(diǎn)掌握拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)和彎曲四種基本變形和組合變形條件下桿件的內(nèi)力、應(yīng)力、應(yīng)變、變形計(jì)算，并進(jìn)行相應(yīng)的強(qiáng)度和剛度計(jì)算。傳統(tǒng)“材料力學(xué)”是以鋼桿為研究對(duì)象，為了使得“材料力學(xué)”與“理論力學(xué)”“結(jié)構(gòu)力學(xué)”“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”等專業(yè)基礎(chǔ)課相結(jié)合，本文突破“材料力學(xué)”假設(shè)，在“材料力學(xué)”教學(xué)內(nèi)容中引入新材料、新結(jié)構(gòu)來(lái)鍛煉學(xué)生創(chuàng)建力學(xué)模型的能力，提高學(xué)生創(chuàng)新思維能力。另外，為了加強(qiáng)“材料力學(xué)”趣味性，在“材料力學(xué)”每一章節(jié)中增加一些具有代表性的工程分析案例、實(shí)際生活經(jīng)驗(yàn)來(lái)鞏固學(xué)生掌握“材料力學(xué)”知識(shí)點(diǎn)的能力，以此提高學(xué)生的視野，達(dá)到學(xué)以致用的效果。

2.2 教學(xué)手段的改革

“材料力學(xué)”的概念、理論和公式較多，學(xué)生在學(xué)習(xí)中經(jīng)常感覺(jué)枯燥，傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)不利于學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的提高。傳統(tǒng)教學(xué)邊講邊推導(dǎo)，利于教與學(xué)的互動(dòng)，但要求理想化理學(xué)模型，通過(guò)手算完成，教學(xué)精力主要集中在求解方法和技巧上，但不利于學(xué)生實(shí)際工程應(yīng)用能力的提升。然而，CAE技術(shù)可進(jìn)行仿真及優(yōu)化，可視化精確建模，結(jié)果可靠，并可在復(fù)雜的實(shí)際工程問(wèn)題中應(yīng)用。因此，在課堂上，教師可以給定一個(gè)實(shí)際工程，借助CAE軟件輔助教學(xué)，模擬實(shí)際工程，虛擬試驗(yàn)作用，驗(yàn)證學(xué)生想法，對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新思維和工程實(shí)踐能力的提高具有一定推動(dòng)作用。例如：講授懸臂梁的內(nèi)力時(shí)，以陽(yáng)臺(tái)上懸挑的矩形梁為例，懸挑長(zhǎng)度為2 400 mm、寬為300 mm、高為600 mm，彈性模量E=200 GPa，泊松比u=0.3，受均布荷載q=3 KN/m，然后結(jié)合ANSYS有限元軟件和MAPLE計(jì)算軟件求出梁的內(nèi)力。這個(gè)例子不僅可以使學(xué)生深刻理解求解內(nèi)力的意義，還可以讓學(xué)生掌握內(nèi)力的概念、求解及檢查，教學(xué)效果將達(dá)到事半功倍。

因此，融入工程背景及典型案例分析，與企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)的模式，利用MATLAB、 MAPLE等數(shù)值計(jì)算軟件及ANSYS仿真分析軟件作為輔助教學(xué)手段，建立理論分析和數(shù)值分析相結(jié)合、定量和定性分析相結(jié)合、理論教學(xué)和工程實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方法，重點(diǎn)培養(yǎng)數(shù)值分析、定性分析、工程實(shí)踐能力三個(gè)方面，可達(dá)到理論知識(shí)與實(shí)踐能力一體化教學(xué)的效果。

3 教學(xué)效果

將文中教學(xué)改革模式應(yīng)用到東華理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院土木工程專業(yè)結(jié)果顯示，學(xué)生的自主能力及創(chuàng)新能力取得巨大進(jìn)步，教師的業(yè)務(wù)水平也得到較大提高，主要體現(xiàn)在以下方面。

3.1 學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性得到大幅度提高

學(xué)生課上和課后學(xué)習(xí)的主動(dòng)性得到提高，并取得了一定的成績(jī)。具體表現(xiàn)在：其一，學(xué)生上課積極性得到提高，課堂出勤率、抬頭率明顯提升。近3年來(lái)，學(xué)生的出勤率保持在95%以上，課堂上學(xué)生會(huì)主動(dòng)跟著任課教師的思路思考，抬頭率也大幅度提升，學(xué)生自主完成作業(yè)的能力也得到提升。其二，學(xué)生期末成績(jī)也在穩(wěn)步提升。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析， 發(fā)現(xiàn)學(xué)生近5年來(lái)“材料力學(xué)”掛科率逐年下降，學(xué)生考研錄取率由2010年的10.25%提升到2020年的近40%。其三，學(xué)生在各類競(jìng)賽中取得了優(yōu)異的成績(jī)。如“寶冶杯”第十三屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽一等獎(jiǎng)；“建信杯”第四屆江西省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽一等獎(jiǎng)；第三屆江西省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽二等獎(jiǎng)兩項(xiàng)；“周培源力學(xué)競(jìng)賽”三等獎(jiǎng)多項(xiàng)；全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息技術(shù)大賽特等獎(jiǎng)一項(xiàng)、一等獎(jiǎng)一項(xiàng)；另外，在“挑戰(zhàn)杯”中國(guó)大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃賽、“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品賽、“中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等全國(guó)系列競(jìng)賽中也取得優(yōu)異成績(jī)，主要獲獎(jiǎng)情況見(jiàn)表1。

表1 學(xué)生獲獎(jiǎng)情況

3.2 教師的教學(xué)水平逐年提升

近年來(lái)，東華理工大學(xué)力學(xué)專業(yè)教師積極參加各類教學(xué)競(jìng)賽并取得了豐碩的教學(xué)成果。例如，2016年獲得全國(guó)第六屆基礎(chǔ)力學(xué)青年教師講課比賽二等獎(jiǎng)一項(xiàng)，2017年獲得第二屆全國(guó)高校城市地下空間工程專業(yè)青年教師授課大賽一等獎(jiǎng)一項(xiàng)，2019年獲得“中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)全國(guó)徐芝綸力學(xué)優(yōu)秀教師獎(jiǎng)”，等等。主要獲獎(jiǎng)情況見(jiàn)表2。

表2 教師獲獎(jiǎng)情況

4 結(jié)語(yǔ)

在“新工科”建設(shè)要求下，“材料力學(xué)”課程的教學(xué)改革研究還處于起步階段。基于該現(xiàn)狀，本文針對(duì)“材料力學(xué)”課程在教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容等方面存在的諸多問(wèn)題，提出在適應(yīng)“新工科”的高要求下，能夠大大提高學(xué)生工程實(shí)踐能力的“材料力學(xué)”教學(xué)模式，并在東華理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院土木工程專業(yè)實(shí)施應(yīng)用，取得較好的效果，達(dá)到提升大學(xué)生學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)、能力的目的，進(jìn)而更好地服務(wù)于社會(huì)的發(fā)展。