“三高四新”背景下土木工程專業(yè)《材料力學》教學改革探索

王力東，郝海霞，彭旭龍，韓艷

（長沙理工大學 土木工程學院，湖南長沙 410114）

2020年9月，習近平總書記在湖南考察時勉勵湖南打造“三個高地”、踐行“四新”使命，即著力打造國家重要先進制造業(yè)、具有核心競爭力的科技創(chuàng)新、內陸地區(qū)改革開放的高地，在推動高質量發(fā)展上闖出新路子，在構建新發(fā)展格局中展現(xiàn)新作為，在推動中部地區(qū)崛起和長江經濟帶發(fā)展中彰顯新?lián)?，奮力譜寫新時代堅持和發(fā)展中國特色社會主義的湖南新篇章?！叭咚男隆笔姑?，是習近平總書記從戰(zhàn)略和全局高度對湖南發(fā)展做出的科學指引，構成了“十四五”乃至更長一個時期湖南發(fā)展的指導思想和行動綱領。土木工程作為長沙理工大學的優(yōu)勢學科之一，對省內土木工程人才的培養(yǎng)起著舉足輕重的作用。在新形勢下，開展《材料力學》教學改革，對培養(yǎng)符合“三高四新”戰(zhàn)略要求的土木工程專業(yè)復合型人才具有時代意義。

本文旨在探索“三高四新”戰(zhàn)略下土木工程專業(yè)《材料力學》課程的教學方法和手段。在《材料力學》的教學中融入新時代“三高四新”戰(zhàn)略人才培養(yǎng)需求，不僅可以引導學生深刻理解所學專業(yè)的重要意義，產生專業(yè)自豪感，同時能更好地將理論知識與工程應用相聯(lián)系，從而激發(fā)學生的學習積極性。這樣既有利于學生樹立正確目標，又能培養(yǎng)學生的社會使命感和責任感，從而使學生更好地掌握材料力學知識，提高教學質量。

1 教學改革現(xiàn)狀

1.1 “三高四新”背景下教學改革現(xiàn)狀

為服務湖南“三高四新”發(fā)展戰(zhàn)略，順應新時代人才培養(yǎng)需求，省內高校積極開展教學改革研究。湖南大學吳迪[1]認為，圍繞長沙正在實施的“三高四新”戰(zhàn)略目標，需通過教學改革、校企合作，加快培養(yǎng)適合企業(yè)需要的人才。南華大學[2]及時制定了《貫徹湖南“三高四新”戰(zhàn)略行動方案》，提出將教育教學、人才培養(yǎng)等方面與“八大任務”“五大行動”緊密結合起來。湖南師范大學袁冬梅等[3]分析了“三高四新”背景下商科經貿類人才培養(yǎng)需求，提出了新形勢下相應的改革建議。為更好地服務“三高四新”戰(zhàn)略，湖南工業(yè)大學羅竹輝等[4]針對《工業(yè)機器人及其應用》課程，從教學內容與體系、教學方法、實踐教學等方面提出了相應的改革措施。中南林業(yè)科技大學趙青等[5]針對“三高四新”和智慧農林背景下《機械原理》課程思政教學，提出了堅守課堂教學高地、打造網(wǎng)絡教學高地、開拓實踐教學高地等改革措施。湖南理工學院童耀南等[6]結合我省“三高四新”戰(zhàn)略背景，以大工程觀為指導，設計出符合該校實際情況的“4（4+1）”型電子信息類新工科人才培養(yǎng)模式。綜上可知，積極響應“三高四新”戰(zhàn)略需求，結合各高校人才培養(yǎng)特點和優(yōu)勢開展教學改革，已成為湖南省高校改革的一種趨勢。

1.2 土木工程專業(yè)《材料力學》教學改革現(xiàn)狀

《材料力學》作為土木工程專業(yè)的基礎課程，一直是教學改革的熱點。盧會芳和賀東青[7]從《材料力學》和后續(xù)課程的聯(lián)系出發(fā)，著重探討了材料力學與結構力學、混凝土結構原理及鋼結構原理等后續(xù)課程的關系。倪振強等[8]從普通高校的土木工程專業(yè)實際教學情況出發(fā)，對《材料力學》課程教學模式的創(chuàng)新進行了研究和探索。聞磊等[9]結合石家莊鐵道大學土木、機械、力學等專業(yè)人才培養(yǎng)方案、課外實踐活動等環(huán)節(jié)，根據(jù)《材料力學》教學中存在的問題，提出了理論教學和實踐教學相結合的改革舉措。為提高土木工程專業(yè)《材料力學》的教學效果，于海豐等[10]針對教學過程中發(fā)現(xiàn)的一些問題，從教師隊伍專業(yè)性、教學內容時效性、教學方法靈活性等方面進行了探索和嘗試。齊寶欣等[11]探討了將簡單的實際工程問題簡化成力學模型的《材料力學》課程教學模式，以提高土木工程專業(yè)學生學習《材料力學》的興趣、積極性和主觀能動性。張桂民等[12]根據(jù)《材料力學》課程安排，總結了與土木工程相關的幾個典型案例，認為這些案例可以作為教學案例展示給土木工程專業(yè)的學生。尚偉等[13]結合土木類專業(yè)和《材料力學》課程的特點，在截面法的基礎上總結出了軸向拉壓、扭轉和彎曲基本變形形式下構件內力求解的簡便方法。楊鳳等[14]針對《材料力學》課程在教學方法、教學內容等方面存在的不足，提出了新工科背景下提高土木工程專業(yè)學生實踐能力的《材料力學》教學模式，并在教學實踐當中取得了良好的教學效果。

以上研究針對土木工程專業(yè)《材料力學》教學，從教學方法、教學模式、教學內容、教學手段、評價方式等方面提出了不同的改革措施。因此，在現(xiàn)有措施的基礎上，結合“三高四新”戰(zhàn)略背景，提出符合新時代發(fā)展要求的《材料力學》教學改革方案，具有重要意義。

2 教學改革方案

根據(jù)新形勢下土木工程專業(yè)人才需求，結合土木工程專業(yè)《材料力學》教學特點，提出以下改革方案。

（1）優(yōu)化教學材料，在課程教學過程中適當增加土木工程相關案例。例如，在講解軸向拉伸和壓縮時，可以介紹土木工程結構當中經常出現(xiàn)的以軸向拉伸或者壓縮為主要變形特征的桿件，如斜拉橋的拉索、房屋結構的立柱；在講解梁的合理截面形狀時，可以引入高速鐵路簡支箱梁或大跨度橋梁箱型截面梁設計作為講解材料；在講解組合變形時，可以引入大跨度橋梁的橋塔、工業(yè)廠房的立柱等素材。同時，在引入相關案例時，盡量選用我國近年來新建的大型土木工程結構，這樣不僅可以使學生熟悉素材，而且能培養(yǎng)學生的專業(yè)自豪感。

（2）拓展教學內容，在課程教學過程中適當增加材料力學的最新研究成果。例如，在講解提高材料力學性能時，可以介紹纖維增強復合材料的力學性能和研究進展。目前，纖維增強復合材料在軌道交通、航空航天、土木工程等領域實現(xiàn)了廣泛應用。在課程講授過程中，可以向學生介紹纖維增強復合材料的優(yōu)點、制備工藝、力學行為、聲和熱等物理性能以及在高性能化和多功能化等方面的研究進展，以激發(fā)學生對材料力學的學習興趣；同時，還可以在纖維增強復合材料的介紹中融入課堂思政，介紹該類材料在我國先進裝備制造、土木工程等領域為實現(xiàn)碳中和、碳達峰所做的貢獻。

（3）調整教學方法，提高學生分析問題和解決工程問題的能力。土木工程專業(yè)的學生學習《材料力學》，應在課程學習過程中鍛煉他們運用材料力學解決實際工程問題的能力。為達到該目的，可以在課堂訓練中增加關于實際工程案例的分析題。例如，在講解梁的合理設計時，可以針對“無錫高架橋側翻”等獨柱墩橋梁側翻問題展開討論，讓學生運用所學材料力學知識進行解釋。除此之外，還應該增加學生解決工程問題的手段。目前ANSYS、MIDAS/Civil 是土木工程領域常用的有限元分析軟件，借助有限元軟件開展結構設計和分析是新時代土木工程領域工作者的必備技能。因此，在《材料力學》的學習過程中應鍛煉學生使用有限元軟件分析簡單工程問題的能力。

（4）鼓勵學生參加土木工程相關創(chuàng)新訓練項目，鍛煉學生的創(chuàng)新能力。一方面可以鼓勵學生參加各類結構設計競賽，以賽促學。長沙理工大學土木工程學院擁有省級“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育平臺”，在大學生結構設計競賽方面擁有豐富的指導經驗，目前已連續(xù)7 次獲全國大學生結構設計競賽一等獎。因此，可以充分利用學院的資源和優(yōu)勢鍛煉學生的創(chuàng)新能力。另一方面，土木工程學院擁有一群高水平導師隊伍，每年主持省級以上科研項目數(shù)十項，因此可以鼓勵學生參與導師科研課題，在參與解決科學前沿問題中鍛煉學生的創(chuàng)新能力。

（5）融入“湖南元素”，培養(yǎng)學生建設祖國、建設湖南的責任感和使命感。湖南擁有一批與材料力學緊密相關的行業(yè)龍頭企業(yè)（如中建五局、中國中車），也建造了多項可稱之為“湖南名片”的重大工程項目（如矮寨大橋、長沙磁浮線），因此可以將上述元素融入《材料力學》的講解過程當中。例如，在講解軸向拉伸時，可以矮寨大橋吊索的受力和變形特征作為課程導入；在講解梁的位移時，可以長沙中低速磁浮線為例，與學生分享設計規(guī)范中關于軌道梁撓度和轉角的相關規(guī)定。通過將上述元素融入《材料力學》課堂教學，一方面向學生展示朝氣蓬勃、發(fā)展勢頭強勁的湖南，另一方面也為“三高四新”戰(zhàn)略培養(yǎng)后備人才。

3 結語

“三高四新”使命，是習近平總書記從戰(zhàn)略和全局高度對湖南發(fā)展做出的科學指引，構成了“十四五”乃至更長一個時期湖南發(fā)展的指導思想和行動綱領。本文以此為背景，根據(jù)新形勢下人才培養(yǎng)需求提出了《材料力學》教學改革方案，包括優(yōu)化教學材料、拓展教學內容、調整教學方法、鼓勵學生參加土木工程相關創(chuàng)新訓練項目和融入更多“湖南元素”。擬通過上述改革，在提高《材料力學》教學質量的同時，為“三高四新”戰(zhàn)略培養(yǎng)符合時代要求的復合型土木工程人才。