應(yīng)用技術(shù)型大學(xué)材料力學(xué)課程教學(xué)改革與實(shí)踐
——以北部灣大學(xué)為例

孫 騰 何永玲 魯 娟＊ 潘宇晨 吳 飛

（北部灣大學(xué)機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院，廣西 欽州 535000）

0 引言

材料力學(xué)是工程類學(xué)科極為重要的一門基礎(chǔ)課，是研究材料在各種外力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變、應(yīng)力、強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定和導(dǎo)致各種材料破壞的極限。在大學(xué)四年的本科教學(xué)中，主要涉及的課程包括高等數(shù)學(xué)、概率統(tǒng)計(jì)、材料科學(xué)基礎(chǔ)以及計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)等內(nèi)容。在我國(guó)由制造大國(guó)向高端裝備轉(zhuǎn)型的大背景下，培養(yǎng)具有堅(jiān)實(shí)力學(xué)基礎(chǔ)的工程技術(shù)人才，對(duì)研發(fā)高端科技裝備的穩(wěn)定性與可靠性具有重要意義。在材料力學(xué)的教學(xué)改革過程中，如何提高學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，提高他們的分析問題、解決問題的能力，是應(yīng)用技術(shù)型本科教育亟待解決的重要問題。本文以北部灣大學(xué)機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院的材料力學(xué)課程改革為例，詳細(xì)闡述了材料力學(xué)課程中存在的問題和教學(xué)改革措施。

1 材料力學(xué)課程教學(xué)中存在的問題

材料力學(xué)課程在教學(xué)過程中還是存在著很多問題的。首先，就材料力學(xué)課程而言，具有課程涵蓋科目廣；力學(xué)基礎(chǔ)概念、公式較多，難以記憶；書本內(nèi)容抽象，學(xué)生理解困難；面對(duì)實(shí)際工程問題，學(xué)生很難應(yīng)用書本內(nèi)容對(duì)問題簡(jiǎn)化，建立準(zhǔn)確的力學(xué)模型。以北部灣大學(xué)機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院的學(xué)生為例，在學(xué)習(xí)材料力學(xué)課程授課前，筆者初步統(tǒng)計(jì)，還有30%學(xué)生在理論力學(xué)、材料工程、高等數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)課程中掛科，導(dǎo)致后續(xù)授課過程中涉及到前面所學(xué)習(xí)的概念和知識(shí)點(diǎn)時(shí)，部分原本就未理解的學(xué)生學(xué)習(xí)起來更為困難，進(jìn)而影響后續(xù)內(nèi)容的深入學(xué)習(xí)。其次，就任課教師而言，材料力學(xué)作為一門傳統(tǒng)工科類基礎(chǔ)課程，需要應(yīng)對(duì)學(xué)科枯燥、學(xué)生基礎(chǔ)參差不齊、力學(xué)理論過于抽象等困難，在教學(xué)實(shí)踐中，教學(xué)手段較為單一，通常按照“制訂教學(xué)計(jì)劃—利用多媒體講解教材內(nèi)容—安排課后作業(yè)鞏固”的傳統(tǒng)模式進(jìn)行教學(xué)，遵循這種標(biāo)準(zhǔn)流程雖然能夠按時(shí)完成教學(xué)任務(wù)，卻很難做到理論聯(lián)系實(shí)際。此外，對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)效果的評(píng)定也嚴(yán)重依賴平時(shí)作業(yè)和期末考試分?jǐn)?shù)。除此之外，由于學(xué)生數(shù)量較多，而專業(yè)的材料實(shí)驗(yàn)設(shè)備較少，導(dǎo)致學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力偏弱。最后，就學(xué)生而言，雖然能夠利用材料力學(xué)書本中的計(jì)算公式完成教師布置的作業(yè)，但并沒有對(duì)公式進(jìn)行理解和拓展，導(dǎo)致學(xué)生簡(jiǎn)單地將材料力學(xué)課程認(rèn)為是一門“背公式課程”，嚴(yán)重影響學(xué)生在將來的實(shí)際工作中，將知識(shí)活學(xué)活用的能力。綜上所述，可將材料力學(xué)課程教學(xué)中存在的問題歸納為四點(diǎn)：（1）學(xué)生基礎(chǔ)偏弱，教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)進(jìn)程需要調(diào)整；（2）教學(xué)方式傳統(tǒng)，未能迎合時(shí)代潮流；（3）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不夠豐富，學(xué)生動(dòng)手能力偏弱；（4）評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)過于單一，缺乏全面完善的考核模式。

2 材料力學(xué)教學(xué)改革措施

2.1 進(jìn)一步明確培養(yǎng)人才的目標(biāo)

2.1.1 應(yīng)用型人才培養(yǎng)

目前，我國(guó)制造業(yè)正處在快速發(fā)展階段，急需大量的專業(yè)技術(shù)人才，而培養(yǎng)這些專業(yè)人才的任務(wù)主要集中在高校身上。在這些高校中，絕大多數(shù)都是以培養(yǎng)應(yīng)用技術(shù)型人才為主。以筆者所在的北部灣大學(xué)為例，學(xué)校的定位是建設(shè)一所高水平的應(yīng)用技術(shù)型大學(xué)。在現(xiàn)階段中國(guó)教育的背景下，應(yīng)用技術(shù)型大學(xué)是區(qū)別于研究型大學(xué)以及當(dāng)前高職院校的一種辦學(xué)類型。應(yīng)用型大學(xué)培養(yǎng)的學(xué)生，動(dòng)手能力強(qiáng)于研究型，理論基礎(chǔ)和專業(yè)能力又強(qiáng)于高職院校。在材料力學(xué)授課過程中，應(yīng)側(cè)重三個(gè)“用”的能力，即學(xué)生的動(dòng)手測(cè)試材料力學(xué)行為的能力，面對(duì)實(shí)際工程問題應(yīng)用力學(xué)原理進(jìn)行分析的能力和給出最終解決方案的能力。

2.1.2 科研型人才培養(yǎng)

在北部灣大學(xué)的施教過程中，雖然絕大多數(shù)同學(xué)都會(huì)進(jìn)入生產(chǎn)或設(shè)計(jì)一線崗位，但也有一部分同學(xué)希望進(jìn)一步深造，增強(qiáng)自己的科學(xué)研究能力。不同于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)方案，科研型人才的培養(yǎng)則更側(cè)重于“這個(gè)公式是如何提出的，公式的計(jì)算原理是什么，是否能夠根據(jù)具體的工況進(jìn)行改進(jìn)，并提出新的公式”。同時(shí)，在具體的教學(xué)過程中，也更側(cè)重于問題的本質(zhì)，即“為什么會(huì)存在這樣的問題”“這個(gè)問題到底是哪一類問題”“這類問題會(huì)產(chǎn)生什么樣的結(jié)果”。在教學(xué)中明確了科研型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，從而合理組織開展教學(xué)互動(dòng)環(huán)節(jié)，激發(fā)他們的創(chuàng)造性思維。

2.2 豐富教學(xué)手段

2.2.1 加深基本概念理解、明確公式應(yīng)用范圍

筆者發(fā)現(xiàn)，在材料力學(xué)的授課過程中，通過將材料力學(xué)中的重點(diǎn)概念集中講解，有利于學(xué)生對(duì)后續(xù)公式的理解。強(qiáng)調(diào)公式中各變量的關(guān)系及各材料參數(shù)的物理意義可以有效加深學(xué)生對(duì)公式的理解。材料力學(xué)中涉及很多復(fù)雜公式，以往學(xué)生大都是對(duì)公式生搬硬套，并不理解實(shí)際公式的前提條件和所應(yīng)用的具體范圍。大多數(shù)學(xué)生往往在考試前通過“連夜突襲”的方式對(duì)考試中重點(diǎn)涉及的公式進(jìn)行記憶，這導(dǎo)致“考完即忘”的不利后果，嚴(yán)重影響后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。因此，通過分組討論公式的具體含義，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考，有利于減少學(xué)生對(duì)復(fù)雜公式的恐懼，對(duì)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和獨(dú)立思考能力有著重要作用。在與學(xué)生的活動(dòng)環(huán)節(jié)中，將布置的課后作業(yè)與實(shí)際的工程案例相結(jié)合，通過“提問+討論”的方式，將所學(xué)的基本概念、計(jì)算原理與實(shí)際工程中失效零部件相融合。學(xué)生在互相提問“是什么原因?qū)е碌牧悴考А薄吧婕傲四男┎牧狭W(xué)中的概念”“針對(duì)這種工況應(yīng)選用何種計(jì)算公式來評(píng)估材料的失效原因”等具有啟發(fā)式的問題，夯實(shí)了材料力學(xué)課程所涉及的基本概念，為以后的課程學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2.2 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與材料力學(xué)相結(jié)合

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)際工程問題進(jìn)行力學(xué)仿真，已成為解決工程實(shí)際問題的有效途徑之一。常用的力學(xué)分析軟件如ANAYS，ABAQUS，MATLAB已成為應(yīng)用較為廣泛的有限元分析和數(shù)值求解軟件。這些軟件中兼容了大量的材料力學(xué)數(shù)學(xué)模型，這些模型可以為工程實(shí)際生產(chǎn)中，產(chǎn)生的材料失效行為做出預(yù)判。在材料力學(xué)授課前，可先將本節(jié)課涉及到的重點(diǎn)概念與目前當(dāng)下主流的有限元仿真軟件相結(jié)合，通過對(duì)力學(xué)模型的提煉（如圖1所示），對(duì)簡(jiǎn)化后的力學(xué)模型進(jìn)行有限元分析，可以得到應(yīng)力、應(yīng)變、MISES應(yīng)力等力學(xué)量的分布云圖（如圖2所示），將復(fù)雜抽象的力學(xué)量以計(jì)算機(jī)圖形的方式展現(xiàn)給每一位學(xué)生。同時(shí)，軟件的二次開發(fā)也為學(xué)生提供了一個(gè)平臺(tái)，通過對(duì)現(xiàn)有公式的理解，可以將自己提出改進(jìn)的公式編程，并驗(yàn)證自己的想法是否合理。在材料力學(xué)的教學(xué)工程中，應(yīng)充分利用學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)軟件的興趣，合理的利用計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)多媒體資源，將材料力學(xué)中的概念可視化、工程化。這極大地提升了學(xué)生工程分析能力和科學(xué)研究能力。

圖1 力學(xué)模型的簡(jiǎn)化

圖2 有限元模擬仿真結(jié)果-Mises應(yīng)力云圖

2.3 依據(jù)材料力學(xué)知識(shí)，探討實(shí)際工程問題

2.3.1 充分利用中、外數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行調(diào)研

傳統(tǒng)式的以教材為中心的授課模式，很難滿足學(xué)校對(duì)應(yīng)用技術(shù)大學(xué)的要求，尤其是以教師為中心的“一言之堂”的授課模式很難培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)新能力。常見的課堂討論與分組匯報(bào)的模式，雖然能夠帶動(dòng)課堂氣氛，促使學(xué)生主動(dòng)思考問題，但如何引入一種以實(shí)際工程問題為依托的教學(xué)模式急需在應(yīng)用技術(shù)大學(xué)的課堂上有效展開。對(duì)教師而言，在實(shí)際備課的過程中，教師可以通過文獻(xiàn)查閱，如知網(wǎng)、萬方、Web of Science和Elsevier Science等中英文數(shù)據(jù)庫(kù)中搜集有關(guān)材料力學(xué)在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的大量圖片來引導(dǎo)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。對(duì)學(xué)生而言，學(xué)生需要對(duì)教師在課堂上提出的工程問題，從材料制造工藝、材料力學(xué)、數(shù)學(xué)建模的角度進(jìn)行全面闡述，這有利于學(xué)生對(duì)所學(xué)過內(nèi)容進(jìn)行全面梳理，也能增強(qiáng)學(xué)生對(duì)力學(xué)、材料、數(shù)學(xué)、有限元等方面的興趣與探索欲，由被動(dòng)接受知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)的良好循環(huán)教學(xué)模式。

2.3.2 豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高學(xué)生動(dòng)手能力

在注重工程背景的同時(shí)，也需要重視增加材料力學(xué)的基本實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。如材料力學(xué)中低碳鋼和鑄鐵試件的力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，兩種不同材料展示出了不同的斷裂失效形式。通過讓學(xué)生比較兩種材料的斷口形貌，回顧金屬工藝學(xué)、材料科學(xué)基礎(chǔ)等相關(guān)知識(shí)，并提出如何從材料的宏微觀角度，解釋低碳鋼和鑄鐵試件不同的失效原因。通過矩形截面梁在純彎曲狀態(tài)下橫截面上的正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，能夠觀察到梁在純彎曲時(shí)橫截面正應(yīng)力的大小以及分布規(guī)律。學(xué)生通過材料力學(xué)數(shù)值估算和有限元軟件建模分析，檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)論是否一致，這一過程很大程度上增強(qiáng)了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。在動(dòng)手操控實(shí)驗(yàn)設(shè)備的過程中，掌握拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)、材料的疲勞性能測(cè)試、扭矩實(shí)驗(yàn)、引伸計(jì)、電阻應(yīng)變儀等設(shè)備的基本工作原理及使用方法。通過對(duì)這些實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用，有利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，掌握基本的材料性能測(cè)試原理，有利于學(xué)生奠定堅(jiān)實(shí)的材料力學(xué)測(cè)試基礎(chǔ)。

2.3.3 構(gòu)建科學(xué)、多樣化的評(píng)價(jià)體系

豐富教育教學(xué)方式，合理調(diào)整考核體系是調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性的有效手段之一。不同于傳統(tǒng)的課程考核形式，筆者將材料力學(xué)的教學(xué)成果評(píng)價(jià)體系分為了三大部分：（1）平時(shí)成績(jī)分?jǐn)?shù)主要包括學(xué)生能夠按照自己的理解闡述材料力學(xué)中的基本概念。在同學(xué)之間的互動(dòng)環(huán)節(jié)中，能否從材料力學(xué)的角度解釋材料及結(jié)構(gòu)失效的原因并舉出教材中力學(xué)公式的局限性；（2）課后作業(yè)包括兩部分，一部分是數(shù)值理論計(jì)算，另一部分是通過有限元計(jì)算得出結(jié)構(gòu)的受力云圖，并結(jié)合有限元的分析結(jié)果寫出分析報(bào)告，詳細(xì)闡述力學(xué)模型的構(gòu)建、材料力學(xué)本構(gòu)模型的選取以及結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)截面的優(yōu)化方案。（3）筆試在原有考試內(nèi)容的基礎(chǔ)上，增加了實(shí)際工程案例論述題。學(xué)生需要通過材料力學(xué)的原理，從工程案例中提煉出力學(xué)模型，闡述結(jié)構(gòu)失效的原因，通過課堂上講授的材料力學(xué)公式，估算出結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的受力情況。

3 結(jié)語(yǔ)

通過以上“明確培養(yǎng)目標(biāo)+基本概念與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)相融合+針對(duì)實(shí)際問題提問與討論+多樣化的評(píng)價(jià)體系”的一套教學(xué)流程，可以大幅提高學(xué)生對(duì)材料力學(xué)知識(shí)的理解。筆者通過收集實(shí)際機(jī)械工程零部件失效案例，學(xué)生試著通過對(duì)零部件實(shí)際工況進(jìn)行力學(xué)模型提煉，利用材料力學(xué)中的計(jì)算公式進(jìn)行試算并通過有限元分析來解決實(shí)際的工程問題。整個(gè)過程活躍了學(xué)生的課堂氣氛，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考敢于挑戰(zhàn)現(xiàn)有結(jié)論并給出合理解釋的能力，提高了學(xué)生對(duì)復(fù)雜公式的理解。