力學(xué)思維與創(chuàng)新能力的養(yǎng)成與實踐
——以材料力學(xué)課程教學(xué)創(chuàng)新為例

譚燕，肖衡林，周金枝，姜久紅，周安

（湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北武漢 430068）

材料力學(xué)是工科專業(yè)基礎(chǔ)課，主要研究桿件的變形與破壞規(guī)律，是從基礎(chǔ)課程到專業(yè)課程學(xué)習(xí)的重要橋梁。解決工程問題的力學(xué)思維方法和計算分析能力是學(xué)生專業(yè)能力提升的基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生具備良好的力學(xué)思維和創(chuàng)新能力是新工科創(chuàng)新人才培養(yǎng)的前提條件。

新工科建設(shè)要求“著力提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，加大課程整合力度，推廣實施案例教學(xué)、項目式教學(xué)等研究性教學(xué)方法，注重綜合性項目訓(xùn)練?！币虼耍た普n程改革的最終目標是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。材料力學(xué)的核心目標是培養(yǎng)學(xué)生力學(xué)思維，從而使學(xué)生具備應(yīng)用力學(xué)思維分析解決實際工程問題的能力[1-3]。教師在課程教學(xué)過程中，應(yīng)充分重視人才培養(yǎng)的全過程，重點關(guān)注學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力等創(chuàng)新素質(zhì)的培養(yǎng)，探索力學(xué)思維培養(yǎng)的考核方法，推進課程的教學(xué)創(chuàng)新。

1 問題剖析

經(jīng)過系統(tǒng)的學(xué)情動態(tài)調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，當前材料力學(xué)教學(xué)過程中存在的主要問題為學(xué)生難以將所學(xué)理論知識靈活應(yīng)用于實際，解決實際工程問題的能力薄弱，創(chuàng)新能力欠缺。分析主要原因：第一，現(xiàn)行教材中的多數(shù)例題和作業(yè)均為簡化后的力學(xué)模型，忽略了模型背后的問題背景，課程學(xué)習(xí)與工程實際脫節(jié)，導(dǎo)致遇到實際結(jié)構(gòu)時，學(xué)生不明確約束和荷載的簡化等，缺乏將實際問題凝練成力學(xué)模型的能力，實質(zhì)就是缺乏力學(xué)思維。第二，將實際問題凝練成力學(xué)模型是求解實際工程問題最重要的一步，由于對力學(xué)模型提煉的能力不足，同時傳統(tǒng)教學(xué)缺乏工程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生應(yīng)用能力得不到有效鍛煉。教學(xué)數(shù)據(jù)表明：對于關(guān)聯(lián)組合變形、超靜定等復(fù)雜問題的工程應(yīng)用類考題，考核達標率低于70%，學(xué)生工程應(yīng)用與創(chuàng)新能力不強。

2 培養(yǎng)策略與實踐

為有效解決上述教學(xué)問題，使學(xué)生形成良好的力學(xué)思維與創(chuàng)新能力，根據(jù)“從實踐中認識規(guī)律，再回到實踐中指導(dǎo)實踐”的認知規(guī)律，課程創(chuàng)新應(yīng)用理論與實踐結(jié)合的案例教學(xué)法[4-6]，從力學(xué)思維方法鍛煉、多場景案例剖析和創(chuàng)新實踐三個方面實施，培養(yǎng)學(xué)生良好的力學(xué)思維與創(chuàng)新能力?；诓牧狭W(xué)省級線上線下混合式一流本科課程平臺[7]，利用信息化技術(shù)，線上與線下相結(jié)合，課程設(shè)計了多元、柔性的全過程考核方案，兼顧了學(xué)生知識、能力和思政的考核。

2.1 力學(xué)思維方法錘煉

力學(xué)思維是根據(jù)具體生動的工程實際形成抽象的數(shù)學(xué)思維，再用抽象的數(shù)學(xué)思維指導(dǎo)工程實際的思維過程，具體表現(xiàn)為怎樣將實際問題抽象成為力學(xué)模型。模型從工程實際中來，想要將實際問題抽象為分析模型，需要對工程問題進行深入分析。教師要教會學(xué)生如何對研究對象、約束和荷載進行簡化，由繁到簡，抓住力學(xué)核心問題進行抽象化建模。而簡化的要點，就是引導(dǎo)學(xué)生抓住問題的主要矛盾和矛盾的主要方面，將問題模型化，將模型數(shù)學(xué)化[8]。

材料力學(xué)課程的發(fā)展過程是辯證思維發(fā)展的過程，內(nèi)容匯集大量的人類文明成果，每章內(nèi)容都體現(xiàn)了該思維方法的應(yīng)用。教師應(yīng)依托課程著重進行思維方法的教學(xué)與引導(dǎo)，如扭轉(zhuǎn)變形所用到的平面假設(shè)，指的是橫截面變形后仍然為平面，且形狀、大小和間距都不變，該假設(shè)在分析很多工程問題時可以借鑒應(yīng)用。

2.2 多場景案例剖析

學(xué)生掌握力學(xué)思維方法后，需要增長見識，積累經(jīng)驗，通過“理論—模型—實物—模型—理論”的多場景案例循環(huán)分析，掌握力學(xué)與工程問題之間的聯(lián)系，建立力學(xué)模型，正確表達工程問題。

2.2.1 思政案例深刻化，強化育人效果

團隊挖掘了課程的思政培養(yǎng)主線：“求真務(wù)實，百折不撓、團隊協(xié)作、力學(xué)的美”，將思政內(nèi)容與案例進行深度融合，思政素材根據(jù)具體的授課內(nèi)容以隱性滲透、二維碼案例穿插等方式融入課前錄播視頻、拓展課件、課中案例及課后拓展任務(wù)中。通過師生講案例，學(xué)生模擬與實踐案例，培養(yǎng)學(xué)生的力學(xué)思維，強化育人效果[9-10]。

以“如何在案例中講安全”為例，首先，師生講解安全案例：艦載機加速著陸，阻攔索3s 內(nèi)要攔住大于20t 的艦載機，如果阻攔索的韌性與強度達不到要求，將會造成難以估量的損失。其次，學(xué)生強化理解“力學(xué)對于安全的重要性”，然后參與安全案例。教師引入團隊項目，指導(dǎo)學(xué)生演繹FAST 天眼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算工作，通過項目模擬培育學(xué)生的安全意識。最后，實施結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計，學(xué)生獨立承擔安全設(shè)計工作，增強安全意識。

2.2.2 課程時空延展，案例循環(huán)分析

（1）戶外緒論課，講解身邊案例。教師帶領(lǐng)學(xué)生參觀校園熟悉的教學(xué)樓、小橋、廠房，認識材料力學(xué)的研究對象桿件、桿件與桿件之間的連接方式、各種連接如何簡化，參觀門式剛架廠房模型、歷年結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽模型等，分析模型中的連接方式如何還原工程，從工程—理論—模型，引導(dǎo)學(xué)生建立工程實物與力學(xué)模型之間的聯(lián)系。

（2）朋輩進課堂，榜樣示范。畢業(yè)學(xué)生回校時，再次走進材料力學(xué)課堂，以實際工程為案例，剖析數(shù)值模型建立全過程，從模型—理論—工程，挑戰(zhàn)仿真建模。同時教師錄制視頻，導(dǎo)入線上學(xué)習(xí)平臺，供學(xué)生反復(fù)學(xué)習(xí)。

（3）豐富二維碼案例素材庫，立體分析。教材通常只給出了簡化后的力學(xué)模型，團隊擴充了對應(yīng)的“實物—模型”二維碼案例素材庫，其包括文本和視頻，內(nèi)容形象立體。每一個案例都設(shè)置相應(yīng)的成長任務(wù)，為提高教學(xué)效果，教師可采用啟發(fā)式、討論式教學(xué)[11-12]。

案例教學(xué)設(shè)計采用進階分析[1]，以變速器的軸為例：低階：只受單一扭矩軸的模型，中階：既受扭矩又受彎矩軸的模型，高階：承受復(fù)雜工況的軸的力學(xué)問題分析。最后，教師給出分組挑戰(zhàn)任務(wù)，要求學(xué)生設(shè)計C919 大飛機的軸，討論當其材料、結(jié)構(gòu)形式發(fā)生改變時，大飛機軸設(shè)計的異同。教師從教會學(xué)生思維方法到案例剖析，逐階培養(yǎng)學(xué)生的力學(xué)思維和創(chuàng)新能力[6]。

2.3 創(chuàng)新實踐

材料力學(xué)課程創(chuàng)造性地設(shè)計了創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)，同時將競賽案例和科研項目等實踐活動引入課堂，多維度鍛煉學(xué)生將力學(xué)理論知識與工程應(yīng)用相結(jié)合的能力，培養(yǎng)學(xué)生工程思維，增強學(xué)生應(yīng)用能力。實踐任務(wù)有竹片、木條等各向異性材料彈性模量的測定、電子秤設(shè)計、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計等，有難有易，學(xué)生根據(jù)自身學(xué)習(xí)水平自選，分組開展設(shè)計[13]。

以學(xué)生挑戰(zhàn)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計為例，設(shè)計題目來源于國家建設(shè)重大工程，如長江大橋、特高壓輸電塔、嫦娥五號著陸器等，從材料力學(xué)的桿件出發(fā)，要求學(xué)生完成模擬設(shè)計。學(xué)生作為結(jié)構(gòu)設(shè)計師，通過四個環(huán)節(jié)：方案初步構(gòu)想—方案優(yōu)化—模型制作與加載—創(chuàng)新報告，最后呈現(xiàn)出作品，提升學(xué)生的工程應(yīng)用與創(chuàng)新能力。

（1）方案構(gòu)想：學(xué)生選定材料與結(jié)構(gòu)，充分激發(fā)創(chuàng)新思維。

（2）方案優(yōu)化：學(xué)生根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變等計算結(jié)果，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高分析計算能力。

（3）模型制作與加載：學(xué)生驗證實際受力與計算值是否一致，培養(yǎng)動手能力和實驗分析能力。

（4）創(chuàng)新報告：學(xué)生進行理論計算與模型實驗對比分析，科學(xué)表達問題，撰寫創(chuàng)新報告，培養(yǎng)綜合應(yīng)用能力。

3 考核方法與培養(yǎng)成效

課程依據(jù)“課前自學(xué)—課堂表現(xiàn)—課后任務(wù)”三個階段開展，從“階段測—期中測—實驗測—期末考”，采用“教學(xué)過程記錄一張表”，逐項落實，實施全過程考核。通過記錄表，學(xué)生可以了解自己的學(xué)習(xí)狀態(tài)，也可以了解同學(xué)的學(xué)習(xí)狀態(tài)，相互促進[14]。

教師通過完善課程知識圖譜，將知識點、能力點和學(xué)習(xí)資源關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)對力學(xué)模型提煉能力考核的可測可量，平臺自動統(tǒng)計結(jié)果表明：關(guān)聯(lián)“力學(xué)模型提煉”能力點的任務(wù)，學(xué)生掌握率達到了89%。后續(xù)專業(yè)課程反饋：學(xué)生力學(xué)思維活躍，模型提煉能力強，學(xué)習(xí)后勁足。結(jié)構(gòu)創(chuàng)新等實踐環(huán)節(jié)的考核內(nèi)容有模型制作、創(chuàng)新報告、口試答辯等，注重應(yīng)用與創(chuàng)新。

2020 學(xué)年至2023 學(xué)年的教學(xué)實踐與調(diào)查問卷表明：學(xué)生普遍認為學(xué)習(xí)方法和思維的轉(zhuǎn)變是他們?nèi)〉玫氖斋@。首先，近3 年課程優(yōu)良率提升了8.5%，不及格率從9.9%下降為1.0%，學(xué)生皆通過考核。其次，學(xué)生獲得全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽、大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽等國家級獎項，大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目由2017 年只有校級項目發(fā)展為獲批省級和國家級項目。師生協(xié)作建設(shè)了省級虛擬仿真實驗一流課程，學(xué)生的工程應(yīng)用與創(chuàng)新能力顯著增強。

4 結(jié)語

材料力學(xué)知識點多，概念抽象，理論性強，學(xué)習(xí)難度較大。學(xué)生要做到融會貫通，除了吸收教材上的知識，還需要結(jié)合工程實際案例拓展學(xué)習(xí)，在實踐中進行優(yōu)化，從而達到培養(yǎng)力學(xué)思維、提升創(chuàng)新能力的目的。力學(xué)思維和創(chuàng)新能力的養(yǎng)成有助于培養(yǎng)適應(yīng)新工科建設(shè)需求的應(yīng)用創(chuàng)新型高素質(zhì)人才，是力學(xué)教學(xué)發(fā)展的趨勢。