以工程應(yīng)用為導(dǎo)向的“材料力學(xué)”教改探索

［摘 要］ “材料力學(xué)”是航空航天、土木工程、機(jī)械工程以及相關(guān)專(zhuān)業(yè)大學(xué)生的必修課程，是研究材料在不同載荷作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變問(wèn)題以及剛度和強(qiáng)度問(wèn)題的學(xué)科。在當(dāng)前國(guó)家重大需求的工程背景下，傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和考核模式難以發(fā)揮材料力學(xué)在工程應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)用價(jià)值，亟須探索以工程應(yīng)用為導(dǎo)向的“材料力學(xué)”教學(xué)改革策略。通過(guò)提出以工程應(yīng)用為導(dǎo)向引出材料力學(xué)背景、以先進(jìn)材料為導(dǎo)向關(guān)聯(lián)材料力學(xué)要點(diǎn)、以工程軟件為輔助再現(xiàn)材料力學(xué)問(wèn)題、以理論結(jié)合實(shí)際的方式調(diào)整考核評(píng)價(jià)模式四項(xiàng)教學(xué)改革措施，激發(fā)大學(xué)生的科學(xué)探索興趣和學(xué)術(shù)研究能力，大幅提升大學(xué)生的創(chuàng)新與實(shí)踐水平，滿(mǎn)足新時(shí)代創(chuàng)新型人才和應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需求。

［關(guān)鍵詞］ 材料力學(xué)；工程應(yīng)用；創(chuàng)新型人才；應(yīng)用型人才

［基金項(xiàng)目］ 2020年度中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目“基于熱阻塞效應(yīng)的新型防隔熱結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)方法”（2020RC009）

［作者簡(jiǎn)介］ 李瑋潔（1989—），女，吉林榆樹(shù)人，工學(xué)博士，北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院副教授，主要從事先進(jìn)復(fù)合材料力學(xué)性能評(píng)價(jià)研究。

［中圖分類(lèi)號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1674-9324（2023）22-0049-05［收稿日期］ 2022-11-04

“材料力學(xué)”研究材料在各種力和力矩的作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變問(wèn)題以及剛度和強(qiáng)度的問(wèn)題，是航空航天、土木工程、機(jī)械工程以及相關(guān)專(zhuān)業(yè)的必修基礎(chǔ)課程。在教學(xué)過(guò)程中，要求學(xué)生掌握工程問(wèn)題所需的材料力學(xué)的基本概念、基本假設(shè)、基本原理和分析求解方法，掌握復(fù)雜材料力學(xué)問(wèn)題的基本模型、基本方程的建立技術(shù)及分析求解方法，為后續(xù)有關(guān)的專(zhuān)業(yè)課程打下理論基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，近年來(lái)航空航天、汽車(chē)工業(yè)、軌道交通、機(jī)械制造等領(lǐng)域的技術(shù)突飛猛進(jìn)，我國(guó)提出了相關(guān)領(lǐng)域的一系列重大工程。面向新時(shí)代的工程應(yīng)用需求，材料力學(xué)發(fā)揮著不可替代的作用。然而，傳統(tǒng)的“材料力學(xué)”的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和考核模式難以使學(xué)生了解該學(xué)科內(nèi)容在工程應(yīng)用領(lǐng)域中的實(shí)用價(jià)值，亟須探索以工程應(yīng)用為導(dǎo)向的“材料力學(xué)”教學(xué)改革策略。

一、“材料力學(xué)”課程教學(xué)中存在的問(wèn)題

（一）應(yīng)用目標(biāo)模糊

在當(dāng)前“材料力學(xué)”課程的教學(xué)過(guò)程中，各個(gè)章節(jié)的引言部分仍然通過(guò)簡(jiǎn)單的桿、軸、梁等研究對(duì)象的變形形式引入問(wèn)題。例如，通過(guò)人在橋上行走的示例介紹并引入梁彎曲變形，將人在橋上站立視為集中載荷作用于橋梁之上，引起橋梁彎曲。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和科研能力的提升，《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》指出，我國(guó)將“瞄準(zhǔn)人工智能、量子信息、集成電路、生命健康、腦科學(xué)、生物育種、空天科技、深地深海等前沿領(lǐng)域，實(shí)施一批具有前瞻性、戰(zhàn)略性的國(guó)家重大科技項(xiàng)目”［1］。引入傳統(tǒng)的材料力學(xué)問(wèn)題的方式與當(dāng)前階段熱點(diǎn)工程的實(shí)際問(wèn)題缺乏直接、顯著的關(guān)聯(lián)，同時(shí)，這樣的問(wèn)題引入方式對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)枯燥、乏味，導(dǎo)致學(xué)生難以體會(huì)到教師所講授的內(nèi)容與實(shí)際的聯(lián)系，無(wú)法激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)材料力學(xué)理論的熱情。

（二）教學(xué)內(nèi)容乏味

“材料力學(xué)”課程的講授內(nèi)容主要包括緒論及基本概念、軸向拉伸和壓縮、剪切和連接、扭轉(zhuǎn)、彎曲內(nèi)力、彎曲應(yīng)力、彎曲變形、應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)度理論、組合變形等，課堂上一般采用書(shū)寫(xiě)數(shù)學(xué)公式、講解公式中的符號(hào)含義以及求解數(shù)學(xué)公式的方法等方式進(jìn)行上述內(nèi)容的講授［2-3］。例如，講授扭轉(zhuǎn)應(yīng)力時(shí)，通過(guò)推導(dǎo)幾何關(guān)系、物理關(guān)系（本構(gòu)方程）和平衡關(guān)系獲取軸應(yīng)力的表達(dá)式，在教學(xué)過(guò)程中，講授的內(nèi)容全部為數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)過(guò)程。從學(xué)生在課堂上的表現(xiàn)來(lái)看，講授前幾個(gè)公式時(shí)，學(xué)生的注意力較為集中，能夠掌握教師所講的內(nèi)容，隨著公式的增加和課堂時(shí)間的延長(zhǎng)，學(xué)生的注意力逐漸分散，對(duì)關(guān)鍵公式的掌握程度明顯下降。由此可見(jiàn)，由于力學(xué)與數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，導(dǎo)致“材料力學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容趨近于數(shù)學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容，枯燥、乏味的教學(xué)內(nèi)容造成學(xué)生聽(tīng)課的效果與效率低下，對(duì)學(xué)生深入掌握材料力學(xué)的研究方法和核心問(wèn)題產(chǎn)生了消極影響。

（三）教學(xué)手段單一

“材料力學(xué)”的教學(xué)內(nèi)容涉及大量數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，當(dāng)前該課程在教學(xué)過(guò)程中常常采用“滿(mǎn)堂灌”的教學(xué)方式，教師從課堂開(kāi)始到結(jié)束基本上在演“獨(dú)角戲”［4-5］。例如，在講授彎曲內(nèi)力及內(nèi)力圖的做法時(shí)，教師首先會(huì)介紹彎曲內(nèi)力的概念及定義，隨后教授內(nèi)力圖（剪力圖與彎矩圖）的做法，接著通過(guò)講解例題的方式對(duì)所授知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)用，最后通過(guò)讓學(xué)生做1～2道習(xí)題鞏固并加強(qiáng)本節(jié)課所授的知識(shí)點(diǎn)。在“滿(mǎn)堂灌”的教學(xué)模式下，盡管教師可以把控講授進(jìn)度，通過(guò)學(xué)生的課堂反應(yīng)及時(shí)調(diào)整講解速度，但是教師難以及時(shí)了解學(xué)生對(duì)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握程度，尤其是學(xué)生之間存在個(gè)體差異，課堂上表現(xiàn)積極的學(xué)生掌握了知識(shí)要點(diǎn)，然而在課堂上表現(xiàn)“沉默”的學(xué)生是否理解了知識(shí)要點(diǎn)有待商榷。此外，在“滿(mǎn)堂灌”的教學(xué)模式下，部分學(xué)生逐漸喪失了對(duì)課堂內(nèi)容的興趣，導(dǎo)致與工程實(shí)際應(yīng)用息息相關(guān)的“材料力學(xué)”被誤解為只是公式推導(dǎo)和求解方程的老舊方法，對(duì)吸引廣大學(xué)生從事力學(xué)研究造成了較大的困擾［6-7］。

（四）考核方式陳舊

目前，“材料力學(xué)”課程采用平時(shí)成績(jī)（30%）+期末成績(jī)（70%）的方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行最終考核。其中，平時(shí)成績(jī)包括考勤、測(cè)驗(yàn)、期中成績(jī)等；期末成績(jī)包括期末考試卷面成績(jī)。這種考核模式難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)術(shù)熱情、科學(xué)敏感性、學(xué)術(shù)創(chuàng)新性和實(shí)踐能力。學(xué)生為了取得高分，往往花費(fèi)大量精力研習(xí)往年“材料力學(xué)”的考試真題，學(xué)生只是掌握了考試時(shí)所出題目的解題方法，完成了“材料力學(xué)”課程的考核要求，難以將材料力學(xué)的理論知識(shí)運(yùn)用到日后的工程實(shí)際中。采用上述的考核方式進(jìn)行“材料力學(xué)”課程的考核評(píng)估，對(duì)我國(guó)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才、建立科技強(qiáng)國(guó)、實(shí)現(xiàn)科技自強(qiáng)帶來(lái)了一定的阻礙。

二、“材料力學(xué)”課程教學(xué)改革策略

（一）以工程應(yīng)用為導(dǎo)向引出材料力學(xué)背景

為了解決“材料力學(xué)”課堂上對(duì)于引入力學(xué)概念時(shí)應(yīng)用目標(biāo)模糊的問(wèn)題，通過(guò)以工程應(yīng)用為導(dǎo)向引出材料力學(xué)背景對(duì)“材料力學(xué)”課程進(jìn)行教學(xué)改革。通過(guò)摒棄老舊、過(guò)時(shí)的工程案例引出材料力學(xué)問(wèn)題與概念的方式，采用介紹當(dāng)前人工智能、量子信息、集成電路、腦科學(xué)、深空深地深海等領(lǐng)域的熱點(diǎn)科技和工程問(wèn)題進(jìn)行材料力學(xué)概念與問(wèn)題的引出。同時(shí)，在引出材料力學(xué)相關(guān)概念時(shí)，通過(guò)展示影視作品、工程設(shè)施圖片、工程裝置照片等，向?qū)W生直觀、清晰地介紹材料力學(xué)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用場(chǎng)景，便于學(xué)生理解知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用背景和定義，從而實(shí)現(xiàn)在將來(lái)從事的工作中能夠快速聯(lián)系并運(yùn)用所學(xué)的材料力學(xué)知識(shí)。

例如，黨的二十大報(bào)告中提出了加快建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)的目標(biāo)，中國(guó)航天正在以新的偉大奮斗開(kāi)啟新的征程。在講授“材料力學(xué)”新章節(jié)的內(nèi)容時(shí)，依托我國(guó)建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)的背景需求，教師通過(guò)提出航天領(lǐng)域中相關(guān)的材料力學(xué)問(wèn)題，引出該課堂講授的知識(shí)點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生對(duì)所引出的材料力學(xué)知識(shí)的興趣。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)講授材料力學(xué)中“扭矩”的概念時(shí)，借助科幻影視作品中空間站對(duì)接的圖像資料，以繞軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)的空間站為研究對(duì)象，引出令研究對(duì)象運(yùn)動(dòng)所施加的外載荷——扭矩。通過(guò)直觀的影視畫(huà)面，清晰明了地向?qū)W生介紹扭矩的定義以及其在航天領(lǐng)域中應(yīng)用的場(chǎng)景，使學(xué)生更加深入地理解材料力學(xué)中扭矩的概念，同時(shí)明確這一概念的工程應(yīng)用背景。如此一來(lái)，學(xué)生在進(jìn)行課題研究時(shí)，能夠?qū)⒗碚撆c實(shí)際進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

再如，隨著時(shí)代的進(jìn)步，我國(guó)科技創(chuàng)新賦能交通運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，我國(guó)的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)技術(shù)躋身世界前列，如港珠澳大橋、北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)等一批世界級(jí)工程已建成并投入使用。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)講授材料力學(xué)中彎曲變形這一概念時(shí)，可以給學(xué)生展示世界規(guī)模最大的單體機(jī)場(chǎng)航站樓——北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓的圖片，體現(xiàn)了我國(guó)科技實(shí)力的突飛猛進(jìn)，提升學(xué)生的民族自豪感與使命感。然后，繼續(xù)深入介紹航站樓所采用的支撐結(jié)構(gòu)——空間桁架結(jié)構(gòu)，以該結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，介紹空間桁架的受力情況以及桁架在承受載荷的條件下，所產(chǎn)生的變形形式——彎曲。通過(guò)引入我國(guó)交通運(yùn)輸領(lǐng)域的重大工程，以圖片的形式展示承受彎曲載荷的桁架這一研究對(duì)象，學(xué)生從感官上直接認(rèn)知到彎曲變形發(fā)生的工程場(chǎng)景，使學(xué)生在自己的研究課題中遇到相關(guān)的實(shí)際問(wèn)題時(shí)，能夠快速聯(lián)系到“材料力學(xué)”課堂中所舉的工程實(shí)際案例，實(shí)現(xiàn)課本知識(shí)的學(xué)以致用。

通過(guò)以工程應(yīng)用為導(dǎo)向引出材料力學(xué)背景的“材料力學(xué)”教學(xué)改革，明確材料力學(xué)知識(shí)的應(yīng)用背景與場(chǎng)景，從工程實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，建立理論與實(shí)際的關(guān)聯(lián)，使學(xué)生能夠認(rèn)識(shí)到書(shū)本中的材料力學(xué)知識(shí)是解決工程實(shí)際問(wèn)題的有效手段，而不僅僅是理解枯燥的數(shù)學(xué)公式，讓學(xué)生在將來(lái)的研究和工作中實(shí)現(xiàn)對(duì)材料力學(xué)知識(shí)的學(xué)以致用。

（二）以先進(jìn)材料為導(dǎo)向關(guān)聯(lián)材料力學(xué)的要點(diǎn)

為了解決“材料力學(xué)”課堂上教學(xué)內(nèi)容乏味、枯燥的問(wèn)題，通過(guò)以先進(jìn)材料為導(dǎo)向關(guān)聯(lián)材料力學(xué)要點(diǎn)進(jìn)行“材料力學(xué)”教學(xué)改革。目前“材料力學(xué)”課堂所研究的對(duì)象局限于鋼、鐵等傳統(tǒng)材料，例如在講解模量、強(qiáng)度這些材料的本征性能的概念時(shí)，舉例的材料仍然是早年的低碳鋼與鑄鐵，教師在講解過(guò)程中通常照本宣科，難以引起學(xué)生的共鳴和興趣。眾所周知，材料力學(xué)的研究對(duì)象是“材料”，隨著科技的發(fā)展，各種先進(jìn)材料已通過(guò)媒體報(bào)道被公眾所認(rèn)知，如果將“材料力學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容與先進(jìn)材料進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)材料力學(xué)教學(xué)內(nèi)容與前沿學(xué)術(shù)問(wèn)題相結(jié)合，這樣更加容易集中學(xué)生聽(tīng)課的注意力和激發(fā)學(xué)生的興趣，有利于學(xué)生對(duì)課堂教學(xué)內(nèi)容的理解和掌握。

例如，當(dāng)前先進(jìn)的復(fù)合材料被廣泛用于航空航天、汽車(chē)工業(yè)、機(jī)械制造、醫(yī)學(xué)、建筑等領(lǐng)域，在“材料力學(xué)”的教學(xué)內(nèi)容中，引入以先進(jìn)復(fù)合材料為研究對(duì)象的相關(guān)內(nèi)容，可以更加貼近現(xiàn)階段的科學(xué)前沿問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)術(shù)研究熱情。比如，介紹“材料力學(xué)”緒論部分中“材料力學(xué)基本假設(shè)”中的“各向同性假設(shè)”時(shí)，可以引入航天領(lǐng)域當(dāng)前廣泛應(yīng)用的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板這一研究對(duì)象，介紹這一廣泛用于航天領(lǐng)域的復(fù)合材料的基本概念，通過(guò)介紹復(fù)合材料層合板的鋪層方式，向?qū)W生展示實(shí)際工程應(yīng)用的材料實(shí)際上是“各向異性”的，同時(shí)說(shuō)明材料力學(xué)中做出“各向同性假設(shè)”的原因以及該假設(shè)對(duì)于簡(jiǎn)化計(jì)算的作用。這樣一來(lái)，能夠?qū)⒕w論中“各向同性”這一概念與實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行關(guān)聯(lián)，而不是僅僅作為枯燥的一段語(yǔ)句灌輸給學(xué)生。以當(dāng)前熱點(diǎn)領(lǐng)域所用的先進(jìn)材料為研究對(duì)象，替代現(xiàn)有“材料力學(xué)”教學(xué)內(nèi)容中的傳統(tǒng)材料，使學(xué)生能夠更加容易地將材料力學(xué)概念與當(dāng)今科技發(fā)展的主流領(lǐng)域相關(guān)聯(lián)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到材料力學(xué)在當(dāng)今工程領(lǐng)域中不可替代的作用，同時(shí)提升學(xué)生對(duì)從事力學(xué)學(xué)科相關(guān)研究工作的興趣。

再例如，當(dāng)講授材料力學(xué)中“強(qiáng)度校核”這一內(nèi)容時(shí)，目前的教學(xué)內(nèi)容為列寫(xiě)強(qiáng)度條件公式，并通過(guò)不等式變換后的三種形式，向?qū)W生說(shuō)明該不等式可以進(jìn)行強(qiáng)度校核、尺寸設(shè)計(jì)、材料選取、載荷設(shè)計(jì)等工作。這樣的教學(xué)內(nèi)容，僅僅是從數(shù)學(xué)的角度說(shuō)明強(qiáng)度條件不等式的含義，學(xué)生仍然難以理解實(shí)際工程中需要進(jìn)行強(qiáng)度校核、尺寸設(shè)計(jì)、材料選取、載荷設(shè)計(jì)的原因。為此，在教學(xué)內(nèi)容中可以引入與工程實(shí)際案例相關(guān)的強(qiáng)度校核教學(xué)內(nèi)容。以“為什么進(jìn)行材料選取”為例，在汽車(chē)領(lǐng)域，當(dāng)汽車(chē)承受相同載荷時(shí)，金屬和碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料同時(shí)滿(mǎn)足汽車(chē)的強(qiáng)度條件，但是金屬的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料，為了減少汽車(chē)車(chē)體的質(zhì)量，選取碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料明顯優(yōu)于選取金屬材料。這樣一來(lái)，學(xué)生可以深刻理解“進(jìn)行材料選取”這一教學(xué)內(nèi)容的“用武之地”，也向?qū)W生輸出了輕量化材料這個(gè)先進(jìn)材料的概念，將材料力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容向科學(xué)前沿問(wèn)題進(jìn)行引導(dǎo)。

通過(guò)以先進(jìn)材料為導(dǎo)向關(guān)聯(lián)材料力學(xué)要點(diǎn)的“材料力學(xué)”教學(xué)改革，將“材料力學(xué)”教學(xué)內(nèi)容與學(xué)術(shù)前沿領(lǐng)域進(jìn)行關(guān)聯(lián)，學(xué)生在課堂上聽(tīng)到相關(guān)領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)容時(shí)，能夠與當(dāng)下的熱點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)系，有利于學(xué)生理解材料力學(xué)的相關(guān)概念，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，了解材料力學(xué)的相關(guān)內(nèi)容對(duì)解決前沿領(lǐng)域問(wèn)題的重要作用，同時(shí)吸引更多的學(xué)生投身力學(xué)學(xué)科的研究中。

（三）以工程軟件為輔助再現(xiàn)材料力學(xué)的問(wèn)題

為了解決“材料力學(xué)”課程中學(xué)生聽(tīng)課興趣缺乏、效率低下、教學(xué)效果不理想等問(wèn)題，通過(guò)以工程軟件為輔助再現(xiàn)材料力學(xué)的問(wèn)題進(jìn)行“材料力學(xué)”教學(xué)改革。在“材料力學(xué)”課堂中，教師所講授的內(nèi)容以理論公式居多，如果采用“滿(mǎn)堂灌”的教學(xué)方式會(huì)使“材料力學(xué)”課堂變成數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)課堂，使得原本就晦澀難懂的力學(xué)知識(shí)更加難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)效果變差，學(xué)生對(duì)力學(xué)模型的理解僅僅停留在課本的數(shù)學(xué)公式上，因此亟須改善并調(diào)整教學(xué)手段，讓學(xué)生從力學(xué)思維的角度理解教學(xué)內(nèi)容，而不是死記硬背數(shù)學(xué)公式。為此，借助工程軟件對(duì)材料力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行可視化仿真分析，一方面吸引了學(xué)生的注意力，另一方面使“材料力學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容真正放在力學(xué)問(wèn)題上。

例如，講解拉伸與壓縮變形、扭轉(zhuǎn)變形和彎曲變形時(shí)，配合使用計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering， CAE）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)不同加載形式的構(gòu)件受力分析與變形可視化，使學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)到材料在受到載荷作用時(shí)的變形行為，使材料力學(xué)教學(xué)內(nèi)容通過(guò)可視化手段深入學(xué)生的腦海。比如，講解軸向拉伸變形時(shí)，采用CAE軟件（如ABAQUS、ANSYS等）構(gòu)建拉伸材料樣品的幾何模型與網(wǎng)格模型，通過(guò)對(duì)研究對(duì)象施加力或位移邊界條件，模擬材料樣品拉伸過(guò)程中的數(shù)值，最終給出材料在拉伸載荷加載下的應(yīng)力場(chǎng)、變形場(chǎng)云圖，通過(guò)可視化的方式向?qū)W生展示材料在受到拉伸載荷后的變形形式。在這個(gè)過(guò)程中，一方面，通過(guò)對(duì)CAE軟件的一步步操作，能夠吸引學(xué)生對(duì)未知事物的好奇心，激發(fā)其學(xué)習(xí)熱情；另一方面，將材料力學(xué)的理論內(nèi)容通過(guò)科研軟件進(jìn)行學(xué)習(xí)實(shí)踐，解決了在教學(xué)中枯燥的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)造成的學(xué)生注意力不集中的問(wèn)題。

再例如，在講解組合變形問(wèn)題時(shí)，通過(guò)CAE軟件構(gòu)建大型工程結(jié)構(gòu)，例如橋梁、飛機(jī)、汽車(chē)等，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)同時(shí)施加拉伸、扭矩、彎矩載荷，分析仿真工程結(jié)構(gòu)的組合變形形式、可視化結(jié)構(gòu)力、位移等信息，通過(guò)圖片和動(dòng)畫(huà)展示結(jié)構(gòu)受載過(guò)程中的組合變形過(guò)程。相較于“滿(mǎn)堂灌”教學(xué)中書(shū)寫(xiě)方程到求解方程再到求解習(xí)題的模式，這種課堂教學(xué)的內(nèi)容與方式更加生動(dòng)有趣，可以使學(xué)生清晰明確地認(rèn)識(shí)到材料的力學(xué)行為過(guò)程，而不是僅僅學(xué)會(huì)求解書(shū)本中的方程。

通過(guò)以工程軟件為輔助再現(xiàn)材料力學(xué)問(wèn)題的“材料力學(xué)”教學(xué)改革，將當(dāng)前科學(xué)研究中使用的CAE軟件引入教學(xué)內(nèi)容，拓展教學(xué)手段，使枯燥的力學(xué)與數(shù)學(xué)知識(shí)能夠通過(guò)可視化的手段展現(xiàn)在學(xué)生眼前，便于學(xué)生直觀地了解材料力學(xué)中的知識(shí)要點(diǎn)。此外，結(jié)合工程軟件的教學(xué)手段，能夠激發(fā)學(xué)生探索新鮮事物的熱情，提高學(xué)生通過(guò)多種研究手段學(xué)習(xí)材料力學(xué)知識(shí)的興趣。

（四）以理論結(jié)合實(shí)際的方式調(diào)整考核評(píng)價(jià)模式

為了解決“材料力學(xué)”課程中學(xué)生的創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力較差等問(wèn)題，通過(guò)以理論結(jié)合實(shí)際的方式調(diào)整考核評(píng)價(jià)模式進(jìn)行“材料力學(xué)”課程的教學(xué)改革。一方面，提高平時(shí)成績(jī)的占比，并且通過(guò)設(shè)置開(kāi)放性研究題目的形式擴(kuò)展平時(shí)成績(jī)的考核方式。在講授完“材料力學(xué)”每個(gè)章節(jié)的內(nèi)容后，為了讓學(xué)生鞏固、加強(qiáng)對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解與認(rèn)知水平，通過(guò)設(shè)置該章節(jié)內(nèi)容的開(kāi)放性題目（如選取某工程實(shí)際結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，描述該結(jié)構(gòu)所受到的載荷形式，通過(guò)理論、仿真等多種研究手段，分析結(jié)構(gòu)在相應(yīng)加載條件下是否滿(mǎn)足強(qiáng)度條件），對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，以小組為單位對(duì)開(kāi)放性題目進(jìn)行探討，并在下一節(jié)課堂上，分組展示每個(gè)小組的研究成果。教師根據(jù)每個(gè)小組研究過(guò)程的邏輯性和運(yùn)用知識(shí)點(diǎn)的準(zhǔn)確性進(jìn)行打分，給出每個(gè)小組及小組成員的成績(jī)，此成績(jī)將作為平時(shí)成績(jī)的一部分。這樣，學(xué)生在學(xué)習(xí)完“材料力學(xué)”每章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)后，能夠及時(shí)地學(xué)以致用，可以面向工程實(shí)際提出并解決工程結(jié)構(gòu)中面臨的材料力學(xué)問(wèn)題。另一方面，更新期末考試試卷的題型，通過(guò)將題目向工程實(shí)際案例靠攏，實(shí)現(xiàn)理論向?qū)嵺`與應(yīng)用的轉(zhuǎn)移。比如，增加多選題，以我國(guó)當(dāng)前大型工程結(jié)構(gòu)為例（給出相應(yīng)圖片/照片），通過(guò)分析工程結(jié)構(gòu)中構(gòu)件的受力情況，判斷構(gòu)件會(huì)發(fā)生哪種或哪幾種變形形式；增加分析題，以我國(guó)當(dāng)前的重大工程為背景，以照片的形式給出相應(yīng)的工程結(jié)構(gòu)，要求學(xué)生判斷結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生何種變形，并對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核。以當(dāng)前的重大工程為背景的考核題目，能夠考核學(xué)生對(duì)材料力學(xué)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握程度，將學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)從求解正確的數(shù)學(xué)方程、通過(guò)期末考試變?yōu)榻鉀Q工程實(shí)際問(wèn)題，使學(xué)生真正做到學(xué)以致用。

通過(guò)以理論結(jié)合實(shí)際的方式調(diào)整考核評(píng)價(jià)模式的“材料力學(xué)”教學(xué)改革，摒棄了老舊的考核評(píng)估方法，促使學(xué)生主動(dòng)思考，培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)術(shù)與科研思維。在平時(shí)考核和期末考核的過(guò)程中，提高面向工程實(shí)際的題目占比，提升學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，使“材料力學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容真正應(yīng)用到實(shí)踐中，使學(xué)生培養(yǎng)真正向應(yīng)用型人才、創(chuàng)新型人才的目標(biāo)邁進(jìn)。

結(jié)語(yǔ)

材料力學(xué)廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)工業(yè)、軌道交通、機(jī)械制造等領(lǐng)域，因此，以工程應(yīng)用為導(dǎo)向的“材料力學(xué)”教學(xué)改革探索勢(shì)在必行。通過(guò)以工程應(yīng)用為導(dǎo)向引出材料力學(xué)背景、以先進(jìn)材料為導(dǎo)向關(guān)聯(lián)材料力學(xué)要點(diǎn)、以工程軟件為輔助再現(xiàn)材料力學(xué)問(wèn)題、以理論結(jié)合實(shí)際的方式調(diào)整考核評(píng)價(jià)模式等四項(xiàng)“材料力學(xué)”教學(xué)改革措施，明確了“材料力學(xué)”教學(xué)內(nèi)容的工程應(yīng)用背景，在“材料力學(xué)”課堂中引入前沿性科學(xué)問(wèn)題，在“材料力學(xué)”教學(xué)過(guò)程中融入工程軟件的應(yīng)用，拓展與實(shí)際工程相關(guān)的“材料力學(xué)”考核模式，滿(mǎn)足了培養(yǎng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才的需求。

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Exploration of Teaching Reform for Mechanics of Materials Guided by Engineering Application

LI Wei-jie

（School of Civil Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China）

Abstract： Mechanics of materials is a course for college students majoring in aerospace， civil engineering， mechanical engineering and other related majors. It focuses on the stress and strain， stiffness and strength of materials under different loads. Under the engineering background of the current national major demand， the traditional teaching content， teaching means and assessment mode are difficult to give play to the practical value of mechanics of material in the field of engineering application. It is urgent to explore new teaching reform strategy oriented by engineering application. Four teaching reform measures are proposed， namely， “engineering application oriented to elicit the background， advanced materials oriented to associate the key points， engineering software assisted to reproduce the problems， and theory combined with practice to adjust the assessment mode”， to stimulate college students interest in scientific exploration and academic research ability， greatly improve their innovation and practice level， and meet the requirements of training the innovative talents and practical talents.

Key words： mechanics of materials; engineering application; innovative talents; practical talents