仿真賦能《材料力學(xué)》教學(xué)改革與創(chuàng)新探索

摘 要：文章聚焦《材料力學(xué)》課程教學(xué)改革，針對課程現(xiàn)存問題，將課程思政、虛擬仿真技術(shù)與現(xiàn)代教學(xué)工具融入教學(xué)中，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式多維度展開探索，旨在提升教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型人才。通過在教學(xué)內(nèi)容中融入思政元素及運用 Python、CAE 軟件優(yōu)化教學(xué)過程，構(gòu)建多元化教學(xué)模式，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強學(xué)生實踐與創(chuàng)新能力，從而為工科專業(yè)人才培養(yǎng)提供有力支撐。

關(guān)鍵詞：“材料力學(xué)” 教學(xué)改革 課程思政 虛擬仿真

1 緒論

材料力學(xué)是一門研究構(gòu)件在荷載作用下的強度、剛度和穩(wěn)定性問題的課程，與工程實際緊密相連，是機械、土建、交通、航空航天等專業(yè)的核心課程，在高校教學(xué)培養(yǎng)方案中占重要地位[1-2]。然而，隨著就業(yè)市場對人才需求的不斷變化，高校課程體系日益豐富，材料力學(xué)作為專業(yè)基礎(chǔ)課，逐漸暴露出諸多問題[3-5]。

1.1 教學(xué)內(nèi)容與課時矛盾突出

材料力學(xué)內(nèi)容涵蓋多種基本變形、組合變形、強度理論、壓桿穩(wěn)定性等眾多知識模塊，每種變形又涉及內(nèi)力、應(yīng)力、變形等多方面內(nèi)容。豐富的教學(xué)內(nèi)容在有限的課時內(nèi)難以充分展開，教師教學(xué)任務(wù)繁重，學(xué)生學(xué)習(xí)壓力大，知識吸收效果不佳。

1.2 教學(xué)內(nèi)容抽象，與實踐脫節(jié)

課程涉及大量抽象概念和理論。當(dāng)前教學(xué)仍以多媒體講授為主，側(cè)重于理論分析和公式推導(dǎo)，而關(guān)于實際工程案例分析不足。大多數(shù)學(xué)生缺乏工程經(jīng)驗，單憑記憶公式和概念，易喪失學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果不理想。

1.3 教學(xué)模式單一，實驗教學(xué)受限

材料力學(xué)教學(xué)主要有理論講授和實驗教學(xué)，教學(xué)方法較為單一。實驗教學(xué)雖重要，但受時間和資源限制，學(xué)生動手實踐機會有限。傳統(tǒng)實驗教學(xué)多以教師演示為主，學(xué)生被動觀摩，難以有效培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐和創(chuàng)新能力。

1.4 現(xiàn)代仿真技術(shù)融合不足

目前，多數(shù)材料力學(xué)課程仍局限于傳統(tǒng)理論教學(xué)，對現(xiàn)代仿真技術(shù)的介紹和應(yīng)用較少。學(xué)生缺乏對工程實踐的了解和適應(yīng)能力，所學(xué)理論知識難以應(yīng)用于解決實際工程問題。虛擬仿真技術(shù)雖在工程中廣泛應(yīng)用，但在教學(xué)中尚未普及，僅在部分研究型高校開展，且多處于教師演示階段，缺乏理論與軟件操作的深度融合[6-7]。

中央人才工作會議強調(diào)培養(yǎng)大批卓越工程師的重要性，而課程作為人才培養(yǎng)核心要素，其質(zhì)量直接關(guān)乎人才培養(yǎng)成效[8]。虛擬仿真技術(shù)在工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，為材料力學(xué)教學(xué)改革提供了新契機?；诖耍狙芯勘帧皬娀A(chǔ)、重實踐、融模擬、促創(chuàng)新”的理念，從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式兩個維度，探索材料力學(xué)課程教學(xué)改革路徑，融入工程案例、課程思政和虛擬仿真技術(shù)，以適應(yīng)新時代工科人才培養(yǎng)需求。

2 教學(xué)內(nèi)容改革

對材料力學(xué)課程內(nèi)容進行優(yōu)化整合，突出重點核心章節(jié)，精簡復(fù)雜且實用性較低的部分。將工程案例和思政元素融入課程知識體系，構(gòu)建“融工程、融思政”的教學(xué)內(nèi)容。

2.1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，融入思政與工程案例

課程思政是落實立德樹人根本任務(wù)的關(guān)鍵舉措。在材料力學(xué)課程教學(xué)改革中，融入課程思政元素，有助于引領(lǐng)知識傳授與價值的有機統(tǒng)一。

在教學(xué)過程中，從日常生活到重大工程，逐步引入力學(xué)知識應(yīng)用案例，加深學(xué)生對理論知識的理解，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。同時，深入挖掘思政元素，從愛國奉獻、文化自信、職業(yè)責(zé)任等多方面出發(fā)，將課程思政與力學(xué)原理、工程案例緊密結(jié)合，使思政教育自然融入教學(xué)過程，增強課程的思想性與親和力。

2.2 課程思政知識點示例

以桿的拉壓知識點為例，結(jié)合殲20、C919大飛機起落架等工程實例，介紹羅陽同志為我國航空事業(yè)奉獻的事跡，培養(yǎng)學(xué)生愛國奉獻精神。在講解材料力學(xué)特性時，提及斜拉橋鋼索與鋼筋混凝土橋塔受力特點，以及趙州橋用石頭打造的歷史等，引導(dǎo)學(xué)生樹立人盡其才、物盡其用的價值觀，增強文化自信。講述壓桿穩(wěn)定知識點時，引入加拿大魁北克大橋坍塌案例，強化學(xué)生職業(yè)責(zé)任意識。通過這些具體案例，將思政教育貫穿于材料力學(xué)教學(xué)全過程，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)知識的同時，受到思想政治教育的熏陶。（表1）

3 教學(xué)模式改革

3.1 工程具象化教學(xué)

以引入生活實例與工程案例為向?qū)?，闡釋材料力學(xué)的概念及研究方法。

在講解軸向拉伸與壓縮概念時，以橋梁拉索為實例，展示拉索承載橋面重量時軸向受力導(dǎo)致長度變化的現(xiàn)象，使學(xué)生直觀感受拉力作用下構(gòu)件的變形特征，從而引出軸向拉伸概念。在講解軸向拉壓桿問題求解時，引出飛機起落架相關(guān)知識，激發(fā)學(xué)生的探索欲。圍繞該問題，引導(dǎo)學(xué)生建立力學(xué)模型，確定合適的計算方法，讓學(xué)生逐步理解從實際問題到理論分析的轉(zhuǎn)化過程，培養(yǎng)學(xué)生解決實際工程問題的思維方式。

3.2 融合工程軟件與實踐教學(xué)

3.2.1 借助數(shù)值計算工具

在材料力學(xué)理論教學(xué)中，傳統(tǒng)板書推導(dǎo)公式計算模式較為繁瑣，且不利于學(xué)生理解抽象概念。引入現(xiàn)代技術(shù)工具Python語言和Matlab軟件，可使理論計算更加簡便有趣，極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

以梁的彎曲內(nèi)力求解章節(jié)為例，先深入講解彎矩、剪力與荷載集度間微分關(guān)系推導(dǎo)，這是繪制內(nèi)力圖的理論基礎(chǔ)。隨后引入Python代碼，以簡支梁受集中力、均布荷載情況為實例，詳細展示如何運用Matplotlib庫繪制彎矩圖和剪力圖。

在這個過程中，學(xué)生不僅掌握了先進的工具，還簡化了傳統(tǒng)手動計算的繁雜性。以往手動計算內(nèi)力圖，需要進行大量復(fù)雜的公式運算，過程繁瑣且容易出錯，學(xué)生往往會因計算的復(fù)雜性而對課程產(chǎn)生畏難情緒。而采用Python繪制內(nèi)力圖，學(xué)生通過編寫簡單的代碼就能快速得到準(zhǔn)確的結(jié)果，并直觀地看到彎矩圖和剪力圖的變化趨勢。這不僅讓學(xué)生從繁瑣的計算中解脫出來，更讓他們感受到現(xiàn)代技術(shù)工具的便捷與強大，從而激發(fā)他們主動學(xué)習(xí)的熱情，提高學(xué)習(xí)積極性。

3.2.2 引入CAE虛擬仿真輔助教學(xué)

將CAE（Computer-Aided Engineering）軟件，如ANSYS、ABAQUS等引入《材料力學(xué)》教學(xué)，為學(xué)生開啟通往工程實踐的新窗口。采用虛擬仿真技術(shù)可輔助模擬部分實驗，如金屬材料扭轉(zhuǎn)變形、純彎曲正應(yīng)力測定及壓桿穩(wěn)定性等實驗[9-10]。借助ANSYS友好的可視化界面，能夠直觀、動態(tài)地展示材料復(fù)雜的變形、屈曲等過程，把抽象的概念通過GUI圖形形象化表達，讓學(xué)生更易于理解。

例如在講解強度理論時，針對鍋爐強度校核問題時，可以采用理論計算和數(shù)值模擬對比的方式進行。給學(xué)生提供了計算新思路，學(xué)生可以通過軟件直觀看到鍋爐在壓力作用下的應(yīng)力分布情況，原本抽象的應(yīng)力概念變得清晰可見，極大地降低了理解難度。（圖4）

同時，CAE軟件還能讓學(xué)生掌握解決實際工程問題的方法和手段。課后，組織學(xué)生分組利用ANSYS對類似小型建筑結(jié)構(gòu)進行力學(xué)分析，撰寫分析報告并探討結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。從開始以工程案例提出問題，建立力學(xué)模型和計算方法，到最后解決實際工程問題，學(xué)生不僅能掌握材料力學(xué)基本原理，還能熟悉現(xiàn)代工程設(shè)計流程，提升解決復(fù)雜工程問題的能力，實現(xiàn)理論知識與工程實踐的深度融合。這種從實際問題出發(fā)，借助CAE軟件進行分析求解的過程，讓學(xué)生切實體會到材料力學(xué)知識在工程中的具體應(yīng)用，增強了學(xué)生對課程的理解和應(yīng)用能力，為他們未來的職業(yè)發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

通過基于仿真的教學(xué)改革探索，在《材料力學(xué)》教學(xué)中融入課程思政元素，豐富教學(xué)內(nèi)涵；在教學(xué)模式上引入現(xiàn)代工程軟件和虛擬仿真技術(shù)，增強教學(xué)趣味性和實踐性。這些改革措施有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，增強了學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)新時代需求的創(chuàng)新應(yīng)用型人才奠定了堅實的基礎(chǔ)。然而，教學(xué)改革是一個持續(xù)發(fā)展的過程，未來仍需不斷探索和完善，以適應(yīng)工程教育發(fā)展的新要求。

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