材料力學(xué)理論與實驗課程教學(xué)改革探討

張明康　王關(guān)皓　陳揚枝　王貴　印四華

［摘 要］材料力學(xué)在理論教學(xué)和實驗教學(xué)過程中仍存在著一些問題，如有些教師的理論教學(xué)抽象、脫離實際工程應(yīng)用，實驗教學(xué)則簡單乏味、缺乏新意。在國際化背景和應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)下，理論結(jié)合工程實際以及雙語教學(xué)尤為重要。采用項目式的實驗教學(xué)方法，通過優(yōu)化力學(xué)實驗內(nèi)容、增加先進(jìn)測試手段和有限元仿真分析，讓學(xué)生以團隊協(xié)作方式參與材料力學(xué)的實驗課程，可全方位鍛煉學(xué)生的動手操作能力、語言表達(dá)能力和論文撰寫能力。

［關(guān)鍵詞］材料力學(xué)；理論課程；實驗課程；教學(xué)改革；項目式教學(xué)

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）10-0031-04

材料力學(xué)是工科類的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，其主要目標(biāo)是讓學(xué)生了解和掌握構(gòu)件的強度、剛度和穩(wěn)定性的理論概念與計算方法，以及了解材料在外力作用下表現(xiàn)出的變形和破壞等方面的性能，而這些性能需要結(jié)合材料力學(xué)實驗進(jìn)行測試分析。因此，本課程的學(xué)習(xí)包括理論學(xué)習(xí)和實驗操作兩個部分，對機械類、材料類和土木類等專業(yè)的學(xué)生后期的專業(yè)課程理解會產(chǎn)生重要影響[1]。本課程理論性較強，很多學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中都反映理論課程的學(xué)習(xí)較為枯燥，實驗內(nèi)容較少，而實驗環(huán)節(jié)多為被動性地進(jìn)行操作，難以有效調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。因此，本文針對近年來材料力學(xué)的實驗室建設(shè)和課程教學(xué)實踐，對本課程理論和實驗教學(xué)方法改革進(jìn)行探討，以期在技術(shù)日新月異發(fā)展變革的時代，培養(yǎng)出符合時代需求的應(yīng)用型創(chuàng)新人才。

一、理論教學(xué)結(jié)合工程前沿

廣東海洋大學(xué)機械與能源工程學(xué)院（以下簡稱我院）材料力學(xué)課程教材采用的是劉鴻文主編的《材料力學(xué)Ⅰ》（第6版）[2]，主要講授材料力學(xué)相關(guān)的桿件軸向拉壓、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲基本變形的強度和剛度計算，應(yīng)力和應(yīng)變分析及強度理論，組合變形和壓桿穩(wěn)定等，大部分內(nèi)容均為理論性很強的抽象概念和公式推演。由于學(xué)時較少，教師講課速度較快，學(xué)生在課堂上難以有效理解課本理論知識，覺得這門課程是乏味、枯燥的，從而容易失去學(xué)習(xí)興趣。此外，教材核心內(nèi)容自20世紀(jì)80年代后基本成型，到目前仍未有很大的改動。隨著我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，許多大工程中的材料力學(xué)應(yīng)用非常廣泛，這些新近的工程實例在課本教材中未體現(xiàn)，如果授課內(nèi)容完全按照課本內(nèi)容展開，則難以培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代工程需要的人才。因此，在課程授課過程中，教師應(yīng)在授課內(nèi)容中增加一些典型的工程應(yīng)用案例，用材料力學(xué)的知識去解釋工程現(xiàn)象，理論聯(lián)系實際[3]，結(jié)合近幾年工程中出現(xiàn)的一些力學(xué)失效斷裂問題，如風(fēng)電機組倒塌事故、建筑結(jié)構(gòu)失效、橋梁垮塌事故、汽車碰撞變形和航空航天相關(guān)爆炸事故等，讓學(xué)生進(jìn)行小組討論分析，與學(xué)生共同探索剖析其內(nèi)在的材料變形和力學(xué)失效機理，加深學(xué)生對相關(guān)知識點的理解。教師還可以介紹國家體育場（鳥巢）和廣州海心橋的力學(xué)之美，描繪港珠澳大橋和三峽大壩水利工程的結(jié)構(gòu)力學(xué)之壯觀等。

理論課程的學(xué)習(xí)不應(yīng)該僅僅停留在書本和課堂上，結(jié)合工程現(xiàn)場參觀學(xué)習(xí)的模式更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。我院地處陽江市，而陽江市有世界級風(fēng)電產(chǎn)業(yè)基地，基于此產(chǎn)業(yè)，我院牽頭與金風(fēng)科技和明陽智能等風(fēng)電頭部企業(yè)聯(lián)合成立了海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)學(xué)院，打造相關(guān)產(chǎn)業(yè)的人才培養(yǎng)基地。在教學(xué)過程中，我院教師帶學(xué)生去參觀相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)基地和風(fēng)電裝機現(xiàn)場，現(xiàn)場解說與理論課程內(nèi)容相關(guān)的知識，包括風(fēng)機塔筒的受力情況、塔筒吊裝現(xiàn)場與力學(xué)結(jié)構(gòu)相關(guān)的工程裝備等，加深學(xué)生對課程知識的理解、提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

二、注重雙語教學(xué)

雙語教學(xué)是評價本科教學(xué)水平的重要指標(biāo)之一。材料力學(xué)課程涉及很多專業(yè)詞匯，實施雙語教學(xué)可提升學(xué)生的專業(yè)英語水平，有利于學(xué)生今后的文獻(xiàn)自學(xué)和國際交流合作。目前，材料力學(xué)的授課方式主要是漢語教學(xué)，較少涉及英文專業(yè)詞匯和表述，很多學(xué)生到了考研或者讀研階段才開始注重本課程相關(guān)專業(yè)詞匯的英語表述。本科階段的學(xué)生得不到相關(guān)專業(yè)詞匯英語表述的訓(xùn)練，這對于國際性工程人才的培養(yǎng)來說是一個缺失。因此，應(yīng)該從本科階段就重視材料力學(xué)課程的雙語教學(xué)。由于本課程理論性很強，如果純粹用英語教學(xué)，學(xué)生會難以適應(yīng)和理解課本上的內(nèi)容，因此需要循序漸進(jìn)，先采用局部雙語教學(xué)方法進(jìn)行探索。教師可在PPT中的專業(yè)詞匯后注明其英語表述，并在講課過程中注重部分專業(yè)詞匯的英語口頭表達(dá)。教師可通過錄制雙語教學(xué)課程上傳至相關(guān)網(wǎng)站，如超星泛雅、中國大學(xué)慕課等平臺，讓學(xué)生完成雙語線上課程學(xué)習(xí)，提升學(xué)生的專業(yè)術(shù)語英語表達(dá)能力。此外，教師可以布置與材料力學(xué)相關(guān)的外文文獻(xiàn)課后閱讀，要求學(xué)生用中文概述文獻(xiàn)意思，并進(jìn)行文獻(xiàn)總結(jié)[4]。除上述雙語教學(xué)方法外，還需要注重雙語教材的選擇和推薦，教師上課時可選擇材料力學(xué)中文教材，另外給學(xué)生推薦外文原版教材作為參考學(xué)習(xí)資料。針對雙語教學(xué)的考核，可在期末試卷中給出材料力學(xué)相關(guān)外文文獻(xiàn)和外文教材中部分片段的原文讓學(xué)生進(jìn)行翻譯，或者讓學(xué)生寫一篇與材料力學(xué)相關(guān)的英文綜述論文作為平時成績考核。通過提升學(xué)生的英語表述能力，可為學(xué)生今后的外文期刊論文閱讀、英語論文撰寫和國際工程技術(shù)交流打下扎實的基礎(chǔ)。

三、優(yōu)化力學(xué)實驗內(nèi)容

傳統(tǒng)的材料力學(xué)實驗課程學(xué)時較少，一般只有8個學(xué)時。由于學(xué)時較少，學(xué)生難以深入系統(tǒng)地理解材料力學(xué)測試方法和理論。且一般的材料力學(xué)實驗只包括拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)和沖擊四種實驗，缺少更為先進(jìn)的測試手段方法的學(xué)習(xí)內(nèi)容，難以引起學(xué)生的興趣。因此，對于我院機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的材料力學(xué)學(xué)時分配，教學(xué)團隊進(jìn)行了重新安排，由原來56學(xué)時理論課程加8學(xué)時實驗課程調(diào)整為48學(xué)時理論課程加24學(xué)時實驗課程，在適當(dāng)減少理論課程學(xué)時的基礎(chǔ)上，給實驗課程增加了16個學(xué)時。實驗課程所增加的實驗操作，需要增加多種材料力學(xué)相關(guān)的測試裝備和方法才能實施。

為此，教學(xué)團隊針對本課程進(jìn)行了力學(xué)實驗中心的建設(shè)，所采購的設(shè)備包括示波擺錘沖擊試驗機、示波落錘沖擊試驗機、盲孔法殘余應(yīng)力測試儀、數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（Digital Image Correlation， DIC）測量儀、疲勞試驗機等，以及從10 kN至600 kN系列的萬能試驗機，并針對這些設(shè)備設(shè)置相應(yīng)的實驗內(nèi)容和開發(fā)實驗教材。其中，DIC測量儀可通過測試獲得材料拉伸、彎曲、壓縮等變形過程中的應(yīng)變云圖，可以讓學(xué)生更為直觀地觀測到結(jié)構(gòu)變形過程中局部區(qū)域的應(yīng)變分布，加深學(xué)生對結(jié)構(gòu)變形過程的理解。示波擺捶沖擊試驗機和示波落錘沖擊試驗機可獲得沖擊過程中力—時間、能量吸收—時間等曲線，讓學(xué)生深入理解沖擊過程中力的變化和能量的變化，而不只是獲得一個沖擊能量簡單的數(shù)值。系列不同噸位的拉伸機可實現(xiàn)從高分子到金屬材料的力學(xué)性能的測試，以適應(yīng)不同受力情景下的力學(xué)失效分析，避免單一實驗情景教學(xué)帶來的枯燥感。

除了實驗動手操作部分，還需要增加相應(yīng)的有限元仿真分析相關(guān)課程學(xué)習(xí)內(nèi)容，讓學(xué)生加深對拉伸、壓縮、彎曲等變形現(xiàn)象的理解。隨著計算機仿真技術(shù)的快速發(fā)展，利用有限元仿真分析方法解決實際工程中的一些難題以及提前預(yù)測結(jié)構(gòu)的失效過程已經(jīng)成為一種主流趨勢。機械類和材料類專業(yè)的學(xué)生在大一和大二期間已經(jīng)學(xué)習(xí)相關(guān)的二維、三維建模軟件，包括AutoCAD、SolidWoks和UG等?；谒麄兊膶W(xué)習(xí)基礎(chǔ)，材料力學(xué)實驗教師可給學(xué)生教授現(xiàn)有的主流有限元分析軟件，包括ANSYS、Abaqus、COMSOL Multiphysics等，讓學(xué)生初步掌握有限元分析流程，如幾何建模、初始條件和邊界條件設(shè)置、網(wǎng)格劃分、后處理等。此外，一款數(shù)值分析軟件——Matlab，由于其強大的分析和仿真功能，也被應(yīng)用于相關(guān)力學(xué)研究和教學(xué)方面，利用Matlab計算超靜定結(jié)構(gòu)的支反力和繪制撓曲線的形狀等[5]。學(xué)生通過對標(biāo)準(zhǔn)二維和三維的結(jié)構(gòu)件模型進(jìn)行拉伸、壓縮、彎曲等有限元仿真，可更為直觀地分析結(jié)構(gòu)受力的應(yīng)力分布和應(yīng)變分布及其結(jié)構(gòu)的變形過程，并結(jié)合實驗測試結(jié)果對有限元仿真分析的結(jié)果進(jìn)行對比分析驗證，分析誤差原因，進(jìn)一步提升學(xué)生的力學(xué)分析水平，為學(xué)生今后的工程技術(shù)應(yīng)用和科學(xué)研究等打下扎實的理論基礎(chǔ)。

四、實施項目式實驗教學(xué)

目前，許多高校的材料力學(xué)實驗課程主要以課程指導(dǎo)性實驗為主，通過講授法和操作示范指導(dǎo)學(xué)生完成課程的實踐性內(nèi)容，其主要教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握金屬材料機械性能參數(shù)的測試技能和方法，了解常用實驗儀器的構(gòu)造、原理及使用方法。然而，材料力學(xué)公式繁多、理論性強，若采用講授法的教學(xué)模式，僅按照操作手冊進(jìn)行機械性的練習(xí)，學(xué)生容易處于被動學(xué)習(xí)的狀態(tài)，學(xué)習(xí)積極性較低，對課本相關(guān)理論內(nèi)容的理解不夠深刻，缺乏探索性精神，實驗知識遺忘率高，教學(xué)效果難以達(dá)到理想的目標(biāo)要求。因此，急需對材料力學(xué)實驗課程進(jìn)行教學(xué)模式改革。美國教育家杜威曾提出一個觀點：教育是給學(xué)生一些事情去做，不是給他們一些東西去學(xué)，結(jié)果他們自然地學(xué)到了東西。這個觀點正是項目式學(xué)習(xí)（Project?based Learning， PBL）的核心。針對上述問題，教師可采用PBL教學(xué)方法，通過建立基于問題導(dǎo)向的項目庫，以學(xué)生為主體開展項目式教學(xué)，使學(xué)生在實施項目的過程中靈活運用基礎(chǔ)理論知識，以項目為中心、以任務(wù)為驅(qū)動，通過團隊協(xié)作解決項目問題，提高學(xué)生的團隊協(xié)作能力和參與度[6]。

材料力學(xué)實驗課程教學(xué)改革內(nèi)容主要包括以下三點：（1）建立基于問題導(dǎo)向的項目庫，實現(xiàn)個性化問題設(shè)置，避免同質(zhì)化；（2）構(gòu)建學(xué)生小組，讓學(xué)生團隊協(xié)作開展項目研究流程，創(chuàng)新教學(xué)方法，教師在以學(xué)生為主體的項目式教學(xué)過程中起到引導(dǎo)學(xué)生的作用；（3）建立項目式教學(xué)的評價體系，考核方式以學(xué)生在項目式教學(xué)過程中的實操表現(xiàn)以及在項目答辯時的表現(xiàn)和課程論文，替代傳統(tǒng)的實驗考勤打卡和實驗報告，重點考查學(xué)生靈活運用材料力學(xué)的理論知識解決實際工程問題的能力。

針對材料力學(xué)實驗課程教學(xué)改革內(nèi)容，筆者提出材料力學(xué)項目式實驗教學(xué)流程，如圖1所示。

首先，建立基于問題導(dǎo)向的項目庫。設(shè)計并建立基于問題導(dǎo)向的項目庫是材料力學(xué)實驗課程開展的關(guān)鍵。教學(xué)團隊擬根據(jù)教學(xué)大綱的要求，選擇在工程上常見的材料力學(xué)分析案例，包括汽車、生物醫(yī)療、橋梁結(jié)構(gòu)、海上風(fēng)電等領(lǐng)域的案例，并提出案例分析要求，設(shè)置相應(yīng)的科學(xué)問題，建立開放式項目庫。學(xué)生也可以進(jìn)行自主選題，尋找生活中相關(guān)力學(xué)案例進(jìn)行分析，選題較為優(yōu)秀的項目可以納入項目庫中作為下一屆的實驗項目選項。

其次，學(xué)生團隊協(xié)作開展項目研究。項目式實驗教學(xué)流程的重點是學(xué)生如何通過團隊協(xié)作開展項目的研究。學(xué)生團隊通過項目選擇、項目分析、項目立項和項目開展，分析項目案例存在的問題，列出解決問題需要的實驗技術(shù)手段，并在查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料后，與實驗教師進(jìn)行充分溝通討論，制定可行性強的實驗方案。學(xué)生通過項目的開題答辯，充分展示團隊協(xié)作的初期效果，團隊間互相學(xué)習(xí)交流，以進(jìn)一步改善實驗方案。通過模塊化實驗教學(xué)培訓(xùn)，讓學(xué)生挑選項目涉及的實驗內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)方式為線上線下相結(jié)合，通過講解、動手操作和視頻學(xué)習(xí)等方式完成相應(yīng)的培訓(xùn)，培訓(xùn)合格后頒發(fā)相應(yīng)的設(shè)備操作證。完成培訓(xùn)后的學(xué)生團隊，在實驗教師的指導(dǎo)下，分工合作完成項目相關(guān)所有實驗內(nèi)容，獲取相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，并對實驗數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析。除了實驗測試部分，學(xué)生結(jié)合所學(xué)的有限元分析方法，對相關(guān)模型進(jìn)行對比分析，深入分析結(jié)構(gòu)的變形機理。在項目研究過程中，學(xué)生可得到實驗動手操作、數(shù)據(jù)分析、圖表制作、有限元仿真以及自主創(chuàng)新探索等方面的鍛煉，有助于全方位提升力學(xué)方面的素養(yǎng)。

再次，課程成果展示與教師點評。課程成果展示以學(xué)術(shù)海報形式以及PPT匯報演講形式開展。通過設(shè)計學(xué)術(shù)海報，學(xué)生能夠了解并掌握學(xué)術(shù)海報的設(shè)計規(guī)范，獲得工程科學(xué)問題研究成果展示的成就感。通過以團隊PPT匯報演講的形式開展項目成果答辯，學(xué)生能夠提升口頭語言組織能力以及PPT制作能力，增強團隊合作意識?？陬^匯報可以選擇全英語匯報，有助于進(jìn)一步提升學(xué)生的雙語水平。學(xué)生匯報結(jié)束后，任課教師對學(xué)生的匯報進(jìn)行點評，點評要素包括現(xiàn)場表達(dá)、項目方案、實驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析等，讓學(xué)生對其項目研究進(jìn)行總結(jié)和反思。

最后，撰寫課程論文。學(xué)生基于團隊研究項目成果撰寫一篇課程論文作為課程總結(jié)報告，這有助于提升學(xué)生規(guī)范寫作能力以及工程問題分析能力。對于選題新穎、研究較深、具有一定創(chuàng)新性的研究論文，教師可鼓勵學(xué)生進(jìn)一步整理發(fā)表至相關(guān)的學(xué)術(shù)期刊上，作為課程學(xué)習(xí)的成果。

五、結(jié)語

課程教學(xué)改革是一個創(chuàng)造性的過程，需要進(jìn)行全方位的思考和實踐，并結(jié)合實際的教學(xué)情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和完善。本文借鑒國內(nèi)外的先進(jìn)教學(xué)理念，結(jié)合材料力學(xué)的課程特點，探索基于PBL實踐教學(xué)方法的創(chuàng)新教學(xué)模式，以提升學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性，以及發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力和團隊合作能力，使學(xué)生深入理解材料力學(xué)理論知識、提升實踐操作能力，同時提高語言表達(dá)能力和論文寫作水平。材料力學(xué)課程教學(xué)應(yīng)該跟上時代科技的發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維。新時代新形勢下，只有不斷地對課程進(jìn)行改進(jìn)，不斷完善教學(xué)方法和內(nèi)容，才能培養(yǎng)出符合時代需求的應(yīng)用型創(chuàng)新人才。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

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［責(zé)任編輯：周侯辰］