基于創新項目的材料力學教學中能力培養探索

彭細榮

摘要：探索了基于大學生創新項目的材料力學教學過程中學生素質及能力培養模式。實踐表明基于項目的教學模式對學生素質及能力的訓練能很好地符合企業的用人期望，實現“卓越工程師教育培養計劃”的培養基本要求。

關鍵詞：材料力學；教學改革；能力培養

中圖分類號：TB301 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）50-0101-02

一、引言

2010年教育部啟動的“卓越工程師教育培養計劃”培養要求：（1）行業企業深度參與培養過程；（2）學校按通用標準和行業標準培養工程人才；（3）強化培養學生的工程能力和創新能力。材料力學作為土木工程專業的一門基礎課，與結構力學、混凝土結構原理、鋼結構原理等緊密銜接。如何在教學過程中傳授學生知識的同時，培養學生能力，實現上述培養要求，是材料力學教改的努力目標。

針對材料力學教學過程中學生素質及能力培養方面的探索已有許多有益的嘗試。隋允康教授提出發現法教學，在教學過程中重現知識的發現過程，引導學生重走先哲們探索、發現知識點的過程，改變“簡單地端出一個又一個知識點”的教學模式，從方法論角度培養學生創新思維能力[1]。蔣持平教授提倡引導學生獨立進行思考，克服“重知識傳播，輕科學方法培養；重書本知識，輕思維方式訓練的傳統教學方式”的不足[2]。林朝斌介紹了以減速器設計項目為例，對項目進行細化分解，并與材料力學知識點對照，在項目過程中培養學生解決問題的能力[3]。張東曉嘗試了將日常生活事物、工程實踐問題和材料力學實驗貫穿于教學過程，提高其分析和解決問題能力[4]。黃宜勝嘗試教學走進科研，讓學生參與科研項目，提出以課程論文為主的研究型學習培養模式[5]。

在筆者學院所舉辦的“土建類專業校企合作人材培養示范基地建設研討會”上，企業方代表在人材方面提出“（1）扎實的力學基礎；（2）自學能力；（3）解決問題能力；（4）寫作能力；（5）上崗資質”等諸多方面的要求，這些來自生產一線的需求無疑是最真實的。但材料力學課程與一般的專業課程不同，過深地涉及土木工程專業的項目或科研難免會面臨諸多專業課程方面的知識不足，而且會與后續課程重疊。如何在教改過程中既重視學生基本概念及理論的掌握，又進行學生素質及能力的訓練，還不超出材料力學學科知識體系的范圍，是值得深入探索的問題。本文介紹引導學生在材料力學課程體系內，提出研究項目，進行能力培養的一種教改嘗試。

二、“基于移動終端的構件截面設計驗算應用軟件研發”項目概況

筆者所在高校為鼓勵學生創新思維，每年均支持一批大學生創新項目，以學生為主體，在老師指導下申請并完成項目。在此有利環境下，材料力學課程正在上課的學生自愿組建團隊，在授課老師（即筆者）的指導下，申請了“基于移動終端的構件截面設計驗算應用軟件研發”項目，并成功得到學校支持。此項目的申請基于如下考慮：

1.隨著移動互聯網的發展，越來越多的單機版應用軟件轉移到移動終端。在結構設計行業，許多繁雜的計算公式非常有必要編制程序進行自動化計算，將設計相關計算公式在智能手機的開發平臺中用軟件實現，工程師們可以像使用計算器一樣，利用安裝在手機中的設計小軟件，滿足隨時隨地進行計算的需求。

2.《材料力學》課程中涉及構件的強度、剛度及穩定性等方面的設計及驗算理論，這些理論很多直接應用于結構設計中，如均質的鋼結構構件設計。

3.本項目結合《材料力學》的課程學習過程，擬將《材料力學》中構件截面設計及驗算的相關內容在Android平臺中實現，開發一在Android系統中使用的構件截面設計驗算應用軟件，滿足設計及施工相關工程師現場隨時隨地進行計算的需求，同時也可供土木工程、機械工程等相關專業學生作為學習《材料力學》的工具軟件使用。

項目擬定的主要研究內容包括：

1.實現典型截面的幾何性質如面積、形心坐標、慣性矩等計算。

2.實現工程常用型鋼截面屬性庫。

3.實現均質材料在拉（壓）、扭轉、剪切、彎曲等基本變形及組合變形下的截面應力計算公式，可對構件進行設計及強度驗算。

4.實現均質材料壓桿穩定性設計及驗算。

從項目申請的研究意義及主要研究內容可以看到此項目有如下特點：

1.項目緊密聯系工程實際。此項目旨在開發一個可直接服務于工程應用的計算小軟件，學生在完成項目過程中，需要從工程應用的角度進行思考。

2.項目與土木工程專業課程相關但并不深入涉及。項目完成的桿件截面設計及計算的內容盡管可直接應用于實現如鋼結構設計的部分功能，但并不直接應用鋼結構設計的知識，仍舊在材料力學知識體系內。

3.項目具有創新及挑戰性。項目要求在移動平臺上實現材料力學的一些計算功能，不僅要求學生掌握材料力學的理論，還需要學生掌握Android平臺的軟件開發知識，對一個土木工程專業學生團隊的項目來說，此項目具有一定的實現難度。經查國內也沒有相關軟件在移動平臺上應用。

三、項目對學生能力的培養

完成上述項目，學生團隊在以下幾個方面均得到了很好的鍛煉。

1.自學能力。此項目要求學生具備軟件編程及設計能力，因而學生需要自學Java編程語言、Android平臺的移動應用開發、Photoshop軟件應用界面設計等內容。在材料力學專業知識方面，除一般本科要求的截面屬性計算及強度計算相關內容外，從工程應用的角度，對扭轉的屬性及強度計算進行了拓展，普通本科教育中的材料力學扭轉強度的計算僅限于要求圓形截面，其他形狀實體截面或薄壁截面的扭轉慣性矩的計算及扭轉應力的計算均不是教學大綱要求的范圍，屬于高等材料力學課程中的內容。為滿足項目開發的知識要求，項目團隊需要隨時參考資料。這種面向解決問題、目標明確的自學要求對學生自學能力的訓練效果非常明顯。

2.解決問題能力。項目的完成過程中遇到了很多困難，通過相互討論、查閱資料，甚至請教相關專業人士等方式，一個個均得到了解決。例如，在學習高等材料力學理論時有理解困難，學生團隊與指導老師一起研討；在Android編程遇到技術困難時，通過互聯網、圖書館等各種途徑查閱資料；在界面設計時請美院朋友進行專業咨詢等。通過完成此項目，項目團隊成員訓練了遇到問題通過查閱資料、探討及咨詢等各種辦法進行解決，解決問題的能力及信心均有很大提升。

3.團隊協作能力。此創新項目基于訓練并兼顧工程應用的角度出發，并沒有計劃太復雜，但仍是一個需要多人協作才能在規定的時間內順利完成的項目，因而需要發揮不同團隊成員的特長，項目成員既有分工也有協作，學習成績比較好的同學負責理論推導的工作，對編程感興趣的同學負責程序編寫設計，寫作能力強的同學負責報告撰寫工作。各司其職、各盡其責，同時定期交流討論，甚至利用團隊成員的交際圈尋求外援。項目完成過程中，團隊成員均為同一目標努力，團隊協作能力及精神均得到了很好的鍛煉。

4.寫作能力。國內本科教育在學生論文寫作方面的訓練很少。本項目作為一個創新項目，必須提交正式的結題報告，并要求在公開期刊上發表文章。學生在完成報告及論文的寫作及修改過程中，對論文寫作及報告撰寫的各項要求均有所了解，經過項目訓練，論文寫作能力有明顯提高。

5.扎實的材料力學概念及理論基礎。項目要實現材料力學課程中的部分計算設計功能，要求團隊成員對相關概念及理論有深刻的理解，這種理解程度是普通的考試要求無法比擬的。編程要求計算具有自動化、普適性，必然要求學生認真鉆研相關概念及理論之后才可能通過計算機編程語言來實現相關功能。由于材料力學是木木工程類執業資格基礎考試中必考的一門課程，自然也為團隊成員在未來的執業資格考試中打好了很好的基礎。

6.計算機應用能力。通過此項目訓練，學生團隊的計算機編程及應用的能力均在短期內得到了突飛猛進的提升。作為人材的兩大基本能力（計算機應用能力，英語水平）之一，計算機應用能力在土木工程專業領域也是非常重要的基本素質及能力要求。

四、結論

通過上述基于項目的教學實踐，對照筆者不久前參與的校企研討會上生產一線領導提出的人材要求，發現這種基于項目的教學對學生素質及能力的訓練能很好地符合企業的用人期望。

目前的教學嘗試僅限于一個創新項目團隊成員，學生覆蓋面非常有限，如何將這種教學模式進行更大面積的覆蓋，使更多的學生，甚至是所有聽課學生均能參與類似項目式的教學訓練，在項目規模、內容、及組織形式等諸多方面還需要進行更多的探索。從因材施教的角度看，目前這種創新項目式的教學對訓練少數有興趣于科研性活動的學生是非常有效的。

參考文獻：

[1]隋允康，宇慧平，杜家政.材料力學——桿系變形的發現[M].北京：機械工業出版社，2014.

[2]蔣持平.材料力學教學中的科學思維方式培養[J].力學與實踐，2001，23（3）：52-53.

[3]林朝斌.項目教學法在材料力學課程教學中的應用研究[J].中國教育技術裝備，2014，（4）：75-76.

[4]張東曉.與實踐相結合的材料力學教學方法探索[J].中國現代教育裝備，2010，（15）：93-94.

[5]黃宜勝.高校土木水利類專業材料力學教學模式的探討[J].高等教育研究，2011，（14）：246.