依據課程定位深化材料力學教學改革

王春香 周鵬 胡恒山

摘要：依據材料力學課程定位，圍繞創新人才培養目標，通過課程考核驅動教學內容、教學方法、教學形式的相應改革。建立教與考一體、教與學一體、理論與工程實踐一體，課內與課外一體、課前與課后一體的多維教學改革模式，重點培養學生工程素質、自學能力、解決實際問題的能力，增強創新意識。

關鍵詞：課程定位；材料力學；創新能力；教學改革

中圖分類號：TU501；G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2018）01-0053-04

毋庸置疑，多年的教學改革，推動了高等教育的發展，提高了人才培養質量。但在改革過程中，也出現了某些偏頗，如忽略課程自身在人才培養中的定位，違背教與學的基本規律，照搬同一改革模式等問題，不可小視其對教學及人才培養的負面沖擊。哈爾濱工業大學材料力學課程在不斷改革的基礎上，總結前期的經驗教訓，認真分析課程性質和課程在人才培養中的作用，結合新技術、新材料給工程設計帶來的變革及當今學生的知識水平，制定切實可行的改革方案，穩步深化教學改革，為培養造就創新型科技人才做出貢獻[1]。

一、依據課程定位，綜合制定改革方案

材料力學是變形體力學的重要基礎分支之一，是學習構件設計理論的重要技術基礎課，也是本科生最早（大學二年級）接觸到的與工程實際聯系密切的課程。課程既培養學生具有良好的理論分析能力，又鍛煉學生的工程實踐能力，其課程內容不僅為后續課程奠定必要的力學基礎，其分析方法、計算手段也可直接應用于實際工程設計中。因此，課程在培養學生基本素質、啟迪創新思維、培養分析能力及創新能力等方面具有其他課程不可替代的作用[2]。

學生創新能力及素質培養是一項綜合系統工程，需要在不同時期、不同課程中逐步實施。根據學生所處階段及所具有的預備知識，制定切實可行的改革方案，使學生通過努力達到預期學習目標，享受成功的愉悅，從而提高學習興趣，激發創新熱情。

材料力學以培養創新型人才為目標，構建教與考、教與學、理論與實踐、課內與課外多位一體的教學改革方案。特別是通過課程考核驅動教學內容、教學方法、教學形式的相應改革。教學方法改革和考核方法改革相輔相成、緊密結合。考核方式的改革，為部分教學方法的改革提供相應的實施平臺，教學方法改革則由相應的考核方式保障。

二、各項改革相輔相成協調發展

（一）教學內容及教學方法改革與實施

1. 教學內容改革

隨著科學技術的發展，工程設計、分析、計算、制造等理念、方法也發生了深刻變革，工程技術人員對力學基礎知識的需求也在發生改變。新技術、新材料的不斷涌現及廣泛應用，促使我們重新考慮材料力學基本知識的繼承與更新。在保留其基本知識結構、基本分析方法的前提下，增加部分內容。適當引入課程前沿相關內容，建立與其他相關力學課程之間的關系，為學生將來繼續學習開辟窗口。材料力學對變形固體的研究，是在均勻、連續、各向同性的前提下，基本不涉及各向異性材料。然而，各向異性復合材料在航天航空、核工業、水利水電以及民用產品等領域已廣泛應用，因此在材料力學課程中，各向異性材料內容應有所體現，講課時加入了各向異性材料性能簡介[3]。講材料應力應變關系時，從一般到特殊，先介紹一般各向異性材料的廣義胡克定律，再到正交各向異性材料，最后到各向同性材料。對一般各向異性材料，過一點產生6個獨立應力分量，其中每一個應力分量都要引起6個應變分量，如6個應力分量引起x方向的應變εx表達式如下：

另外5個應變分量也可類似寫出。kij為材料彈性常數，共36個，由于kij=kji，因此各向異性材料最多21個彈性常數。正交各向異性材料最多9個彈性常數，如果是各向同性材料，最多3個彈性常數，即E、ν和G。雖然只是簡單介紹，卻為學生后續學習和應用打開了一個窗口。

抓住力學分析中的共性問題，調整課程體系。教學中以應力、應變分析為主線，重點討論解決力學問題通用的三大基本方程，即平衡方程、幾何協調方程和物理方程[4]。

由于計算機技術的發展和大型通用力學軟件在工程設計中發揮的重要作用，將計算機求解引入教學勢在必行。例如，在教學中增加了教材中沒有的 “有限差分法”，增加了MATLAB在力學中的應用簡介，供學生課外學習[5]。

創新除需要扎實的理論基礎外，還要具備基本的工程素質，因此在教學中增加了強化工程概念、拓寬學生工程視野的內容。材料力學教科書所涉及的工程結構都以受力簡圖的形式出現，至于簡圖如何抽象而來，學生并不清楚，不能與實際結構相對應，理論與工程脫節，嚴重影響學習的積極性，阻礙了學生對材料力學基本理論的理解。因此，在課堂上引入教師自己拍攝錄制的工程實際結構、機械設備零部件等視頻資料，通過這些視頻信息，引導學生分析實際工況，簡化相應的約束、受力及結構形狀，得到計算簡圖，之后通過簡圖進行力學分析、計算。經過這樣的訓練之后，作為課后學習任務，針對教材中某些受力簡圖及其變形特征，要求學生留意尋找實際工程中與之對應的部分，定時反饋給教師，教師綜合后分析講解。這種課內與課外相結合的學習方式，使學生明確了學習材料力學的目標，很受歡迎，教學效果較好。另外，還通過網絡視頻資料引入國內外典型工程案例，包括某些工程事故，引導學生從材料力學的角度分析原因。例如，2012年8月24日橫跨松花江的哈爾濱陽明灘大橋引橋發生特大傾覆事故，造成3人死亡，5人受傷。針對這一案例，要求學生上網查詢相關資料，分析原因，提出改進措施和預防事故發生的意見，寫出簡要報告。同一個事故，學生利用已學的材料力學知識、理論力學知識，從結構設計、載荷分布、強度、穩定等諸多方面，提出不同意見，有的見解非常獨到。這種理論與實踐一體的教學方法，使學生進一步明確所學知識的應用范圍，提高了學習積極性，同時也提高了學生的工程素質，為創新能力培養奠定基礎。

2.教學方法改革

改革材料力學“上機課”。以前，“上機課”僅供學生觀看課件，或用課件做一些自測題，學生只能被動學習，未能充分發揮“上機課”環節在人才培養中的作用，只是傳統課堂教學的簡單延伸和補充。改革后的上機課，從注重學生工程素質教育與創新能力培養出發，結合新形勢下對工程技術人員計算機基本素質的要求，提出新的教學目標，要求學生利用上機課獨立編寫、設計制作解決工程實際問題的計算機分析軟件大作業，并作為考核的一部分計入課程總成績。

將教師主講的課堂，部分變為師生互動的課堂。選擇部分教學內容，如截面幾何性質、彎曲正應力公式推導等內容，讓學生課前預習、查找資料、準備講稿。教師根據關鍵內容，課上隨機抽找2～3個學生講解，每人3 min左右，總時間控制在10 min之內，之后教師點評總結，形成師生互動共同研究的討論課。這種教學一體、師生互動的教學方法效果很好，培養了學生獨立學習的能力。此外，還可通過設置問題的方式培養學生自學能力。教師設置問題，課后學生尋找答案，下次課開始時，讓學生用少量時間介紹自己的解決方案。例如，講完一次靜不定的力法正則方程及例題之后，布置學生課后推導高次靜不定結構的力法正則方程，學生只需解釋正則方程中某個系數的物理意義，教師即可判斷他對這部分內容理解及掌握的情況，通過這種方式，培養學生獨立獲取知識的能力，從“學會”到“會學”。

在課外開設第二課堂。教師有自己的教學、科研主攻方向，不可能各科皆通，根據課程定位，如果需要與其他學科知識結合解決工程問題時，可以邀請相關學科的專業人士參與指導，在課外共同完成相應教學內容。例如，MATLAB是一款功能較強的科學計算軟件，對分析力學問題很有幫助，邀請相關專業人士，完成“MATLAB在力學中的應用簡介”視頻資料，組織學生課外觀看。這種學習方式學生很感興趣，學習的積極性很高，提高了軟件設計大作業的質量。

開展每年一屆的“哈工大材料力學軟件設計競賽”活動，獲獎者可在材料力學總成績中額外加5分，此競賽為學生進行創造性學習、發揮創新潛能、施展才華提供一個平臺，是學生理論聯系實際的一個載體。

持續建設網絡學習資源系統。材料力學從第一批“國家精品課程”到第一批“國家精品資源共享課程”，再到教育部的“MOOC-材料力學”，歷時10多年，此間不斷豐富網絡教學資源，內容包括國家教學名師和多位教授的講課視頻、學習自測題、試題庫、工程案例分析、專題講座、參考書及參考資料等，為學生課外自主學習提供豐富資源。學生可根據自己的實際情況和能力，作為課堂學習的一個補充，選擇相應的資源學習材料力學。

（二）課程考核改革

1.轉變考核觀念

課程考核是教學的重要組成部分，應貫穿于教學全程。考試不僅要考核學生學的情況，也應該考核教師教的情況，更是及時反饋教學效果的渠道，也是教學的“指揮棒”。課程考核不能只是總結性的期末閉卷考試，不能只注重測評學生掌握知識的書面筆試能力，而應將重點放在創新能力的考核上。因此，對課程考核的基本構架、主要方式、考核內容等進行調整，形成重學習過程、重基本知識積累、重綜合應用、重實踐能力培養、重發掘學生潛質、重創新能力培養的“累加+開卷”全新考核模式，從而使課程考核科學全面地評價學生綜合素質，達到以考促學、以考促教的目的。通過課程考核轉變學生只注重考試成績，不注重學習過程的觀念，通過課程考核驅動教學內容、教學方法、教學形式的相應改革。

2. 改革考核方式

為發揮課程考核對教與學的驅動作用，必須改革考核形式。將期末閉卷考試改為貫穿整個教學過程的多環節、多層次考核，形成“累加+開卷”考核模式。所有的答卷考試均為開卷，包括3～4次隨堂階段性測試、期中考試、期末考試。總成績由多項不同形式的考核成績累加，各項考核及所占比例如下：平時作業占10%；隨堂階段性測試占10%；上機課軟件設計大作業占10%；期中考試占25%；期末考試占45%。另外，還有兩項附加考核（額外加分）：“哈工大材料力學軟件設計競賽”獲獎者加5分，預習講稿和教師布置的課后問題解決方案共3分。

關于開卷考試并不陌生，常見于小班課、專業課，而且只可以查閱教科書（教材）。材料力學是技術基礎課，基本是大班（5～7個小班）上課，開卷也是廣義開卷，即可以查閱參考書、習題解答、學習指導等任何資料。特別是開卷的大班階段性測試，由于是隨堂考試，人數多且間隔小，分布密集，為避免互相之間抄襲，達到考核公正，每次測試教師要擬定6～10套不同試卷，測試時前后左右按一定規律下發試卷，每個考生周圍的試卷都各不相同。

閉卷考試均改為開卷考試，徹底將學生從死記硬背的被動學習中解脫出來。開卷考試也增大了命題范圍，強調對學生綜合性分析能力、創造性應用能力的考核。

3.改革考試內容

由于是廣義開卷考試，推進了試題內容的改革，跳出僅局限于教學大綱要求、知識點單一、有公式套用的出題范圍，取而代之的是教師自己編制的多個知識點相綜合、多種求解途徑的考題。重點考核學生分析問題、解決問題的能力，各知識點融會貫通綜合應用的能力，創造性應用所學知識的能力。

三、結語

材料力學課程改革主導思想是：依據課程定位，圍繞創新人才培養目標，通過課程考核驅動教學內容、教學方法、教學形式的相應改革。這樣的綜合改革，形成教與考一體、教與學一體、理論與工程實踐一體、課內與課外一體、課前與課后一體的多維教學模式。實踐證明，基本達到了預期目標，學生更加注重學習過程，注重理論聯系實際，從“學會”到“會學”，初步掌握解決工程問題和科學研究的基本方法，對自身潛在能力有所認識，增加了自信及對創新的欲望。促使學生積極參加各類競賽，以此證明自己的能力。學生的材料力學軟件設計作品獲得“全國虛擬儀器設計大賽（軟件組）”三等獎，有的作品還被納入《材料力學課堂教學多媒體系統》，由機械工業出版社正式出版。2013年“第九屆周培源全國大學生力學競賽”中，哈爾濱工業大學獲團體賽一等獎2項，獲個人賽一等獎3人，二等獎6人。2015年“第十屆周培源全國大學生力學競賽”中，哈爾濱工業大學學生獲特等獎1人（成績第一名）、 一等獎4人、二等獎10人，再次刷新歷史最好成績。材料力學“累加+開卷”考核模式、材料力學上機課改革分獲黑龍江省教學成果二等獎。

總之，教學改革不是一勞永逸的事，是動態的過程，還需要教育工作者繼續努力。

參考文獻：

[1]教育部.國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）[EB/OL].（2010-07-29） [2010-10-07].http：//www.gov.cn/jrzg/2010-07-29/content_1667143.html.

[2]錢國英. 教育創新與應用型創新人才培養[M].杭州：浙江大學出版社，2009.

[3]王春香. 基礎材料力學[M].北京：科學出版社，2007.

[4]張少實. 新編材料力學[M].北京：機械工業出版社，2010.

[5]邱李華. MATLAB 7及工程問題解決方案[M].北京：機械工業出版社，2006.