工程素養與創新能力培養導向下的“材料力學”教學改革與實踐

李霄琳 彭帥英

培養多元化、創新型卓越工程人才是高等工程教育在新歷史時期的重要目標，是我國各高校正在積極探索的課題。在國外，德國采用“雙元制”辦學，校企深度合作，共同開展工程教育。美國強調“回歸工程”的理念，要求工程教育要回歸到工程實踐這個出發點，不斷更新和調整教育范式、培養目標、課程設置、教學模式以及教育理念，進而滿足產業界發展對工程人才的需求。法國注重保持與工程界的密切聯系，在工程人才培養目標、培養過程、科學研究、人員交流等方面，注重與工業企業的良性互動[1]。在我國，2017年2 月以后，教育部基于國家戰略發展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求提出了“新工科”。先后形成了“復旦共識”“天大行動”以及“北京指南”，努力探索領先全球工程教育的中國模式和中國經驗[2]。

材料力學課程作為一門面向機械類、土木類、交通類、材料類等工科類本科生開設的專業基礎必修課，是工科學生接觸到的最早涉及工程問題的專業技術基礎課程，具有理論性強、知識點抽象、與工程實踐聯系緊密等特點。承擔著培養學生邏輯思維、力學建模和解決復雜工程問題能力的任務和目標，是為學生日后專業課程的學習和未來工作學習打下堅實基礎的課程，對“大國工匠”和高層次工科人才培養起著舉足輕重的地位和作用。

但過往的材料力學課堂教學多采用大班上課形式，課堂內容重經典、輕現代，教學方法重理論、輕實踐，造成的結果是低階、陳舊、灌輸、封閉和不用心的“水課”蔓延，使人才培養離既定目標漸行漸遠，導致學生被動接受知識，主動性學習不足，缺乏運用所學知識發現問題解決問題的能力，缺乏創新意識，創新能力不足。因此如何在夯實學生力學理論的基礎上培養他們的工程思維和創新能力，激發學生的學習動力和專業志趣，實施材料力學課程的教學改革已經是迫在眉睫的事情。

近幾年，徐鋒等[3]通過重組材料力學知識模塊，利用多維度素材建設、“教與學”模式轉變以及多指標綜合評價等手段，打造“教學相長、內外聯動、上下融合、虛實結合”的材料力學金課；周曉敏等[4]將ANSYS 軟件引入材料力學的課堂教學中，不僅可以加深學生對各類力學概念的理解，而且可以激發學生的學習興趣和創新性思維，有助于工程應用型人才的培養；楊曉峰等[5]開展了工程問題導向型材料力學教學法改革與實踐。以工程問題為實例重點介紹應用基本原理解決問題的思想與方法。

我校建設工程學院材料力學教研組立足工程創新人才觀，對材料力學課程進行了一系列深入改革，建立了一套以學生為主體，以教師為主導，以傳授知識為中心，以解決問題為目的，以創新實踐為特點，以立德樹人為根本的課堂；堅持“力學理論與操作實踐相結合”“力學知識與工程案例相結合”培養具有工程素養與創新精神的卓越工程人才。

1 設計與實踐結合

蘇霍姆林斯基指出：“學生的厭學、精神不振等問題，都是由于沒有看到自己的力量與才能所造成的。”為此以“產出”為導向，組織課堂活動、搭建交流平臺。即由學習產品（創作作品、實驗報告、解決方案……）為固著點組織教學活動，讓學生在搜集、探究、展示、反饋的過程中建構知識、啟迪思維、提升智慧、養育人格，并通過獲得成果激發學生學習的內部動機，讓學習者體驗到知識收獲的成就感與解決問題的實踐智慧。

在材料力學課程中設計了結構設計力學實踐活動，讓學生使用發放的指定材料，利用材料力學知識設計并制作一些簡單結構。針對土木類專業的同學可以參照結構設計競賽題目要求學生設計并制作一個大跨的屋蓋結構或簡單的橋梁結構等，針對其他專業的同學可以參照周培源力學競賽題目要求同學設計并制作懸臂結構等，由此為學生提供理論結合實踐的平臺，同時能在較低經濟成本的前提下，為學生理論-實踐-再理論-再實踐的循序深化提供案例。啟發學生在實踐過程中產生新知識、新技能以及概念性框架。培養學生創新能力、團隊合作能力，深化學生理論理解，同時賦予了學習過程一定的競爭性，符合“95 后”“00 后”的學習習慣，提高了學生學習材料力學課程的動力和興趣。

2 理論與工程結合

目前材料力學課堂教學多以理論講授為主，致使課程理論知識和工程實際脫節，為此采用案例教學法，加強學生對抽象概念的理解，真正體會到材料力學的魅力及其重要性，幫助學生樹立工程實踐意識和質量安全意識。

案例教學法的關鍵是對案例素材的挖掘和整理，依據教學內容和知識點，選擇更貼近工程實際的案例。比如在彎曲應力一章中和同學們一起討論為什么雙杠的標準尺寸是總長3.5 m，外懸臂60 cm？為什么世博會挪威館的支撐梁設計成變截面梁？在應力集中內容的講解中通過介紹易拉罐頂部的刻痕，包裝袋上的缺口和切縫處的應力集中現象，啟發同學思考生活中應力集中的例子。在講授壓桿穩定性內容時，選取“2008 年我國南方雪災導致的輸電塔倒塌事件”作為案例，引導學生從材料的低溫冷脆、導線冷縮產生的溫度應力、覆冰導致桿件內力變化等方面分析高壓線塔倒塌的原因。從“理論→模型→工程→模型→理論→計算”的循環路徑中幫助學生掌握材料力學與工程問題之間的關系，培養學生的工程思維和解決實際復雜工程問題的能力。

3 結語

材料力學的課程改革是一個持續的探索過程，旨在通過設計與實踐的結合啟發學生在實踐過程中產生新知識、創造新方法，培養學生從認知到實踐再到創新，逐步深入鍛煉學生的動手能力、創新能力和團隊協作能力。通過理論與工程的結合培養學生分析問題解決問題的能力，為學生搭建力學理論知識與工程實際之間的橋梁，使學生們可以直觀的了解材料力學理論的實際工程應用。由此打造“兩性一度”的材料力學課程。