以工程教育認證為導向的機制專業材料力學課程教學改革探索與實踐

李智慧

0 引言

材料力學作為高等院校機械設計制造及其自動化專業的一門重要的核心課程，不僅為后續專業課程，如機械設計、機械原理、機械制造基礎、機械制造裝備設計和機械工程材料等的學習提供必備的基礎理論支撐，而且在工程結構的設計與分析中有著重要的應用。在整個培養體系中，材料力學對學生工程意識與工程認知能力、實驗設計與操作能力、人文社會科學素養的培養及分析解決實際工程問題能力的培養都起著重要的作用[1]。

工程教育認證“以學生為中心，以學習成果為導向，以持續改進”的基本理念與當前高等工科教育中以課程為導向的培養模式有很大不同，以課程為導向的大學工科培養模式培養出來的學生雖然基礎扎實，但利用所學理論知識解決工程問題的能力不足，實踐中缺乏團隊協作能力和工程意識，職業素養和社會責任感不足，而這些正是工程教育認證所提倡和要求的。只有深入研究和挖掘每門課程的特點和各門課程對能力培養的聯系，才有可能培養出符合工程教育認證理念要求的、能夠在國際上獲得認可的人才。本文從以成果為導向的工程教育認證的要求出發，根據我校材料力學教學模式的現狀和師生的特點，研究了通過材料力學課程教學改革，對學生工程認知和力學建模能力、人文科學素養以及實驗設計與操作這三個方面能力的培養中可起到的重要作用，并提出了相應的實施方案，從而為實現我校由以課程為導向的工程教育理念向以成果為導向的工程教育認證理念的轉變提供一個切實可行的途徑，而且這些方案對教學硬件設施要求不高，可為其他高校工科力學基礎課程的教學改革提供參考。

1 學生工程認知和力學建模能力的培養

提高學生的力學建模能力和工程認知能力是工程教育認證的要求，也是為適應當今時代背景下的知識結構體系變化的需求。目前大多數材料力學教材中的實例都是抽象的力學模型，學生并不了解這些力學模型是如何從實際工程問題中轉化而來的，這就導致了學生所學習的力學基礎理論與實踐認知環節的脫節問題。

針對上述力學基礎理論與實踐認知脫節的問題，我們著力從以下四個方面解決。第一，教師授課時增加了“如何抽象簡化力學模型”的內容。與傳統授課內容相比，我們在講授課程時采用了如下內容：一是工程和生活實際的視頻或圖片，對工程問題進行描述和解釋；二是力學模型的抽象與簡化；三是基本理論的推導；四是利用導出的基本理論和公式對抽象得到的模型進行計算和分析。第二，教學中結合機械工程中常見工程實例進行講授，例如，在講述基本變形部分的內容時，分別以吊車的吊鉤、電動推桿等為例分析軸向拉伸和軸向壓縮變形桿件內的應力和應變；以鉚釘連接件和螺栓連接件為例剖析剪切和擠壓強度的工程近似計算方法；以機床傳動的主軸和汽車方向盤的操縱桿等為例分析受扭圓軸內的應力和應變及強度條件和剛度條件在機械工程中的應用；以吊車大梁和汽車主軸為例分析彎曲變形桿件的強度和剛度；在講述組合變形部分的內容時，以受到鉆削力作用的鉆床立柱為例，分析立柱的強度問題，以三軸數控銑床銑削平面和加工模具時的刀具主軸為例，分析主軸的強度和剛度問題；在講述穩定性問題時，以螺旋千斤頂為例分析臨界力、臨界應力的計算及合理的穩定設計方案。這樣將機械工程的常見實例滲透到材料力學教學中，不僅能建立學生對抽象的材料力學知識與直觀的工程問題的關聯，也能提高學生對機械專業學習的主觀能動性。第三，將現行的大型有限元商用軟件ANSYS 引入到材料力學的課堂教學和實驗教學，教學過程中動態展示典型機械零件加載、變形直到破壞的全過程[2]。在講授四種基本變形和組合變形桿件的強度計算時，利用ANSYS 軟件顯示各基本變形和組合變形下的應力應變分布云圖，將理論與數值計算的結果進行比較，不僅加深了學生對理論推導過程中各種假設的理解，更能給予學生對解決工程問題形象而直觀的認識。在講解應力集中時，通過ANSYS 軟件顯示應力集中部位的應力應變值，讓學生認識到機械零件設計過程中應力集中的重要性以及如何減緩應力集中。在實驗教學中，利用ANSYS 軟件進行模擬實驗，可反復觀察模擬實驗過程中的各種現象及應力應變云圖的變化，做到深入透徹、舉一反三。第四，積極鼓勵學生參加各種課外競賽，應用所學的材料力學知識支撐設計論證。學院鼓勵學生積極參加各種機械類和綜合類的大型賽事和創新訓練項目，例如，全國大學生機械創新設計大賽、機械測繪大賽、“互聯網+”“挑戰杯”和大學生創新訓練項目等。學生參加比賽完成項目時，從對項目主題的分析、建模時材料力學知識的運用、到具體解決問題時每個細節的分析處理，在這整個過程中，其綜合應用所學理論知識的能力、實踐能力、協作能力和自主學習能力等都能獲得有效的鍛煉。力學模型的抽象與簡化、工程實例的講授、工程軟件引入教學及綜合應用材料力學知識進行設計論證，這四個方面四位一體，形成培養學生工程認知能力的有效機制。

2 學生實踐能力的培養

目前材料力學實驗課程中的常規實驗項目如典型塑性材料低碳鋼和典型脆性材料鑄鐵的單軸拉伸、單軸壓縮和扭轉及梁的彎曲正應力電測實驗等，均為驗證性實驗，學生只需按照指導書完成實驗和處理數據即可，這不利于提高學生的知識運用能力和工程分析能力[3]，也未能很好地體現學生自主設計實驗的能力及協作精神。從工程教育專業認證的角度出發，我們在材料力學的實驗部分，除了完成拉壓、扭轉、彎曲等常規實驗項目外，還根據目前的實驗硬件和學科的研究方向，增開一些基于科研項目和工程背景的開放性或創新性實驗。如，當前出現的很多新型復合材料在機械工程中有著廣泛的應用，其力學性能與常見金屬材料差異很大，同時學科有相關研究項目的支持，因此開設了新型復合陶瓷材料、功能梯度材料等新材料的高低溫拉伸強度、壓縮強度實驗。這些實驗項目要求學生提前自學實驗的原理、設備的性能和操作規程，根據需求設計試樣尺寸形狀和實驗夾具卡具，制定實驗計劃，獨立完成實驗過程，處理數據，綜合分析實驗結果。這樣既能使學生更深入地掌握材料力學知識，也能提升其實踐能力，培養其創新意識。

機制專業課中的機械設計、機械原理、機械制造基礎、機械制造裝備設計和工程材料等都涉及材料力學知識，材料力學創新實驗項目的設置不僅要基于科研項目和工程背景，更應注重與這些后續課程內容上的配合和銜接，例如，變截面軸的設計是機械設計課程中非常重要的內容，而變截面軸的強度和剛度計算的理論基礎都應在材料力學課程中掌握理解透徹，實驗課程中可以進行變截面圓軸實驗設計的初步講解和滲透，有意識地將材料力學與后續專業課聯系，加強學生對材料力學基本理論的應用。

3 學生人文科學素養的培養

以成果為導向的工程教育認證理念強調學生人文科學素養的培養，為此，我們從材料力學發展史的角度，在掌握基本理論的基礎上，提高學生的批判性思維能力和人文科學素養。教學過程中，引導學生查閱力學史資料，整理某些典型的基本理論誕生的時代背景、工程背景及當時的科學發展水平，體會對基本理論有過重大貢獻的力學家的科學精神，尋找他們所采用的研究方法和所獲得結論的不完善之處，探索導致不完善的因素。教學過程中給學生理清材料力學基本理論的發展脈絡，結合學生閱讀力學史相關資料的體會，激發他們的求知欲。通過增加力學前輩們探索理論的時代背景、工程背景、曲折過程、科學素養以及導致某些理論不完善甚至錯誤的原因等，以培養學生的科學素養及其勇于接受探索過程中出現挫折和失敗的創新意識、職業道德和社會責任感等基本素養。在教學過程中重現理論的探索發現和發展的過程，能夠從方法論的角度逐步引導學生提高創新思維能力，這也是當前以成果為導向的工程教育認證的要求之一。

4 結語

根據以成果為導向的工程教育專業認證要求，針對我校目前材料力學教學中存在的實際問題，在教學過程中通過力學模型的抽象與簡化、工程實例的講授、工程軟件引入及綜合應用材料力學知識進行設計論證，培養學生的工程認知能力和利用所學知識解決實際工程問題的能力；從力學史的角度，培養學生的社會責任感和工程職業道德等人文科學素養；通過基于科研項目和工程背景的開放性或創新性實驗項目開設，培養學生的實踐能力和創新意識。通過上述方案的實施，為實現我校由課程導向的工科人才培養模式向由成果導向的工程教育認證理念下的人才培養模式的轉變提供一條可行的途徑。