新工科背景下材料力學(xué)課程教學(xué)改革與實(shí)踐

章芳芳

[摘? ? ? ? ? ?要]? 以新工科為背景，以學(xué)院土木工程專業(yè)材料力學(xué)課程為例，著力于強(qiáng)化學(xué)生對土建工程的認(rèn)知，課堂中結(jié)合工程案例豐富教學(xué);著力于深化學(xué)生知識點(diǎn)的掌握，加強(qiáng)專業(yè)軟件運(yùn)用能力，課堂中引入midas數(shù)值仿真技術(shù)深化教學(xué);著力于提升學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐的能力，課堂中采用分層次開展實(shí)驗(yàn)拓展教學(xué)。為迎合新工科需求，培養(yǎng)工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力強(qiáng)的高素質(zhì)復(fù)合型人才，根據(jù)教學(xué)現(xiàn)狀和土木專業(yè)設(shè)置情況，對材料力學(xué)課程進(jìn)行教學(xué)改革與實(shí)踐。以19級土木專業(yè)學(xué)生為實(shí)踐對象，實(shí)踐證明，教學(xué)效果良好，教改措施有效。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 新工科;材料力學(xué);教學(xué)改革;midas;分層次實(shí)驗(yàn)

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2021）20-0051-02

一、引言

新工科建設(shè)是我國深化工程教育改革的重大行動計劃，以適應(yīng)時代需求。不同于傳統(tǒng)工科人才要求，新工科人才需要具備高素質(zhì)，且工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力強(qiáng)。應(yīng)用型本科土木工程專業(yè)應(yīng)從基層出發(fā)，從各門課程教學(xué)改革著手，滲透新工科理念，響應(yīng)新工科建設(shè)，著眼于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力[1-3]。

材料力學(xué)是本校應(yīng)用型本科土木工程專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課，兼具理論性和實(shí)踐性，是新工科建設(shè)下的一門重要課程。根據(jù)材料力學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀，結(jié)合新工科人才的培養(yǎng)要求，如何對該門課程進(jìn)行教學(xué)改革和實(shí)踐，創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容和方法，是文章探索研究的關(guān)鍵所在。

二、材料力學(xué)課程現(xiàn)狀和主要問題

作為應(yīng)用型普通本科高校，武漢科技大學(xué)城市學(xué)院土木工程專業(yè)建設(shè)響應(yīng)新工科創(chuàng)新人才培養(yǎng)需求，旨在培養(yǎng)應(yīng)用型技術(shù)人才和增強(qiáng)學(xué)生的就業(yè)創(chuàng)業(yè)能力。在制定人才培養(yǎng)方案時，既考慮新工科需求，又考慮學(xué)生需求，提出了“A+B”選課模塊，不同模塊對應(yīng)的專業(yè)必修課和專業(yè)選修課有區(qū)別。A代表設(shè)計模塊，適用于今后就業(yè)從事設(shè)計和考研的學(xué)生;B代表施工模塊，適用于今后就業(yè)從事施工的學(xué)生。

材料力學(xué)作為土木專業(yè)A和B模塊學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課，以高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理和理論力學(xué)作為先修課，面向大二學(xué)生，開設(shè)在上學(xué)期。共64學(xué)時，其中理論學(xué)時56學(xué)時，實(shí)驗(yàn)學(xué)時8學(xué)時。目前，教學(xué)中主要存在以下問題：

（一）內(nèi)容繁多學(xué)時有限，新材料體現(xiàn)較少

課程內(nèi)容包括拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲和剪切四種基本變形下和組合變形的內(nèi)力、應(yīng)力和變形計算，壓桿失穩(wěn)及強(qiáng)度理論等。教材章節(jié)繁多，且理論學(xué)時有限，導(dǎo)致每堂課教學(xué)知識點(diǎn)和公式過多，使學(xué)生理解掌握有難度。同一教學(xué)大綱針對不同模塊層次的學(xué)生進(jìn)行教學(xué)，教學(xué)效果不理想。另外，當(dāng)前教材對于土建行業(yè)中出現(xiàn)的新材料新工藝等前沿內(nèi)容介紹較少，不能滿足新工科背景下工程教育對教學(xué)內(nèi)容的新要求。

（二）與工程實(shí)例聯(lián)系脫節(jié)

材料力學(xué)研究對象是理想化的桿件模型，需要滿足連續(xù)性、均質(zhì)性和各向同性三大基本假定。書本中例題幾乎直接為簡化后的模型，學(xué)生直接照簡化模型進(jìn)行受力分析和計算，并不了解這些簡化的力學(xué)例題模型是如何從工程實(shí)例中轉(zhuǎn)變而來的[4]。教學(xué)中若不結(jié)合具體工程實(shí)例進(jìn)行模型簡化和受力分析，不重視學(xué)生對實(shí)際工程力學(xué)模型抽象化構(gòu)建過程，將使學(xué)生難以將理論聯(lián)系實(shí)際并用于實(shí)際，只能一知半解、囫圇吞棗。在今后的其他專業(yè)課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計等實(shí)踐中遇到工程實(shí)例，將無從下手，不符合應(yīng)用型本科培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識的目標(biāo)。

（三）實(shí)驗(yàn)類型較單一

目前實(shí)驗(yàn)大綱中為基本型實(shí)驗(yàn)，包括拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲等典型基本變形構(gòu)件的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，以理論驗(yàn)證性為主，類型較單一，與工程實(shí)際有所偏離。且基本型實(shí)驗(yàn)原理和操作步驟固定統(tǒng)一，工程實(shí)踐應(yīng)用性不強(qiáng)，不具有探索創(chuàng)新性。

（四）教學(xué)方法和手段不夠靈活

在理論教學(xué)中，為提高學(xué)生的積極性，教師已逐步采用翻轉(zhuǎn)課堂等現(xiàn)代教學(xué)方式，但因理論知識點(diǎn)多且較抽象，學(xué)生理解程度不深，學(xué)習(xí)熱情不高。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，仍以教師先講授，學(xué)生后動手為主。教師在課堂開始時講授實(shí)驗(yàn)原理、操作步驟和相關(guān)注意事項(xiàng)。學(xué)生隨后分組參照已有實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，僅部分學(xué)生跟著進(jìn)度動手，實(shí)驗(yàn)效果不佳。

因此，為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生較強(qiáng)工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力，進(jìn)行材料力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法改革，勢在必行。

三、新工科背景下的教學(xué)改革

（一）教學(xué)內(nèi)容改革

為有效利用有限學(xué)時，材料力學(xué)應(yīng)根據(jù)人才培養(yǎng)方案精簡教學(xué)內(nèi)容，避免與先修課程理論力學(xué)和后續(xù)課程結(jié)構(gòu)力學(xué)及鋼結(jié)構(gòu)等的教學(xué)內(nèi)容重復(fù)。

同時，針對本院土木專業(yè)A和B模塊學(xué)生，應(yīng)選用不同的教學(xué)大綱進(jìn)行教學(xué)，達(dá)到分類教學(xué)的目的。兩個模塊均需重點(diǎn)講解基本變形下和組合變形下的應(yīng)力應(yīng)變計算、強(qiáng)度和剛度計算;應(yīng)力狀態(tài)和四大強(qiáng)度理論;壓桿失穩(wěn)。A模塊內(nèi)容偏設(shè)計方向，應(yīng)強(qiáng)調(diào)各公式推導(dǎo)過程和應(yīng)用，為今后設(shè)計和研究打基礎(chǔ)。B模塊偏施工方向，則應(yīng)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)各公式的具體應(yīng)用。

其次，將最新前沿材料力學(xué)知識融入教學(xué)，保證新增內(nèi)容的先進(jìn)性。科技進(jìn)步迅猛，新型材料不斷涌現(xiàn)，例如復(fù)合材料和工程塑料等[5]。但目前教材中關(guān)于工程中的新材料知識不多，幾乎都是介紹常見的低碳鋼和鑄鐵的拉伸和壓縮性能。教師可專門制作講義，將材料力學(xué)的前沿內(nèi)容以圖片或視頻等形式展現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生了解最新發(fā)展態(tài)勢，跟上時代步伐。