新工科背景下“材料力學(xué)”改革與實踐研究

吳坤銘

（皖西學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院，安徽 六安 237012）

“材料力學(xué)”課程是土木類專業(yè)課程，課程緊密聯(lián)系工程實際，通過理論、實驗和計算，解決構(gòu)件受力后的強度、剛度和穩(wěn)定性問題，培養(yǎng)學(xué)生分析、解決工程實際問題的能力，提升學(xué)生創(chuàng)新思維能力，為土木工程等相關(guān)工程設(shè)計提供理論基礎(chǔ)和計算方法，養(yǎng)成科學(xué)嚴謹?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度和理論結(jié)合實際的學(xué)習(xí)意識。本文結(jié)合皖西學(xué)院土木工程省級一流專業(yè)建設(shè)，以“材料力學(xué)”課程為例，圍繞土木類人才實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)，優(yōu)化“材料力學(xué)”課程內(nèi)容，加強實踐教學(xué)，探索新工科背景下面向土木類人才培養(yǎng)的“材料力學(xué)”課程改革與實踐并加以總結(jié)。

1 新工科背景下對土木類人才培養(yǎng)的要求

1.1 改革人才培養(yǎng)模式，加強實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)

改革人才培養(yǎng)模式，修訂專業(yè)人才培養(yǎng)方案，理論與實踐并重，強化實踐教學(xué)，探索“3+1”人才培養(yǎng)模式，即3年在校內(nèi)開展理論和實踐教學(xué)，1年在校外基地開展實踐教學(xué)，以培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力[1]為主線，設(shè)置課程實驗、課程設(shè)計、生產(chǎn)實習(xí)、畢業(yè)設(shè)計等實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)模塊，探索人才培養(yǎng)新途徑。

1.2 深化校企合作方式，不斷提升師資隊伍水平

為適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展對土木類人才培養(yǎng)的要求，緊密依托地方產(chǎn)業(yè)發(fā)展深化校企合作，組織教師深入生產(chǎn)一線服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，參與研究和解決制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵共性技術(shù)問題，將解決產(chǎn)業(yè)發(fā)展的科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，不斷豐富教學(xué)內(nèi)容，不斷創(chuàng)新教學(xué)方式，增強教師掌握新技術(shù)和應(yīng)用新技術(shù)解決實際問題的能力，不斷提升師資隊伍水平，不斷提高人才的培養(yǎng)質(zhì)量和社會服務(wù)能力。

1.3 依托校企合作平臺，實施實踐課程培養(yǎng)模塊

依托校企合作平臺，將實踐類課程與生產(chǎn)實際緊密結(jié)合，生產(chǎn)實習(xí)、畢業(yè)實習(xí)等實踐環(huán)節(jié)在校外基地開展，由校內(nèi)、外教師聯(lián)合指導(dǎo)，實習(xí)內(nèi)容融入土木工程生產(chǎn)主要過程；課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計選題來源于實際工程，真題真做，將工程案例轉(zhuǎn)化為專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容，實現(xiàn)校企協(xié)同育人；鼓勵學(xué)生積極參加學(xué)科競賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，在比賽中鍛煉學(xué)生的綜合素質(zhì)和團隊協(xié)作能力，探索培養(yǎng)土木類人才實踐創(chuàng)新能力的新途徑。

2 “材料力學(xué)”課程改革措施

2.1 改革課程內(nèi)容

不斷優(yōu)化課程內(nèi)容，使傳統(tǒng)經(jīng)典內(nèi)容與現(xiàn)代科技發(fā)展有機結(jié)合，基礎(chǔ)知識與工程問題相結(jié)合[3]，重視實踐教學(xué)，圍繞人才培養(yǎng)持續(xù)優(yōu)化課程內(nèi)容。力學(xué)問題源于工程實踐，服務(wù)于生產(chǎn)建設(shè)，“材料力學(xué)”課程的基本概念、內(nèi)容和方法貫穿于工程問題[2]的解決和學(xué)科發(fā)展。因此，講解“材料力學(xué)”課程知識，應(yīng)加強學(xué)生對基本概念的理解和掌握，注重學(xué)生對分析和解決問題能力的培養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生對力學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣。通過介紹典型建筑工程、橋梁工程、水利工程等重大基礎(chǔ)設(shè)施，使學(xué)生堅定中國特色社會主義道路自信、理論自信、制度自信和文化自信，肩負起民族復(fù)興的時代責任。

“材料力學(xué)”是土木類專業(yè)課程，通過定性分析和定量計算，研究構(gòu)件受荷載作用后的強度、剛度和穩(wěn)定性問題，為工程應(yīng)用提供依據(jù)，確保構(gòu)件在工程使用中滿足既安全又經(jīng)濟的條件。如在講解壓桿穩(wěn)定性時，以“雪災(zāi)導(dǎo)致的輸電塔倒塌事件”為案例，從材料的低溫冷脆、導(dǎo)線冷縮產(chǎn)生的溫度應(yīng)力、覆冰導(dǎo)致桿件內(nèi)力變化等方面分析高壓線塔倒塌的原因，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和解決實際問題的能力。為實現(xiàn)上述目標，根據(jù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求，改革課程內(nèi)容，知識點緊密圍繞工程實際，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力[4]。

2.2 改革實踐教學(xué)

改革實驗教學(xué)內(nèi)容增加綜合性、設(shè)計性項目，實行分層次實驗教學(xué)，改變傳統(tǒng)單一的驗證性實驗項目，強化實踐教學(xué)，使學(xué)生掌握儀器設(shè)備使用、實驗測試方法及數(shù)據(jù)處理方法，進一步認識材料的力學(xué)性能，加深對“材料力學(xué)”知識點的理解和掌握，培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力。

實踐教學(xué)是課程教學(xué)的重要組成部分，是保證課程教學(xué)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。“材料力學(xué)”實驗是以材料力學(xué)理論為基礎(chǔ)，通過拉伸、壓縮等試驗測定構(gòu)件的屈服極限、強度極限、延伸率和截面收縮率等力學(xué)性能參數(shù)；運用電測理論和方法測定構(gòu)件在荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變，分析構(gòu)件的強度、變形和安全穩(wěn)定性，確定研究方案的可行性，為工程設(shè)計提供方法和依據(jù)。

2.3 改革教學(xué)內(nèi)容組織方式

改革課程教學(xué)內(nèi)容組織方式，一方面，強化學(xué)生對基本概念、基本理論、基本方法和基本計算能力的掌握；另一方面，運用多媒體教學(xué)手段，教學(xué)過程引入典型工程案例，介紹材料力學(xué)在解決實際問題中的應(yīng)用，注重學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。探索案例式教學(xué)，把課堂“搬進”現(xiàn)場，結(jié)合實際工程講解“桁架、壓桿、牛腿、組合變形”等基本概念，培養(yǎng)學(xué)生建立力學(xué)模型解決工程問題的能力，不斷提高課程教學(xué)效果。通過改革教學(xué)內(nèi)容組織方式，既教授學(xué)生求解具體力學(xué)問題的方法，又培養(yǎng)學(xué)生將工程實際問題提煉成力學(xué)問題的能力。

2.4 改革課程評價

改革課程評價，一是課堂教學(xué)，二是實踐教學(xué)，三是卷面考核。全面、客觀、科學(xué)、合理地評價學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握課程知識點情況，是提高學(xué)生課程學(xué)習(xí)效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是學(xué)生反饋課程教學(xué)質(zhì)量、促進教師改進課程教學(xué)的重要步驟。課堂教學(xué)評價，包括課堂問題回答情況、課堂作業(yè)完成情況、課后習(xí)題完成情況、課堂出勤情況等。實踐教學(xué)評價，包括實驗預(yù)習(xí)情況、實驗操作情況、實驗報告撰寫情況、實驗出勤情況，參與開放性和創(chuàng)新性實驗情況等。卷面考核評價，主要為課程知識點掌握的卷面考核。上述三部分課程評價占比分別為20%、20%、60%，提高過程考核占比，學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)課程的積極性得到進一步提高，學(xué)習(xí)效果得到進一步提升，課程考核不及格率顯著下降。

3 “材料力學(xué)”課程改革成果

3.1 制定了符合培養(yǎng)要求的課程教學(xué)大綱

圍繞人才培養(yǎng)要求，改革課程教學(xué)內(nèi)容，制定符合新工科背景下面向土木類人才培養(yǎng)的“材料力學(xué)”課程教學(xué)大綱[5]；將土木類專業(yè)人才培養(yǎng)方案要求的相關(guān)指標點落實到“材料力學(xué)”課程的教學(xué)目標、教學(xué)內(nèi)容、進度安排和考核方式中；依據(jù)課程知識點要求，制定“材料力學(xué)”實驗教學(xué)大綱，開發(fā)實驗教學(xué)項目，加強對土木類人才的實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)；實行分層次實驗教學(xué)，增加類型多樣的選修實驗項目，探索新工科背景下面向土木類人才培養(yǎng)的新途徑。

3.2 編制了滿足實踐教學(xué)需要的實驗指導(dǎo)書

依據(jù)“材料力學(xué)”實驗教學(xué)大綱編制滿足實踐教學(xué)需要的實驗指導(dǎo)書，開展分層次實驗教學(xué)，實驗項目分為：基本實驗、提高實驗、開放實驗、創(chuàng)新實驗。基本實驗為必修實驗項目，主要培養(yǎng)學(xué)生掌握金屬材料的基本力學(xué)性能測試和分析能力；提高實驗、開放實驗、創(chuàng)新實驗為選修實驗項目，主要培養(yǎng)學(xué)生力學(xué)建模能力、實踐能力和創(chuàng)新精神。

提高實驗，以鋼梁或鋼筋混凝土梁為研究對象開發(fā)梁的純彎曲實驗項目，運用電橋原理設(shè)置實驗任務(wù)，掌握電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)、電阻應(yīng)變補償技術(shù)等；對照實驗任務(wù)學(xué)生自主完成電阻應(yīng)變片粘貼、導(dǎo)線焊接、應(yīng)變片與電阻應(yīng)變采集儀連接等，制定實驗加載方案、記錄實驗過程和現(xiàn)象、對實驗數(shù)據(jù)進行分析和處理、完成實驗報告。

開放實驗，依托“材料力學(xué)”開放實驗教學(xué)平臺，開設(shè)的實驗項目有：金屬材料基本變形實驗，金屬材料彈性模量E及泊松比μ電測實驗，金屬梁彎曲電測實驗，金屬梁彎扭組合電測實驗等；對照實驗任務(wù)學(xué)生運用所學(xué)原理和方法，自主準備實驗、制定實驗方案、開展實驗、分析和處理實驗結(jié)果、完成實驗報告。

創(chuàng)新實驗，依托工程力學(xué)創(chuàng)新平臺，運用電阻應(yīng)變片工作原理開設(shè)的實驗項目有：門式剛架、門式排架的內(nèi)力測試等驗證結(jié)點特性實驗，學(xué)生自主制定實驗方案，確定待測截面和位置，確定應(yīng)變片組合方式并粘貼，應(yīng)變片與采集儀的導(dǎo)線連接等，加載、采集和記錄實驗數(shù)據(jù)、分析和處理實驗結(jié)果，完成實驗報告。

通過開展分層次實驗教學(xué)，開設(shè)相關(guān)實驗項目并編制相應(yīng)實驗教學(xué)指導(dǎo)書為學(xué)生研究性學(xué)習(xí)、創(chuàng)新能力培養(yǎng)、土木類結(jié)構(gòu)檢測及研究方案制定等打下堅實的基礎(chǔ)。

3.3 改革教學(xué)內(nèi)容組織強化了創(chuàng)新能力培養(yǎng)

改革教學(xué)內(nèi)容組織，強化學(xué)生對基本概念、基本理論、分析方法的理解和掌握，運用多媒體等教學(xué)手段，在教學(xué)過程中引入與“材料力學(xué)”相關(guān)的工程案例，運用啟發(fā)式等教學(xué)方法[6]，以“彎曲正應(yīng)力”為例，通過列舉工程中的彎曲現(xiàn)象或彎曲構(gòu)件，引導(dǎo)學(xué)生通過觀察彎曲現(xiàn)象把握彎曲變形的本質(zhì)特征，提出“梁橫截面上各層纖維變形不均勻”的問題，根據(jù)純彎曲實驗現(xiàn)象，綜合幾何關(guān)系、物理條件和靜力學(xué)方程，建立并推導(dǎo)彎曲正應(yīng)力計算公式，找出“梁橫截面上不均勻的應(yīng)力是導(dǎo)致橫截面上各層纖維變形不均勻”的原因。通過上述方式培養(yǎng)學(xué)生力學(xué)建模能力，加強對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。將實驗等實踐教學(xué)與生產(chǎn)實際緊密結(jié)合，將工程問題轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，深化校企合作，協(xié)同育人，不斷提高課程教學(xué)效果。

3.4 改革完善了課程評價

實踐表明，逐步充實、完善“材料力學(xué)”課程綜合評價，強化過程考核，合理分配課堂教學(xué)、實踐教學(xué)、卷面考核等在綜合評價中所占比例，改變傳統(tǒng)單一的考核方式，更加科學(xué)、合理地評價學(xué)生對課程知識點掌握，反饋教師課程教學(xué)情況，促進教學(xué)質(zhì)量提升，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性得到進一步提高。

4 “材料力學(xué)”課程改革效果

圍繞“材料力學(xué)”課程建設(shè)，課程組先后主持安徽省教育廳質(zhì)量工程項目3項和校級質(zhì)量工程項目1項；近年來，通過不斷努力，“材料力學(xué)”課程建設(shè)水平得到不斷提升。通過課程改革，學(xué)生學(xué)習(xí)“材料力學(xué)”課程興趣得到很大提高，依托學(xué)校力學(xué)實驗室、創(chuàng)新平臺、校企實踐基地開展創(chuàng)新實驗項目教學(xué)，圍繞每年一屆的安徽省大學(xué)生力學(xué)競賽和基礎(chǔ)力學(xué)實驗團體賽，組織課程組老師線上線下一對一加強對參賽學(xué)生的輔導(dǎo)，在安徽省大學(xué)生力學(xué)競賽中取得了優(yōu)異成績，如2016年安徽省大學(xué)生力學(xué)競賽皖西學(xué)院獲團體省一等獎、2017年安徽省大學(xué)生力學(xué)競賽基礎(chǔ)力學(xué)實驗團體賽皖西學(xué)院獲省一等獎。

5 結(jié)語

總之，“材料力學(xué)”課程通過改革和建設(shè)，不斷優(yōu)化課程內(nèi)容，加強實踐教學(xué)等，將實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)融入到實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，充分利用實驗室、實踐基地、創(chuàng)新平臺等，強化土木類人才實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)。通過課程改革豐富了教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)了學(xué)生對力學(xué)課程的學(xué)習(xí)熱情，同時也取得了一定的成績，今后將繼續(xù)結(jié)合新工科背景下對土木類人才培養(yǎng)的要求，進一步改革和完善“材料力學(xué)”課程，對我校應(yīng)用型人才培養(yǎng)課程建設(shè)進行有益探索和實踐。