材料力學理論與實驗課程教學改革探討

張明康　王關皓　陳揚枝　王貴　印四華

［摘 要］材料力學在理論教學和實驗教學過程中仍存在著一些問題，如有些教師的理論教學抽象、脫離實際工程應用，實驗教學則簡單乏味、缺乏新意。在國際化背景和應用型創新人才培養目標下，理論結合工程實際以及雙語教學尤為重要。采用項目式的實驗教學方法，通過優化力學實驗內容、增加先進測試手段和有限元仿真分析，讓學生以團隊協作方式參與材料力學的實驗課程，可全方位鍛煉學生的動手操作能力、語言表達能力和論文撰寫能力。

［關鍵詞］材料力學；理論課程；實驗課程；教學改革；項目式教學

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）10-0031-04

材料力學是工科類的一門重要專業基礎課程，其主要目標是讓學生了解和掌握構件的強度、剛度和穩定性的理論概念與計算方法，以及了解材料在外力作用下表現出的變形和破壞等方面的性能，而這些性能需要結合材料力學實驗進行測試分析。因此，本課程的學習包括理論學習和實驗操作兩個部分，對機械類、材料類和土木類等專業的學生后期的專業課程理解會產生重要影響[1]。本課程理論性較強，很多學生在學習過程中都反映理論課程的學習較為枯燥，實驗內容較少，而實驗環節多為被動性地進行操作，難以有效調動學生的學習積極性。因此，本文針對近年來材料力學的實驗室建設和課程教學實踐，對本課程理論和實驗教學方法改革進行探討，以期在技術日新月異發展變革的時代，培養出符合時代需求的應用型創新人才。

一、理論教學結合工程前沿

廣東海洋大學機械與能源工程學院（以下簡稱我院）材料力學課程教材采用的是劉鴻文主編的《材料力學Ⅰ》（第6版）[2]，主要講授材料力學相關的桿件軸向拉壓、剪切、扭轉和彎曲基本變形的強度和剛度計算，應力和應變分析及強度理論，組合變形和壓桿穩定等，大部分內容均為理論性很強的抽象概念和公式推演。由于學時較少，教師講課速度較快，學生在課堂上難以有效理解課本理論知識，覺得這門課程是乏味、枯燥的，從而容易失去學習興趣。此外，教材核心內容自20世紀80年代后基本成型，到目前仍未有很大的改動。隨著我國經濟飛速發展，許多大工程中的材料力學應用非常廣泛，這些新近的工程實例在課本教材中未體現，如果授課內容完全按照課本內容展開，則難以培養適應現代工程需要的人才。因此，在課程授課過程中，教師應在授課內容中增加一些典型的工程應用案例，用材料力學的知識去解釋工程現象，理論聯系實際[3]，結合近幾年工程中出現的一些力學失效斷裂問題，如風電機組倒塌事故、建筑結構失效、橋梁垮塌事故、汽車碰撞變形和航空航天相關爆炸事故等，讓學生進行小組討論分析，與學生共同探索剖析其內在的材料變形和力學失效機理，加深學生對相關知識點的理解。教師還可以介紹國家體育場（鳥巢）和廣州海心橋的力學之美，描繪港珠澳大橋和三峽大壩水利工程的結構力學之壯觀等。

理論課程的學習不應該僅僅停留在書本和課堂上，結合工程現場參觀學習的模式更能激發學生的學習熱情。我院地處陽江市，而陽江市有世界級風電產業基地，基于此產業，我院牽頭與金風科技和明陽智能等風電頭部企業聯合成立了海上風電產業學院，打造相關產業的人才培養基地。在教學過程中，我院教師帶學生去參觀相關企業的生產基地和風電裝機現場，現場解說與理論課程內容相關的知識，包括風機塔筒的受力情況、塔筒吊裝現場與力學結構相關的工程裝備等，加深學生對課程知識的理解、提升學生的學習興趣。

二、注重雙語教學

雙語教學是評價本科教學水平的重要指標之一。材料力學課程涉及很多專業詞匯，實施雙語教學可提升學生的專業英語水平，有利于學生今后的文獻自學和國際交流合作。目前，材料力學的授課方式主要是漢語教學，較少涉及英文專業詞匯和表述，很多學生到了考研或者讀研階段才開始注重本課程相關專業詞匯的英語表述。本科階段的學生得不到相關專業詞匯英語表述的訓練，這對于國際性工程人才的培養來說是一個缺失。因此，應該從本科階段就重視材料力學課程的雙語教學。由于本課程理論性很強，如果純粹用英語教學，學生會難以適應和理解課本上的內容，因此需要循序漸進，先采用局部雙語教學方法進行探索。教師可在PPT中的專業詞匯后注明其英語表述，并在講課過程中注重部分專業詞匯的英語口頭表達。教師可通過錄制雙語教學課程上傳至相關網站，如超星泛雅、中國大學慕課等平臺，讓學生完成雙語線上課程學習，提升學生的專業術語英語表達能力。此外，教師可以布置與材料力學相關的外文文獻課后閱讀，要求學生用中文概述文獻意思，并進行文獻總結[4]。除上述雙語教學方法外，還需要注重雙語教材的選擇和推薦，教師上課時可選擇材料力學中文教材，另外給學生推薦外文原版教材作為參考學習資料。針對雙語教學的考核，可在期末試卷中給出材料力學相關外文文獻和外文教材中部分片段的原文讓學生進行翻譯，或者讓學生寫一篇與材料力學相關的英文綜述論文作為平時成績考核。通過提升學生的英語表述能力，可為學生今后的外文期刊論文閱讀、英語論文撰寫和國際工程技術交流打下扎實的基礎。

三、優化力學實驗內容

傳統的材料力學實驗課程學時較少，一般只有8個學時。由于學時較少，學生難以深入系統地理解材料力學測試方法和理論。且一般的材料力學實驗只包括拉伸、彎曲、扭轉和沖擊四種實驗，缺少更為先進的測試手段方法的學習內容，難以引起學生的興趣。因此，對于我院機械設計制造及其自動化專業的材料力學學時分配，教學團隊進行了重新安排，由原來56學時理論課程加8學時實驗課程調整為48學時理論課程加24學時實驗課程，在適當減少理論課程學時的基礎上，給實驗課程增加了16個學時。實驗課程所增加的實驗操作，需要增加多種材料力學相關的測試裝備和方法才能實施。

為此，教學團隊針對本課程進行了力學實驗中心的建設，所采購的設備包括示波擺錘沖擊試驗機、示波落錘沖擊試驗機、盲孔法殘余應力測試儀、數字圖像相關技術（Digital Image Correlation， DIC）測量儀、疲勞試驗機等，以及從10 kN至600 kN系列的萬能試驗機，并針對這些設備設置相應的實驗內容和開發實驗教材。其中，DIC測量儀可通過測試獲得材料拉伸、彎曲、壓縮等變形過程中的應變云圖，可以讓學生更為直觀地觀測到結構變形過程中局部區域的應變分布，加深學生對結構變形過程的理解。示波擺捶沖擊試驗機和示波落錘沖擊試驗機可獲得沖擊過程中力—時間、能量吸收—時間等曲線，讓學生深入理解沖擊過程中力的變化和能量的變化，而不只是獲得一個沖擊能量簡單的數值。系列不同噸位的拉伸機可實現從高分子到金屬材料的力學性能的測試，以適應不同受力情景下的力學失效分析，避免單一實驗情景教學帶來的枯燥感。

除了實驗動手操作部分，還需要增加相應的有限元仿真分析相關課程學習內容，讓學生加深對拉伸、壓縮、彎曲等變形現象的理解。隨著計算機仿真技術的快速發展，利用有限元仿真分析方法解決實際工程中的一些難題以及提前預測結構的失效過程已經成為一種主流趨勢。機械類和材料類專業的學生在大一和大二期間已經學習相關的二維、三維建模軟件，包括AutoCAD、SolidWoks和UG等。基于他們的學習基礎，材料力學實驗教師可給學生教授現有的主流有限元分析軟件，包括ANSYS、Abaqus、COMSOL Multiphysics等，讓學生初步掌握有限元分析流程，如幾何建模、初始條件和邊界條件設置、網格劃分、后處理等。此外，一款數值分析軟件——Matlab，由于其強大的分析和仿真功能，也被應用于相關力學研究和教學方面，利用Matlab計算超靜定結構的支反力和繪制撓曲線的形狀等[5]。學生通過對標準二維和三維的結構件模型進行拉伸、壓縮、彎曲等有限元仿真，可更為直觀地分析結構受力的應力分布和應變分布及其結構的變形過程，并結合實驗測試結果對有限元仿真分析的結果進行對比分析驗證，分析誤差原因，進一步提升學生的力學分析水平，為學生今后的工程技術應用和科學研究等打下扎實的理論基礎。

四、實施項目式實驗教學

目前，許多高校的材料力學實驗課程主要以課程指導性實驗為主，通過講授法和操作示范指導學生完成課程的實踐性內容，其主要教學目標是使學生掌握金屬材料機械性能參數的測試技能和方法，了解常用實驗儀器的構造、原理及使用方法。然而，材料力學公式繁多、理論性強，若采用講授法的教學模式，僅按照操作手冊進行機械性的練習，學生容易處于被動學習的狀態，學習積極性較低，對課本相關理論內容的理解不夠深刻，缺乏探索性精神，實驗知識遺忘率高，教學效果難以達到理想的目標要求。因此，急需對材料力學實驗課程進行教學模式改革。美國教育家杜威曾提出一個觀點：教育是給學生一些事情去做，不是給他們一些東西去學，結果他們自然地學到了東西。這個觀點正是項目式學習（Project?based Learning， PBL）的核心。針對上述問題，教師可采用PBL教學方法，通過建立基于問題導向的項目庫，以學生為主體開展項目式教學，使學生在實施項目的過程中靈活運用基礎理論知識，以項目為中心、以任務為驅動，通過團隊協作解決項目問題，提高學生的團隊協作能力和參與度[6]。

材料力學實驗課程教學改革內容主要包括以下三點：（1）建立基于問題導向的項目庫，實現個性化問題設置，避免同質化；（2）構建學生小組，讓學生團隊協作開展項目研究流程，創新教學方法，教師在以學生為主體的項目式教學過程中起到引導學生的作用；（3）建立項目式教學的評價體系，考核方式以學生在項目式教學過程中的實操表現以及在項目答辯時的表現和課程論文，替代傳統的實驗考勤打卡和實驗報告，重點考查學生靈活運用材料力學的理論知識解決實際工程問題的能力。

針對材料力學實驗課程教學改革內容，筆者提出材料力學項目式實驗教學流程，如圖1所示。

首先，建立基于問題導向的項目庫。設計并建立基于問題導向的項目庫是材料力學實驗課程開展的關鍵。教學團隊擬根據教學大綱的要求，選擇在工程上常見的材料力學分析案例，包括汽車、生物醫療、橋梁結構、海上風電等領域的案例，并提出案例分析要求，設置相應的科學問題，建立開放式項目庫。學生也可以進行自主選題，尋找生活中相關力學案例進行分析，選題較為優秀的項目可以納入項目庫中作為下一屆的實驗項目選項。

其次，學生團隊協作開展項目研究。項目式實驗教學流程的重點是學生如何通過團隊協作開展項目的研究。學生團隊通過項目選擇、項目分析、項目立項和項目開展，分析項目案例存在的問題，列出解決問題需要的實驗技術手段，并在查閱相關文獻資料后，與實驗教師進行充分溝通討論，制定可行性強的實驗方案。學生通過項目的開題答辯，充分展示團隊協作的初期效果，團隊間互相學習交流，以進一步改善實驗方案。通過模塊化實驗教學培訓，讓學生挑選項目涉及的實驗內容進行學習，學習方式為線上線下相結合，通過講解、動手操作和視頻學習等方式完成相應的培訓，培訓合格后頒發相應的設備操作證。完成培訓后的學生團隊，在實驗教師的指導下，分工合作完成項目相關所有實驗內容，獲取相關實驗數據，并對實驗數據結果進行分析。除了實驗測試部分，學生結合所學的有限元分析方法，對相關模型進行對比分析，深入分析結構的變形機理。在項目研究過程中，學生可得到實驗動手操作、數據分析、圖表制作、有限元仿真以及自主創新探索等方面的鍛煉，有助于全方位提升力學方面的素養。

再次，課程成果展示與教師點評。課程成果展示以學術海報形式以及PPT匯報演講形式開展。通過設計學術海報，學生能夠了解并掌握學術海報的設計規范，獲得工程科學問題研究成果展示的成就感。通過以團隊PPT匯報演講的形式開展項目成果答辯，學生能夠提升口頭語言組織能力以及PPT制作能力，增強團隊合作意識。口頭匯報可以選擇全英語匯報，有助于進一步提升學生的雙語水平。學生匯報結束后，任課教師對學生的匯報進行點評，點評要素包括現場表達、項目方案、實驗數據結果分析等，讓學生對其項目研究進行總結和反思。

最后，撰寫課程論文。學生基于團隊研究項目成果撰寫一篇課程論文作為課程總結報告，這有助于提升學生規范寫作能力以及工程問題分析能力。對于選題新穎、研究較深、具有一定創新性的研究論文，教師可鼓勵學生進一步整理發表至相關的學術期刊上，作為課程學習的成果。

五、結語

課程教學改革是一個創造性的過程，需要進行全方位的思考和實踐，并結合實際的教學情況進行適當的調整和完善。本文借鑒國內外的先進教學理念，結合材料力學的課程特點，探索基于PBL實踐教學方法的創新教學模式，以提升學生主動學習的積極性，以及發現問題、解決問題的能力和團隊合作能力，使學生深入理解材料力學理論知識、提升實踐操作能力，同時提高語言表達能力和論文寫作水平。材料力學課程教學應該跟上時代科技的發展，培養學生的學習興趣和創新思維。新時代新形勢下，只有不斷地對課程進行改進，不斷完善教學方法和內容，才能培養出符合時代需求的應用型創新人才。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 鄭佩.材料力學教改思考[J].科教導刊（上旬刊），2017（4）：110-111.

[2] 劉鴻文.材料力學：Ⅰ[M].6版.北京：高等教育出版社，2017.

[3] 高永輝，楊凱.材料力學教改體系研究[J].山西建筑，2010，36（24）：223-224.

[4] 周海龍，李平，李東方，等.高校材料力學課程的雙語教學研究[J].大學教育，2017（10）：42-44.

[5] 王繁生， 蔣紅旗. Matlab在材料力學教學中的應用[J].高等建筑教育， 2009，18（4）：101-103.

[6] 王義平，于化龍，歷長云，等. 基于項目管理模式的材料力學實驗教學改革[J].力學與實踐，2021，43（4）：628-631.

［責任編輯：周侯辰］