应用型本科高校材料力学课程改革与实践

吴坤铭

(皖西学院 建筑与土木工程学院，安徽 六安237012)



应用型本科高校材料力学课程改革与实践

吴坤铭

(皖西学院 建筑与土木工程学院，安徽 六安237012)

材料力学是应用型本科高校土建类专业基础核心课程，本文在材料力学省级精品资源共享课程建设的基础上总结了近年来在深化课程内容改革，加强学生工程意识；深化实验教学改革，培养学生创新能力；创新教学方式，提高学生科学素养等方面进行的有益探索和实践。实践表明，通过课程改革，丰富了教学内容，拓宽了学生视野，激发了学生对力学课程的学习热情，对学生工程意识、创新能力和科学素养的提高起到了一定的促进作用。

材料力学；课程改革；工程意识；创新能力；科学素养

材料力学课程是皖西学院土建类专业基础核心课程，本课程为2015年度省级精品资源共享课程。材料力学课程在土建类专业人才培养方案课程设置中起到承上启下的作用，是学习后续专业课程的基础。本文结合省级精品资源共享课程建设，以皖西学院“专业人才培养特区”土木工程专业为例，对应用型人才培养模式改革过程中就材料力学课程改革进行的探索和实践加以总结，以求教于同仁大家。

1 材料力学课程改革的必要性

传统材料力学课程主要研究线弹性小变形条件下构件的强度、刚度和稳定性问题。轴向拉伸或轴向压缩、剪切、扭转、弯曲四种基本变形形式[1](P5-8)；应力状态和强度理论，组合变形，压杆稳定等为材料力学课程主要内容。概念多、公式多，整个课程讲解完学生对知识点理解和掌握的并不理想，很多学生对概念理解不透，动手分析计算能力、解决工程实际问题能力不强。

实验是材料力学课程的重要组成部分，通过实验验证所学的基本原理和方法，能使学生动手能力得到培养和锻炼，学生才能运用所学实验方法解决工程实际问题。传统材料力学实验内容主要为金属材料拉压力学性能测定、纯弯曲及组合变形下应力的测定[2](P22)。在实验室学生主要学习常规的实验内容，与专业结合不紧密，学习积极性不高，实验效果不理想。

课程考核成绩构成主要为考试试卷成绩和实验报告成绩，考核方式较为单一，不能充分体现过程教学效果。

以上情况说明当前材料力学教育模式已经不能满足应用型人才培养目标，急需对材料力学课程进行改革。为保证课程改革的有效开展，我校在2013级土木工程专业卓越工程师班的30名学生中进行了试点。

2 深化课程内容改革加强学生工程意识

传统的材料力学四种基本变形形式课程体系和内容完整性很强，抑制了学生的创造性思维。在教学过程中需要打破课程体系，注重知识点间的融会贯通。四种基本变形形式教学内容的关键点是外力、内力、应力、强度条件、刚度条件。在教学过程中通过引入工程实例，从构件变形破坏入手，如钢木组合桁架中钢拉杆和测定材料力学性能的万能试验机的立柱、机器中的传动轴、插入砖墙中的过梁等都是大家熟知的工程实例，将其加载变形直至破坏的过程制作成视频，让学生观察其变化过程，提出问题，引出教学内容，把学生学习积极性充分调动起来。四种基本变形知识点讲解主要是截面法、内力图、应力和变形分析及其计算。以下对轴向拉压、扭转、弯曲基本变形形式下以截面法为例对其相邻dx截面的内力、应力、变形等进行分析比较，如表1所示。在教学过程中可以打破课程体系，实现知识点间的融会贯通。

通过归纳对比分析，轴向拉压、扭转、弯曲基本变形下理论分析及公式推导具有相似性，为便于学生对知识点的理解和掌握，教师在讲课过程中应注重运用多种教学方法[3-5]。如类比法，将知识点进行横向拓展和纵向深入，对培养学生的创新思维是有益的。如表1中各种变形下的应力计算公式，分别反映了应力是单位面积上的力以及截面上应力的分布规律。公式中分母分别是面积A、极惯性矩IP、惯性矩IZ为截面性质几何参数均是常数，对于指定的截面其内力也为常数，ρ、y分别为截面上任意一点分别至坐标原点、坐标轴的距离是变量，通过以上分析学生很容易掌握几种变形形式下的应力公式及其实质。基本变形形式掌握好后续组合变形学习起来就很轻松。

表1 各基本变形形式下横截面上内力、应力、变形等比较

压杆稳定是相对独立的内容，也是材料力学课程重、难点内容，教学过程可以和工程实例结合起来。如建筑施工现场脚手架的稳定性问题、高耸塔架的稳定性问题等，建立这些工程问题的力学模型，制作实验视频演示其在荷载作用下失稳过程，使抽象的问题形象化，临界力的欧拉公式推导对于应用型本科学生可以简化中间推导过程，将公式结论告诉学生，对公式中各参数要讲解清楚，主要侧重于公式的应用。如工业厂房中钢柱稳定性分析及设计，结合工程实例讲解压杆稳定性分析及其设计过程，教会学生查型钢表、查Q235钢等截面中心受压直杆的稳定性因素表。这部分知识点是土木工程专业钢结构课程的重要基础，只有打牢基础，专业课学起来才能得心应手。

3 深化实验教学改革培养学生创新能力

深化材料力学实验教学改革，将应用型人才培养贯穿于材料力学实验过程，课程组将材料力学实验分为四个方面进行实践和探索。

3.1 基本实验

主要为金属材料力学性能测定实验。此类实验主要培养学生会操作常规实验仪器设备，在实验过程中验证所学的基本原理，用所学的实验方法解决工程实际问题。在当前实验教学过程中需要改变传统的教学方法以激发学生的学习兴趣，老师可以将工程中使用的建筑钢筋引入实验室给定测试内容，要求学生制定实验方案、记录实验过程和现象、分析处理实验数据给出评定结果；老师对各小组实验效果给出过程评价，结合实验报告给出实验项目评分。

3.2 综合性实验

主要为梁在纯弯曲及组合变形下应力的测定。此类实验是应用电阻应变测试技术。电测法是实验应力分析的有效方法，是解决工程强度的有效手段。在实验过程中应注重学生严谨求实的科学态度，培养良好的工程素质。在完成传统实验项目的基础上，对学有余力的同学可以拓展实验内容，如梁的纯弯曲实验可将钢梁或钢筋混凝土梁作为研究对象，老师讲解电阻应变片的粘贴技术、电桥的基本原理、电阻应变补偿等，通过示范演示后，各小组自己动手完成电阻应变片的粘贴、导线焊接、应变片与静态电阻应变采集仪连接，各小组制定实验加载方案、记录实验过程和现象、对实验数据进行分析和评价。通过拓展实验，学生将所学的原理和实验方法应用到工程实际中，对构件的强度、变形、破坏发展过程能够深入了解，也更能把学生的学习积极性充分调动起来。我校2013级土木工程卓越工程师班的全体同学参加了拓展实验并获得了良好的效果，学生的工程素质得到显著提高。

3.3 开放性实验

皖西学院建筑与土木工程学院力学实验室是校级实验教学示范中心，本课程组承担的材料力学课程是省级精品资源共享课程，近年来课程组在完成材料力学传统实验项目的基础上还进一步开展开放性实验教学。

开放性实验项目结合现有的实验教学平台“多功能材料力学试验机”，如图1所示。课程组开发了材料力学开放性实验教学平台，主要开设的必选实验有：金属材料拉伸、压缩、扭转实验；拉、压交变加载弹性模量E及泊松比μ电测实验；梁交变弯曲电测实验；弯扭组合电测实验；交变加载等强度梁电测实验。可选实验有：金属材料正、反向反复扭转实验；压力容器电测实验；偏心拉伸电测实验；带侧向干扰压杆稳定电测实验；正、反向扭转测G实验。开放性材料力学实验教学采用如下的实验教学模式：

图1 YDD-Ⅰ型多功能材料力学试验机

图2 实验教学模式

图3 开放性实验教学平台(网站形式)

2013级土木工程卓越工程师班全体同学参加了开放性实验，实验效果良好。下一步将在2014级、2015级土木工程专业学有余力的同学中开展，通过预约[6]，实验室审核通过后，学生利用课余时间参加开放性实验。

3.4 创新性实验

实验设置的背景：在本科教学阶段，多数高校土建类专业的学生在独立完成实验能力方面离教学大纲要求还有一定差距，特别是升入研究生阶段后，很多实验操作技能亟待提高。对于应用型本科高校“特区专业”在实验教学方面应注重学生创新能力的培养。

材料力学创新性实验项目结合现有的“YJC-Ⅰ-3000型工程力学实验创新平台”，如图4所示。课程组开发了“YJC-Ⅰ-3000型工程力学实验创新平台”的实验项目主要有：应变片工作原理电测实验；传感器工作原理实验；应力叠加电测实验；单杆拉弯组合等应变测试原理实验；门式刚架、门式排架的内力测试等验证结点特性实验。

图4 YJC-Ⅰ-3000型工程力学实验创新平台

在工程中许多负荷(力)传感器、位移传感器都是根据惠斯通电桥原理设计制作的。由于课程设置的问题，大部分土建类专业的学生没有专门进行这些知识的学习，这方面知识很薄弱，导致在后续的科研实验中，出现各种各样的问题。通过创新性实验使学生掌握传感器的标定；了解传感器工作原理，掌握应变仪等测试记录仪器连接；了解应变仪全桥、半桥和1/4桥的接线原理，能将力、位移和应变数据使用同一台仪器同步采集；能根据实验对象的特点，自己设计制作传感器。

图5 各种传感器的标定

通过以上材料力学实验教学方面的改革，使本校教师和学生能够教学相长，互相提高，既让实验室充满活力，又让那些考研继续深造的学生在实际动手操作和应变测试原理方面得到锻炼，相对于其他兄弟院校的学生，为他们在科研和创新能力方面打下了更坚实的基础。

4 创新教学方式提高学生科学素养

在应用型人才培养过程中，创新材料力学课程教学方式，邀请合肥工业大学宣城校区材料力学课程组主讲老师给学生专题讲课，让学生感受高水平大学力学老师的专业素养和教学风范，同时对我校材料力学课程组青年老师教学水平的提高也起到了一定的促进作用。围绕每两年一次的全国周培源大学生力学竞赛，在材料力学课程教学完成以后，面向我校土建类专业选拔优秀学生组织辅导，邀请中国科学技术大学、合肥工业大学等力学专家学者来校就力学前沿发展、力学竞赛开展专题讲座。组织优秀学生参观学习每年5月中国科学技术大学开展的科技活动周以及安徽省力学学会开展的科普活动日，倾听院士和专家的学术报告。

通过以上努力，改变了传统教学方式，提高了学生科学素养，激发了学生对力学课程的学习热情。

5 课程改革效果

通过课程改革，学生学习力学课程的兴趣得到很大提高。2013级、2014级土木工程专业学生材料力学课程考核不及格率由原来的15%分别降低至11%、8%，这对材料力学课程来说是很大的进步，为学生后续专业课程的学习打下了良好的基础。特别是2013级土木工程卓越工程师班的学生提高最为明显，课程平均分85.6。通过参加材料力学拓展实验项目、开放性实验项目及创新性实验项目的学习，卓越班学生的动手能力得到了有效提高，部分学生能够参与到课程组老师的科研项目中，在老师的指导下由4名卓越班学生申报的2015年度校级大学生研究性学习项目，2016年4月份已顺利结项并获校级一等奖，该小组发表研究论文2篇、获批专利1项。

在2013年第九届全国周培源大学生力学竞赛中，我校获全国(个人赛)优秀奖2名、安徽省赛区个人二等奖7名、安徽省赛区个人三等奖9名，我校获安徽省赛区优秀组织奖；在2015年第十届全国周培源大学生力学竞赛中，我校获全国(个人赛)优秀奖5名、获安徽省赛区个人二等奖3名、获安徽省赛区个人三等奖12名，我校获安徽省赛区团体二等奖；比较两届获奖情况，无论是学生个人成绩还是团体成绩均得到显著提高。从2015年12月9日安徽高教网公布的第十届全国周培源大学生力学竞赛安徽赛区获奖名单中获知我校学生获奖面在安徽新建二本院校中处于前列。

材料力学课程经过近三年的改革与建设已经取得明显效果，2015年材料力学课程获批立项安徽省省级精品资源共享课程；课程组负责人副主编出版普通高等学校土木工程专业精编系列规划教材材料力学教材一部已由武汉大学出版社出版发行；课程组主讲老师近三年有两人获安徽优秀力学教师奖、一人获全国优秀力学教师奖。

无论是学生课程成绩的提高，学生工程素养的提高，学生创新能力的增强，学科竞赛成绩的取得还是课程组老师教学水平、教学质量的提高，这都与材料力学课程改革是密不可分的，同时也证明了材料力学课程改革在我校应用型人才培养方面取得的效果是明显的。

6 结论

材料力学课程是土建类专业基础核心课程，在专业人才培养课程体系中处于重要的地位，通过课程改革丰富了教学内容，拓宽了学生视野，激发了学生对力学课程的学习热情，对培养学生的工程意识、创新能力和科学素养起到了一定的促进作用。课程组对材料力学课程进行了改革，取得了一定的成绩；今后将继续结合《材料力学》(土建类)省级精品资源共享课程建设目标进一步完善建设内容，对我校应用型人才培养课程建设进行有益探索和实践。

[1]孙训方，方孝淑，关来泰.材料力学(Ⅰ)[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2]高等学校土木工程学科专业指导委员会.高等学校土木工程本科指导性专业规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2015.

[3]陈云信.《材料力学》课程教学改革与实践[J].江汉大学学报(自然科学版)，2014(4)：40-44.

[4]于亚婷，杜平安，周晓明.《材料力学》教学中关键问题解决方法探讨[J].实验技术与科学，2014(4)：173-174.

[5]孙立红，刘宝良.培养工程能力深化材料力学教学改革[J].东北农业大学学报(社会科学版)，2011(5)：128-130.

[6]吴坤铭.基于应用型土木工程专业实践教学改革与实践[J].安徽水利水电职业技术学院学报，2014(4)：71-75.

Curriculum Reform and Practice of Course of Material Mechanics in Application-oriented Universities

WU Kunming

(SchoolofArchitectureandCivilEngineering,WestAnhuiUniversity,Luan237012,China)

Material mechanics is the fundamental core course for civil engineering and construction majors in application-oriented university. Based upon the construction of provincial excellent resource sharing course for material mechanics, the paper summarized the exploration and practice on course reform, strengthening of students’ engineering consciousness, and deepening experiment reform; it also summarized the cultivation of students’ innovative capacity, innovation in teaching manner, and promotion of students’ scientific literacy in recent years. Through reforming course, enriching teaching contents and broadening students’ horizon, it showed that the stimulated enthusiasm for material mechanics course helped to promote students’ engineering consciousness, innovative capacity and scientific literacy.

material mechanics; course reform; engineering consciousness; innovative capacity; scientific literacy

2016-07-22

安徽省省级质量工程项目：材料力学(土建类)精品资源共享课程(2015gxk054)，安徽省高校优秀青年人才支持计划重点项目(gxyqZD2016241)。

吴坤铭(1978-)，男，安徽六安人，副教授，博士，研究方向：岩土力学可靠度。

G642.0

A

1009-9735(2016)05-0026-04