新工科背景下材料力学性能课程教学改革

张国尚　冯日宝　纪朝辉

[摘 要]针对材料力学性能课程教学内容与民航结合不够紧密、学科交叉渗透不深入的现状，学校在新工科背景下借鉴“跨学科”课程的教学方法对教学内容有机融合，突出工程能力、专业英语应用能力、科学精神与人文素养、创新思维能力培养。此外，还要优化教学方法和手段、建立多元化考核评价体系。通过以上措施，收到了较好的教学效果。

[关键词]新工科背景;教学内容融合;教学方法和手段;多元化考核评价

[中图分类号] G642.0[文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）04-0075-03

材料力學性能是材料类专业一门必修的专业基础课，讲述材料在外加载荷和环境因素联合作用下表现出变形、损伤与断裂的行为规律和物理本质以及评定方法，是各类材料在实际应用中必须涉及的共性问题[1]。该课程作为一门材料科学和力学两个学科交叉形成的课程，随着新型材料的不断涌现以及现代力学理论的不断发展，现有教学过程中存在的内容老化、学科交叉与融合不够深入等问题愈加突出。此外，传统的教学模式存在重理论、轻实践，重知识、轻能力的现象，使培养出的大多数学生缺乏创造性的分析问题和解决问题的能力，越来越显现出其弊端[2]。我校材料类绝大多数毕业生在民航系统内从事与机务维修相关的工作，大量新材料、新技术在民航中的广泛应用以及国产飞机、发动机创新型维修人才需求，迫切需要学校改革原有的教学内容和教学模式。本文在新工科背景下借鉴国内外“跨学科”课程的教学方法[3-7]，立足宽口径、厚基础、强能力、高素质的人才培养目标，结合工程材料在民航应用现状与发展趋势，融入学科交叉理念、优化教学方法和手段以及考核体系对材料类专业基础课程材料力学性能进行了教学改革探索。

一、 结合专业特点和民航应用，教学内容有机融合

（一）广度与精度相结合，紧跟时代发展

大学教育为一种通才教育，新形势下大学生就业呈现多元化趋势，教学内容应具有一定的广度。国内现有的材料力学性能教材以讲述传统金属材料的力学性能为主，对广泛应用的复合材料、电子材料的力学性能涉及很少，甚至国内所有教材均未涉及已在A380、B787上开始应用且极具前景的热塑性复合材料的独特力学性能，一些如“云计算”“大数据”等最新研究成果也未包含在教材中。因此，结合我校学科特色，注重讲解材料力学性能知识在民航中的应用，使学生切实体会到学有所用，既增强了学习的兴趣，又锻炼了理论联系实际的能力。例如，复合材料部分结合实物对该材料的应力-应变关系、制造工艺及检测方法、失效模式与机制等进行了系统讲述，并与金属材料作了对比。因本门课程包括实验在内仅有36学时，对于其他课程中已有所涉及的部分，如金属的拉伸曲线在工程力学课程中已详细讲述，则进行了删减。

（二）力学理论与材料结构相结合，理解失效机理

现有大部分教材中将力学只作为材料表征的一种手段，对力学的一些经典理论、适用范围很少提及，使学生很难深入理解力学指标的意义。相反，有些教材从力学角度讲述该课程，对材料力学性能变化的原因很少涉及，使学生很难领悟材料性能变化的深层原因。因此，在新工科强调打破学科壁垒的背景下，教学中以问题作为学科间连接的中心，在介绍力学性能指标建立的背景、适用范围基础上讲述材料的力学性能特点，突出材料力学性能与微观结构的关系。

（三）与学科发展历史相结合，融入科学精神与人文素养

自然科学与人文社会科学交叉渗透已是不争的事实，科学精神与人文素养相融合在高等教育中具有重要意义[8]。材料力学性能中每次课都针对某一主题展开，开展专题教学，在教学过程中有机融入发展历程有助于学生理清学科发展脉络，了解学科发展趋势。例如，在简要讲述疲劳研究发展历程时，重点强调直到20世纪50年代英国“彗星”号喷气客机发生一系列灾难性事故后，飞机的疲劳设计才受到人们的重视。同时，引入一些促进学科发展的名人轶事，如HOOK定律的发现者很早就提出了应当将力学性能同材料的微观结构联系起来;氢脆部分则列举了我国著名材料学家李薰由于1945年揭示了钢中氢脆的奥秘，而对科学界做出了重要贡献。这些中外科学家的成才道路、研究方法、治学精神和哲学思想，大大激发了学生的学习兴趣，培养了学生发现问题和解决问题的创新思维方式。

（四）国内与国外经典教材相结合，强化外语应用能力

随着全球一体化进程的加快，国际交流日益频繁，大部分学生的毕业后在日常工作中离不开英文的阅读、翻译，如果在民航系统内工作则不可避免地遇到大量专业术语，因此在专业英语的应用方面应有所加强。通过选用国内与国外经典教材（国内采用西北工业大学出版社出版、郑修麟主编的《材料的力学性能》，国外采用Mc Graw Hill Education 出版、Thomas H.Courtney主编的Mechanical Properties of Materials，对相关术语及理论开展了双语教学，并在作业及课外资料中大量采用英文，提高了学生对外语的综合运用和表达能力。

（五）与科研相结合，加强综合能力培养

本专业教师均具有在企业工作或民航相关企事业单位锻炼的经历，并主持或参与了大量国家级及省部级科研项目，将非涉密的科研成果引入课堂可激发学生的学习兴趣、加深学生对相关内容的理解，并有助于学生了解学科前沿知识[9]。根据生产及科研中遇到的实际问题，我们编写了大量案例，并且对案例及时进行补充、更新。一些案例在后续的专业实习中可看到具体应用，可以设置问题让学生在实习中寻找答案，引导学生将理论与工程实际相结合。例如，某飞机发动机制造厂涡轮叶片用的是什么材料，和其他材料相比力学性能有什么有优点，其蠕变试验曲线为什么只测一小段，为什么涡轮叶片焊接后要测氢的含量，测量氢的含量需要用什么仪器等。这样可以将工程材料、材料成型原理及工艺、材料结构分析等课程中内容与本课程联系起来。

（六）丰富实验内容，培养创造性思维

实验课一方面可以使学生验证课堂上所讲理论的正确性，另一方面可培养学生的动手能力和创造性思维能力，起到了其他教学环节不可替代的作用[10]。然而，长期以来我校的材料力学性能实验课仅设置了“测量低碳钢的洛氏硬度”“测低碳钢的冲击韧性”及“四球摩擦磨损试验”三个简单试验，学生得不到应有的锻炼，也无法体现与其他课程的联系及民航特色。为此，对实验内容进行了扩充与优化。在硬度实验中，要求选择合适的方法测试按波音公司热处理工艺制备的4340钢、7075铝合金热处理后的硬度，并与未经热处理试件的硬度值进行对比，分析改性工藝对硬度的影响。在冲击实验中，要求测试45钢的韧-脆转化温度，并分析冲击韧性值存在分散性的原因。在摩擦磨损实验中，测试并分析不同工艺条件下的航空热障涂层的耐磨损性能。此外，还开设了有关新型复合材料力学性能测试的选修实验课，教师引导学生进行文献调研、阅读相关标准、自行设计实验、根据标准文件实施实验，培养学生的创新意识和规范意识[11]。

二、优化教学方法和手段， 丰富教学内涵

（一）根据教学内容，多种教学方法综合运用

教学过程中离不开一定的方式或方法，各种教学方法既有其优越的一面，也有其不可避免的弊端[12，13]。依据教学内容，教师通过对问题驱动教学、启发式教学等各种教学方法的综合运用，使学生以极大的热情学好课程知识，实现以教为主向以学为主转变。如在讲述材料的断裂时，首先从原子间相互作用模型出发，推导出材料的理论断裂强度，但该强度值比材料的实际断裂强度大1-3个数量级。这时教师可提出一个问题：导致此种差别的原因是什么？大多数学生通过思考认为该模型假设材料为无缺陷的理想材料，而实际材料存在一定的缺陷。这时引出一个问题：材料中的缺陷有哪些形式，其是如何产生的？在讨论完上述问题后，教师可介绍Griffith基于实际材料中存在微观缺陷这一事实提出的计算模型。最后让学生讨论如果材料中缺陷很小或者几乎没有缺陷，这时会出现什么情况、有什么应用。几乎所有学生认为此时材料的实际断裂强度会接近材料的理论断裂强度，不少学生还能联想到工程材料课程中讲述的碳纳米管或石墨烯具有高强度可以用Griffith理论解释。通过这种方法，可以锻炼学生综合运用所学知识的能力，同时学生也会对自己能用所学知识解决实际问题而感觉高兴，激发了学习兴趣。

（二）引入形象化教学，帮助学生理解

材料力学性能课程内容繁杂，比较抽象，尤其断口形貌、微观结构、变形过程与失效机制等很难通过语言来表达，学生理解起来相对困难。通过一些实物、图片、动画、视频以及虚拟仿真实践教学平台等，将原来抽象、枯燥的知识形象化，可使学生易于理解和掌握，同时增大了教学信息量。如在讲述裂纹尖端应力场时，由于学生无弹塑性力学的相关基础，理解起来比较困难。通过有限元分析软件Ansys将应力场模拟出来，可使应力分布一目了然。

（三）利用网络平台，实现以课内为主向课内外结合转变

教师利用学校的Bb平台、云教学平台将教案、多媒体课件、作业、习题、专家讲座以及重点难点内容制作的微课等资料等放在网上，一方面便于学生复习课上内容、教师及时了解学生对知识的掌握情况，另一方面也可通过平台实现师生互动、探讨问题，满足学生答疑需求。

为了培养学生的实践性、综合性、创新性和团队协作能力，我们开发了民用飞机及发动机维修虚拟仿真实验教学平台。该平台基于“数字飞机及发动机”概念，运用三维软件、动画、视频等形式将复杂的飞机及发动机结构形象地呈现在学生面前，使学生结合实物快速了解相关构造。材料方向以材料和结构力学为基础，结合民用飞机的特点及飞机结构修理手册中的实例，重点关注民用飞机在结构设计、维修及适航审定中涉及的材料及其力学问题和解决方案。目前已开发了航空发动机压气机叶片焊接修复、航空发动机涡轮叶片封严涂层修复及飞机复合材料机身挖补式修复三个虚拟仿真实验教学项目。例如，航空发动机压气机叶片焊接修复工艺制定和适航审定中需要获取材料在不同工艺下的组织—性能间的关系。然而叶片修复具有高成本、不可逆等特点，通过实验获取相关规律在教学中并不可行，而且有些参数如热影响区力学性能并不能直接通过测试获得，只能借助于物理仿真或数值模拟方法。因此，在该项目中以航空发动机压气机叶片修复为工程背景，围绕其蕴含的材料“成分—工艺—组织—性能”间的关系这一科学问题，以实物演示辅助、运用虚拟仿真手段设计实验、探究规律，并与典型试件的实验结果进行对比验证仿真结果的合理性。采用虚实结合、团队研讨等方式使学生掌握叶片焊接的修复工艺—组织—力学性能间的关系及在适航审定中的应用。这种“发散思维+数学建模+科学计算+实验设计+参数优化+工程实践”的培养模式，增强了学生解决复杂工程、实践创新、团队合作和沟通的能力。该虚拟仿真实验教学平台已经用于专业其他课程、大学生创新创业项目及毕业设计，受到了学生的好评。

三、优化考核方法，形成多元化考评体系

考试是教学过程的一个重要环节，考核评定模式对学生综合素质的培养起到重要的导向作用。过去的考试方法比较单一，期末考试几乎决定了学生一学期的成绩，会导致学生对平时学习重视不够、临考突击的现象，也很难综合评定学生的自学能力、分析解决问题的能力以及动手能力等。因此，应采取综合的考核方法，由单纯的终结性教学评价模式向形成性和终结性相结合的教学评价模式转变，由以结果评价为主向结果过程评价结合转变。为全面反映学生的综合能力，考试内容、方式也应具有多元性[14-16]。例如，期末成绩由三部分构成，即平时成绩（回答问题、作业、读书报告）占15%、实验占15%、期末考试成绩占70%。其中，实验成绩单独考核，如果实验成绩不及格，则总成绩不及格。期末考试内容覆盖每一章节，题型有填空、选择、名词解释、计算和综合分析题，其中综合分析题来源于工程实际，需要学生发散思维，综合运用所学知识进行创造性回答。这种综合评定方式使学生更注重平时的学习积累，减缓了期末考试的压力。同时，教师可通过对学生各部分的成绩分析，得知在教学中哪部分应该改进，以提高后续教学效果。

四、结语

通过初步的教学改革与探索，在考试难度略有增加的情况下，学生的考试成绩、出勤率以及评教分数比以前均有所提高。学生普遍反映课程条理清晰，教学内容丰富、新颖，教学方法得当，知识理解较容易，同时感到比较有趣。此外，该课程的教学改革也促进了教师教学水平的提高，加深了对学生的了解。

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[责任编辑：刘凤华]