以工程教育认证为导向的材料力学课程教学模式探索研究

2019-04-22周继磊程相孟张东焕李丽君许英姿

大学教育 2019年4期

周继磊　程相孟　张东焕　李丽君　许英姿

[摘要]为了适应工程教育认证体系下工程类专业学生培养目标的要求，针对传统材料力学教学中存在的问题，文章主要从培养学生工程实际问题的力学建模能力、人文科学素养以及实验设计与操作能力三个方面进行改革，提出相应的解决方案。这些方案对师资和实验条件要求不高，且简单易行，具有广泛的适用性，可为其他高校材料力学的后继改革提供有益参考。

[关键词]工程教育认证;材料力学;教学模式;课程改革

[中图分类号] G64[文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）04-0078-03

一、前言

美国工程与技术委员会（ABET）基于成果导向（Outcome-based Engineering Education）的工程教育认证理念，提出工程教育专业学生需具备应用数理与工程知识的能力，设计和操作实验的能力，分析和处理数据的能力，识别、分析和解决工程问题的能力，以及人文科学素养和社会责任感等综合能力和素质。与美国等西方发达国家工程教育专业的学生相比，我国基于课程为导向的工程教育培养出来的学生虽然其数理、专业基础扎实，逻辑思维能力强，但集成知识解决实际工程问题的能力弱，工程实践中团队合作缺乏训练，人文科学素养和社会责任感欠缺。针对上述差距，我国从2006年开始全面构建国际实质等效的工程教育认证体系，于2013年加入《华盛顿协议》，从而为我国工程类毕业生走向世界提供具有国际互认质量标准的“通行证”。

材料力学作为高等院校土木工程、机械工程等诸多工科专业课程中的一门重要基础应用课程，不仅为后续专业课程学习提供基础性支撑平台作用，而且在工程结构设计与分析中有着广泛应用，其课程改革是我国工程教育认证体制改革过程中必不可少的环节。另外，工业界对我国高校工科毕业生力学等专业基础知识的掌握状况和应用能力评价不高，甚至还有不少严厉的批评[1]。因此，以工程教育认证为导向的材料力学教学改革势在必行。近三年来，我国高校教育工作者根据工程教育认证理念要求，相继对材料力学课程的教学理念、教学内容和教学方法以及考核方式改革进行了有益探索[2-4]。

我校力学教研组在各种校级和省级教研项目支持下对全校力学教学进行了广泛深刻的改革。比如为积极响应学校课程信息化教学改革，逐步推进数字化教学资源建设，完整搭建了课程网络教学平台[5-6]，把CAE软件应用到课程教学当中[7]，引申触类[8]、教学内容的解构与重构[9]、多元混合教学模式[5，10]等新的教学思想、教学理念和教学手段及方法不断得以提出和完善，激发了学生学习的主动性与参与性，改革成效显著。但与基于成果为导向的工程教育认证要求相比，目前我校的材料力学教学还存在以下三个主要问题：一是学生的工程实际问题的力学建模能力薄弱，二是学生的人文科学素养和社会责任感欠缺，三是学生的实验设计和团队协作能力不强。虽然其他工科院校为解决上述问题提出了一些解决方案[11-12]，并取得了一定效果，但学校之间的师资和设备条件差异较大，在一定程度上限制了推广和应用。

我们力学教研室在材料力学课程所取得的一系列改革成果的基础上，根据我校材料力学教学改革现状和师生特点，主要对培养学生工程实际问题的力学建模能力、人文科学素养以及实验设计与操作能力这三个方面进行改革，提出相应的解决方案。

二、学生力学建模能力的培养

提高学生的力学建模能力是课程体系、知识结构变化的需要，也是当今我国工程教育认证改革的要求。目前国内材料力学教材中的大部分实例都是从现实工程结构直接简化而建立的抽象力学模型[13]，学生在学习过程中并不了解这些简化的力学模型是如何从实际工程问题中转化而来的，因为他们缺乏直接的感性认识[13]。从工程结构到力学建模是一个非常复杂的过程，而学生往往缺乏将复杂的工程结构简化为力学模型的能力，这就造成其基础力学理论知识与其实践认知环节脱节。

针对上述问题，我们在制作课件和讲授课程内容时采取四步走策略：一是工程问题描述和解释（包括工程和生活实际的照片或图片），二是力学模型的抽象与简化，三是材料力学基本理论和公式的推导，四是利用基本理论和公式对简化模型进行具体分析计算。其相应的分析流程如图1所示。由于我们讲授的都是成熟的理论和方法，可忽略“力学模型修正”这一环节。与传统授课不同的是，我们增加了“力学模型的抽象与简化”这一环节，同时在学时不变的情况下调整授课内容和增加课件制作内容。

工程问题力学模型的抽象和簡化是一个非常复杂的过程，涉及辩证唯物主义哲学观和方法论。人们对大自然和工程问题的认知是一个由简单到复杂、由特殊到一般的过程，受到人类自身科技发展水平的制约，为了研究工程背后的科学问题，只能抓住主要矛盾，在满足工程要求和特定适用条件下忽略次要矛盾，提出理想化的简单力学模型。在这个过程中如何准确把握具体的工程问题与抽象的力学模型之间的度是十分关键的。在适当的时候，对具体问题给出一定的假设、条件可能是解决问题的关键，但过多地假设会导致结论错误。这个度的把握取决于思维、方法和实践。我们在讲授材料力学基本变形、组合变形的受力与变形特点时，首先给出实际工程图，并针对典型问题开展如何从工程实际问题提炼力学模型的训练。力学模型的抽象和简化主要包括空间问题向平面问题的简化，非线性问题到线性问题的简化，各种类型约束的简化，不同几何尺寸和截面形状结构的简化，荷载形式的简化等。得到简化后的平面图形力学模型后，就可利用相关力学的基本理论和方法对所建模型进行变形和受力分析，以获得工程实际问题的解决方案。在实际考核时，可在期末考试试题中设计一个工程实际问题，配上现实工程结构图例，要求学生对其进行力学建模，并写出其强度、刚度分析的主要思路。

另外，我们在授课之外鼓励学生阅读一些相关力学史类书籍和学习相关的公开课，如网易公开课的“力学概论”“材料力学漫谈”“力学与生活”“现代力学与工程分析”等课程，使学生认识到力学知识来源于生活和工程实践，增强学生对力学课程的认同感。

三、学生人文科学素养的培养

在教学过程中强调重现知识的发现过程，引导学生重走先哲们探索、发现知识点的过程，从方法论角度培养学生的创新思维能力，也是当前以工程教育认证为导向的材料力学改革的一个重要方面[14]。为此，我们从材料力学发展史的角度，引入科学唯物辩证法和人文科学素养培养模式，在巩固学生对基本理论和基本概念掌握基础的同时，培养学生的创新思维能力和批判性思维能力。

材料力学每一个基本理论的提出和完善都是经过数代力学家和数学家的艰辛探索而形成的，其最初得出的结果往往是不完善甚至是错误的，但他们对科学真理的执着追求与探索，以及对后继科学家的指引和启示永远是这门科学的宝贵财富。我们增加从材料力学发展史的角度培养学生的人文科学素养这一环节不仅仅是简单介绍这一理论成果是哪一位或哪些科学家提出的以及其成就如何，而且将他们在探索这一理论的曲折过程、导致有些结论不完善或错误的深层次原因，以及其个人科学素养和时代工程背景给学生展示出来，旨在培养学生的人文科学素养及其敢于接受任何失败的创新意识、工程职业道德和社会责任感等基本能力和素质。同时我们会把上述研究成果添加到材料力学网络教学平台上的教学资源中，供学生查阅和学习。

在具体实施上，我们把材料力学基本理论的形成分成不同模块，包括拉压变形理论（包括变截面、偏心拉压结构）、圆轴扭转变形理论（包括变截面、非圆截面结构）、梁弯曲变形理论、材料的本构关系理论、复杂（或组合变形）应力状态强度理论、压杆稳定理论、材料疲劳破坏理论。通过查阅力学史、通讯书稿、人物传记、科学史等文献资料，详细整理和分析这些基本理论诞生时的时代工程背景、科学发展水平，对基本理论有过贡献的力学家和工程师的个人知识素养及科学精神，他们在研究过程中采用的研究方法和结论缺陷，以及产生结论缺陷甚至错误的根本原因，把材料力学各基本理论的形成和发展过程脉络清晰地展现给学生，引起他们的共鸣，激发他们对追求真理和科学知识的兴趣。

四、学生实验设计与操作能力的培养

做材料力学实验时，教师以讲解为主，并为学生进行演示，实验过程过于流程化，学生自主设计实验能力以及团队协作精神没有得到很好地体现。另外，随着现代科学技术的发展，出现了很多新型复合材料，其力学性能与传统材料差异明显，而在材料力学性能实验中并没有与现实工程实际很好地结合起来。因此，我们在做实验部分的考核时，除了要求学生完成常规的拉压、扭转、弯曲等验证性实验之外，还根据当前的实验设备条件和力学教研室的研究方向，增设一些基于工程背景的开放性、创新性实验，如横力弯曲梁的弯曲正应力电测实验（实验结果与弹性力学解析解对比，验证不同高跨比下純弯曲正应力公式计算误差）、复杂应力状态外力测试实验（利用广义胡可定律反推外力）和新型复合陶瓷材料高温、超高温强度拉伸、弯曲强度实验（测量陶瓷材料的温度相关性本构关系）。学生通过自行设计实验方案，独立完成实验操作及对实验数据的整理分析后，既能更好地掌握相关材料力学知识，也能促进其工程实践能力提升及创新精神培养。其具体实施步骤如下：

（1）指导老师根据平台资源和个人精力，选择合适时段开出实验，根据台套数每次开出一组或多组实验，通过网络平台发布相关背景知识和实验指导资料，但不做具体现场实验讲解。

（2）学生自由组成小组，通过网络平台预约实验，独立完成实验过程和数据处理，必要的情况下由研究生实验助理协助处理相关技术问题。

（3）学生完成实验后，可自由发挥撰写实验报告（不指定报告模板），指导老师对实验及其报告做出评价。

五、结语

根据工程教育专业认证的要求，本文针对目前材料力学教学中存在的问题，在教学环节中引入实际工程结构力学建模过程，完善科学研究的整个流程，即科学来源于实践并如何指导实践，进一步培养学生利用所学知识解决实际工程问题的能力。从材料力学发展史的角度，引入人文科学素养培养模式，培养学生敢于接受任何失败的创新意识、工程职业道德和社会责任感等基本能力和素质。在教学过程中引入实际工程结构，增加“力学模型的抽象与简化”这一环节，提高学生解决实际工程问题的能力。增设一些基于工程背景的开放性、创新性实验，让学生参与到创新实验的设计环节中，加强材料力学与现有材料科学研究前沿的联系，激发学生的学习积极性。通过材料力学课程的教学改革，可为实现我校由基于课程为导向的工程教育理念向基于成果导向的工程教育认证理念的转变提供有效途径。这些方案对师资和实验条件要求不高，简单易行，可为其他高校材料力学的后继改革提供有益参考。

[ 参考文献 ]

[1] 胡海岩.对力学教育的若干思考[J].力学与实践，2009（1）：70-72.

[2] 周沙溆.工程教育认证体制下《材料力学实验》教学改革趋势探讨[J].时代教育，2015（2）：57-58.

[3] 张昆鹏，王收军，郝淑英，等.面向工程教育专业认证的材料力学课程教学改革[J].教育教学论坛，2016（36）：95-96.

[4] 张宏伟.工程教育认证下机械类专业材料力学教学改革初探[J].西部素质教育，2017（15）：165-166.

[5] 沈玉凤，王厂，许英姿，等.网络环境下《材料力学》课程多元混合式教学模式探析[J].中国教育信息化，2016（20）：34-37

[6] 沈玉凤，许英姿，刘露.信息化环境下材料力学翻转课堂的教学实践[J].大学教育，2017（2）：35-36.

[7] 李丽君，许英姿.CAE软件在力学教学与实践中的应用[J].实验技术与管理，2010（10）：113-115.

[8] 李丽君，沈玉凤，许英姿.力学教学中的引申触类[J].实验技术与管理，2012（4）：180-182.

[9] 李丽君，刚宪约，许英姿，等.力学相关课程教学过程中的解构与重构[J].实验技术与管理，2016（3）：214-216.

[10] 沈玉凤，许英姿，刘露.材料力学教学中多种教学方法并用，提高学生创新思维能力[J].大学教育，2015（4）：146-147.

[11] 徐鹏，谢占魁，王复兴，等.材料力学教学中加强力学建模能力的探索与实践[J].力学与实践，2014（2）：226-228.