力学思维与创新能力的养成与实践<br/>——以材料力学课程教学创新为例

力学思维与创新能力的养成与实践
——以材料力学课程教学创新为例

2023-06-05谭燕肖衡林周金枝姜久红周安

创新创业理论研究与实践 2023年20期

谭燕，肖衡林，周金枝，姜久红，周安

（湖北工业大学土木建筑与环境学院，湖北武汉 430068）

材料力学是工科专业基础课，主要研究杆件的变形与破坏规律，是从基础课程到专业课程学习的重要桥梁。解决工程问题的力学思维方法和计算分析能力是学生专业能力提升的基础，培养学生具备良好的力学思维和创新能力是新工科创新人才培养的前提条件。

新工科建设要求“着力提升学生解决复杂工程问题的能力，加大课程整合力度，推广实施案例教学、项目式教学等研究性教学方法，注重综合性项目训练。”因此，工科课程改革的最终目标是培养学生解决复杂工程问题的能力。材料力学的核心目标是培养学生力学思维，从而使学生具备应用力学思维分析解决实际工程问题的能力[1-3]。教师在课程教学过程中，应充分重视人才培养的全过程，重点关注学生创新意识、创新思维、创新能力等创新素质的培养，探索力学思维培养的考核方法，推进课程的教学创新。

1 问题剖析

经过系统的学情动态调研分析发现，当前材料力学教学过程中存在的主要问题为学生难以将所学理论知识灵活应用于实际，解决实际工程问题的能力薄弱，创新能力欠缺。分析主要原因：第一，现行教材中的多数例题和作业均为简化后的力学模型，忽略了模型背后的问题背景，课程学习与工程实际脱节，导致遇到实际结构时，学生不明确约束和荷载的简化等，缺乏将实际问题凝练成力学模型的能力，实质就是缺乏力学思维。第二，将实际问题凝练成力学模型是求解实际工程问题最重要的一步，由于对力学模型提炼的能力不足，同时传统教学缺乏工程实践教学环节，学生应用能力得不到有效锻炼。教学数据表明：对于关联组合变形、超静定等复杂问题的工程应用类考题，考核达标率低于70%，学生工程应用与创新能力不强。

2 培养策略与实践

为有效解决上述教学问题，使学生形成良好的力学思维与创新能力，根据“从实践中认识规律，再回到实践中指导实践”的认知规律，课程创新应用理论与实践结合的案例教学法[4-6]，从力学思维方法锻炼、多场景案例剖析和创新实践三个方面实施，培养学生良好的力学思维与创新能力。基于材料力学省级线上线下混合式一流本科课程平台[7]，利用信息化技术，线上与线下相结合，课程设计了多元、柔性的全过程考核方案，兼顾了学生知识、能力和思政的考核。

2.1 力学思维方法锤炼

力学思维是根据具体生动的工程实际形成抽象的数学思维，再用抽象的数学思维指导工程实际的思维过程，具体表现为怎样将实际问题抽象成为力学模型。模型从工程实际中来，想要将实际问题抽象为分析模型，需要对工程问题进行深入分析。教师要教会学生如何对研究对象、约束和荷载进行简化，由繁到简，抓住力学核心问题进行抽象化建模。而简化的要点，就是引导学生抓住问题的主要矛盾和矛盾的主要方面，将问题模型化，将模型数学化[8]。

材料力学课程的发展过程是辩证思维发展的过程，内容汇集大量的人类文明成果，每章内容都体现了该思维方法的应用。教师应依托课程着重进行思维方法的教学与引导，如扭转变形所用到的平面假设，指的是横截面变形后仍然为平面，且形状、大小和间距都不变，该假设在分析很多工程问题时可以借鉴应用。

2.2 多场景案例剖析

学生掌握力学思维方法后，需要增长见识，积累经验，通过“理论—模型—实物—模型—理论”的多场景案例循环分析，掌握力学与工程问题之间的联系，建立力学模型，正确表达工程问题。

2.2.1 思政案例深刻化，强化育人效果

团队挖掘了课程的思政培养主线：“求真务实，百折不挠、团队协作、力学的美”，将思政内容与案例进行深度融合，思政素材根据具体的授课内容以隐性渗透、二维码案例穿插等方式融入课前录播视频、拓展课件、课中案例及课后拓展任务中。通过师生讲案例，学生模拟与实践案例，培养学生的力学思维，强化育人效果[9-10]。

以“如何在案例中讲安全”为例，首先，师生讲解安全案例：舰载机加速着陆，阻拦索3s 内要拦住大于20t 的舰载机，如果阻拦索的韧性与强度达不到要求，将会造成难以估量的损失。其次，学生强化理解“力学对于安全的重要性”，然后参与安全案例。教师引入团队项目，指导学生演绎FAST 天眼网架结构的力学计算工作，通过项目模拟培育学生的安全意识。最后，实施结构创新设计，学生独立承担安全设计工作，增强安全意识。

2.2.2 课程时空延展，案例循环分析

（1）户外绪论课，讲解身边案例。教师带领学生参观校园熟悉的教学楼、小桥、厂房，认识材料力学的研究对象杆件、杆件与杆件之间的连接方式、各种连接如何简化，参观门式刚架厂房模型、历年结构设计大赛模型等，分析模型中的连接方式如何还原工程，从工程—理论—模型，引导学生建立工程实物与力学模型之间的联系。

（2）朋辈进课堂，榜样示范。毕业学生回校时，再次走进材料力学课堂，以实际工程为案例，剖析数值模型建立全过程，从模型—理论—工程，挑战仿真建模。同时教师录制视频，导入线上学习平台，供学生反复学习。

（3）丰富二维码案例素材库，立体分析。教材通常只给出了简化后的力学模型，团队扩充了对应的“实物—模型”二维码案例素材库，其包括文本和视频，内容形象立体。每一个案例都设置相应的成长任务，为提高教学效果，教师可采用启发式、讨论式教学[11-12]。

案例教学设计采用进阶分析[1]，以变速器的轴为例：低阶：只受单一扭矩轴的模型，中阶：既受扭矩又受弯矩轴的模型，高阶：承受复杂工况的轴的力学问题分析。最后，教师给出分组挑战任务，要求学生设计C919 大飞机的轴，讨论当其材料、结构形式发生改变时，大飞机轴设计的异同。教师从教会学生思维方法到案例剖析，逐阶培养学生的力学思维和创新能力[6]。

2.3 创新实践

材料力学课程创造性地设计了创新实践环节，同时将竞赛案例和科研项目等实践活动引入课堂，多维度锻炼学生将力学理论知识与工程应用相结合的能力，培养学生工程思维，增强学生应用能力。实践任务有竹片、木条等各向异性材料弹性模量的测定、电子秤设计、结构创新设计等，有难有易，学生根据自身学习水平自选，分组开展设计[13]。

以学生挑战结构创新设计为例，设计题目来源于国家建设重大工程，如长江大桥、特高压输电塔、嫦娥五号着陆器等，从材料力学的杆件出发，要求学生完成模拟设计。学生作为结构设计师，通过四个环节：方案初步构想—方案优化—模型制作与加载—创新报告，最后呈现出作品，提升学生的工程应用与创新能力。

（1）方案构想：学生选定材料与结构，充分激发创新思维。

（2）方案优化：学生根据应力、应变等计算结果，优化结构设计，提高分析计算能力。

（3）模型制作与加载：学生验证实际受力与计算值是否一致，培养动手能力和实验分析能力。

（4）创新报告：学生进行理论计算与模型实验对比分析，科学表达问题，撰写创新报告，培养综合应用能力。

3 考核方法与培养成效

课程依据“课前自学—课堂表现—课后任务”三个阶段开展，从“阶段测—期中测—实验测—期末考”，采用“教学过程记录一张表”，逐项落实，实施全过程考核。通过记录表，学生可以了解自己的学习状态，也可以了解同学的学习状态，相互促进[14]。

教师通过完善课程知识图谱，将知识点、能力点和学习资源关联，实现对力学模型提炼能力考核的可测可量，平台自动统计结果表明：关联“力学模型提炼”能力点的任务，学生掌握率达到了89%。后续专业课程反馈：学生力学思维活跃，模型提炼能力强，学习后劲足。结构创新等实践环节的考核内容有模型制作、创新报告、口试答辩等，注重应用与创新。

2020 学年至2023 学年的教学实践与调查问卷表明：学生普遍认为学习方法和思维的转变是他们取得的收获。首先，近3 年课程优良率提升了8.5%，不及格率从9.9%下降为1.0%，学生皆通过考核。其次，学生获得全国大学生结构设计大赛、大学生机械创新设计大赛等国家级奖项，大学生创新创业项目由2017 年只有校级项目发展为获批省级和国家级项目。师生协作建设了省级虚拟仿真实验一流课程，学生的工程应用与创新能力显著增强。