材料力学理论与实验课程教学改革探讨

张明康　王关皓　陈扬枝　王贵　印四华

［摘 要］材料力学在理论教学和实验教学过程中仍存在着一些问题，如有些教师的理论教学抽象、脱离实际工程应用，实验教学则简单乏味、缺乏新意。在国际化背景和应用型创新人才培养目标下，理论结合工程实际以及双语教学尤为重要。采用项目式的实验教学方法，通过优化力学实验内容、增加先进测试手段和有限元仿真分析，让学生以团队协作方式参与材料力学的实验课程，可全方位锻炼学生的动手操作能力、语言表达能力和论文撰写能力。

［关键词］材料力学；理论课程；实验课程；教学改革；项目式教学

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）10-0031-04

材料力学是工科类的一门重要专业基础课程，其主要目标是让学生了解和掌握构件的强度、刚度和稳定性的理论概念与计算方法，以及了解材料在外力作用下表现出的变形和破坏等方面的性能，而这些性能需要结合材料力学实验进行测试分析。因此，本课程的学习包括理论学习和实验操作两个部分，对机械类、材料类和土木类等专业的学生后期的专业课程理解会产生重要影响[1]。本课程理论性较强，很多学生在学习过程中都反映理论课程的学习较为枯燥，实验内容较少，而实验环节多为被动性地进行操作，难以有效调动学生的学习积极性。因此，本文针对近年来材料力学的实验室建设和课程教学实践，对本课程理论和實验教学方法改革进行探讨，以期在技术日新月异发展变革的时代，培养出符合时代需求的应用型创新人才。

一、理论教学结合工程前沿

广东海洋大学机械与能源工程学院（以下简称我院）材料力学课程教材采用的是刘鸿文主编的《材料力学Ⅰ》（第6版）[2]，主要讲授材料力学相关的杆件轴向拉压、剪切、扭转和弯曲基本变形的强度和刚度计算，应力和应变分析及强度理论，组合变形和压杆稳定等，大部分内容均为理论性很强的抽象概念和公式推演。由于学时较少，教师讲课速度较快，学生在课堂上难以有效理解课本理论知识，觉得这门课程是乏味、枯燥的，从而容易失去学习兴趣。此外，教材核心内容自20世纪80年代后基本成型，到目前仍未有很大的改动。随着我国经济飞速发展，许多大工程中的材料力学应用非常广泛，这些新近的工程实例在课本教材中未体现，如果授课内容完全按照课本内容展开，则难以培养适应现代工程需要的人才。因此，在课程授课过程中，教师应在授课内容中增加一些典型的工程应用案例，用材料力学的知识去解释工程现象，理论联系实际[3]，结合近几年工程中出现的一些力学失效断裂问题，如风电机组倒塌事故、建筑结构失效、桥梁垮塌事故、汽车碰撞变形和航空航天相关爆炸事故等，让学生进行小组讨论分析，与学生共同探索剖析其内在的材料变形和力学失效机理，加深学生对相关知识点的理解。教师还可以介绍国家体育场（鸟巢）和广州海心桥的力学之美，描绘港珠澳大桥和三峡大坝水利工程的结构力学之壮观等。

理论课程的学习不应该仅仅停留在书本和课堂上，结合工程现场参观学习的模式更能激发学生的学习热情。我院地处阳江市，而阳江市有世界级风电产业基地，基于此产业，我院牵头与金风科技和明阳智能等风电头部企业联合成立了海上风电产业学院，打造相关产业的人才培养基地。在教学过程中，我院教师带学生去参观相关企业的生产基地和风电装机现场，现场解说与理论课程内容相关的知识，包括风机塔筒的受力情况、塔筒吊装现场与力学结构相关的工程装备等，加深学生对课程知识的理解、提升学生的学习兴趣。

二、注重双语教学

双语教学是评价本科教学水平的重要指标之一。材料力学课程涉及很多专业词汇，实施双语教学可提升学生的专业英语水平，有利于学生今后的文献自学和国际交流合作。目前，材料力学的授课方式主要是汉语教学，较少涉及英文专业词汇和表述，很多学生到了考研或者读研阶段才开始注重本课程相关专业词汇的英语表述。本科阶段的学生得不到相关专业词汇英语表述的训练，这对于国际性工程人才的培养来说是一个缺失。因此，应该从本科阶段就重视材料力学课程的双语教学。由于本课程理论性很强，如果纯粹用英语教学，学生会难以适应和理解课本上的内容，因此需要循序渐进，先采用局部双语教学方法进行探索。教师可在PPT中的专业词汇后注明其英语表述，并在讲课过程中注重部分专业词汇的英语口头表达。教师可通过录制双语教学课程上传至相关网站，如超星泛雅、中国大学慕课等平台，让学生完成双语线上课程学习，提升学生的专业术语英语表达能力。此外，教师可以布置与材料力学相关的外文文献课后阅读，要求学生用中文概述文献意思，并进行文献总结[4]。除上述双语教学方法外，还需要注重双语教材的选择和推荐，教师上课时可选择材料力学中文教材，另外给学生推荐外文原版教材作为参考学习资料。针对双语教学的考核，可在期末试卷中给出材料力学相关外文文献和外文教材中部分片段的原文让学生进行翻译，或者让学生写一篇与材料力学相关的英文综述论文作为平时成绩考核。通过提升学生的英语表述能力，可为学生今后的外文期刊论文阅读、英语论文撰写和国际工程技术交流打下扎实的基础。

三、优化力学实验内容

传统的材料力学实验课程学时较少，一般只有8个学时。由于学时较少，学生难以深入系统地理解材料力学测试方法和理论。且一般的材料力学实验只包括拉伸、弯曲、扭转和冲击四种实验，缺少更为先进的测试手段方法的学习内容，难以引起学生的兴趣。因此，对于我院机械设计制造及其自动化专业的材料力学学时分配，教学团队进行了重新安排，由原来56学时理论课程加8学时实验课程调整为48学时理论课程加24学时实验课程，在适当减少理论课程学时的基础上，给实验课程增加了16个学时。实验课程所增加的实验操作，需要增加多种材料力学相关的测试装备和方法才能实施。

为此，教学团队针对本课程进行了力学实验中心的建设，所采购的设备包括示波摆锤冲击试验机、示波落锤冲击试验机、盲孔法残余应力测试仪、数字图像相关技术（Digital Image Correlation， DIC）测量仪、疲劳试验机等，以及从10 kN至600 kN系列的万能试验机，并针对这些设备设置相应的实验内容和开发实验教材。其中，DIC测量仪可通过测试获得材料拉伸、弯曲、压缩等变形过程中的应变云图，可以让学生更为直观地观测到结构变形过程中局部区域的应变分布，加深学生对结构变形过程的理解。示波摆捶冲击试验机和示波落锤冲击试验机可获得冲击过程中力—时间、能量吸收—时间等曲线，让学生深入理解冲击过程中力的变化和能量的变化，而不只是获得一个冲击能量简单的数值。系列不同吨位的拉伸机可实现从高分子到金属材料的力学性能的测试，以适应不同受力情景下的力学失效分析，避免单一实验情景教学带来的枯燥感。

除了实验动手操作部分，还需要增加相应的有限元仿真分析相关课程学习内容，让学生加深对拉伸、压缩、弯曲等变形现象的理解。随着计算机仿真技术的快速发展，利用有限元仿真分析方法解决实际工程中的一些难题以及提前预测结构的失效过程已经成为一种主流趋势。机械类和材料类专业的学生在大一和大二期间已经学习相关的二维、三维建模软件，包括AutoCAD、SolidWoks和UG等。基于他们的学习基础，材料力学实验教师可给学生教授现有的主流有限元分析软件，包括ANSYS、Abaqus、COMSOL Multiphysics等，让学生初步掌握有限元分析流程，如几何建模、初始条件和边界条件设置、网格划分、后处理等。此外，一款数值分析软件——Matlab，由于其强大的分析和仿真功能，也被应用于相关力学研究和教学方面，利用Matlab计算超静定结构的支反力和绘制挠曲线的形状等[5]。学生通过对标准二维和三维的结构件模型进行拉伸、压缩、弯曲等有限元仿真，可更为直观地分析结构受力的应力分布和应变分布及其结构的变形过程，并结合实验测试结果对有限元仿真分析的结果进行对比分析验证，分析误差原因，进一步提升学生的力学分析水平，为学生今后的工程技术应用和科学研究等打下扎实的理论基础。

四、实施项目式实验教学

目前，许多高校的材料力学实验课程主要以课程指导性实验为主，通过讲授法和操作示范指导学生完成课程的实践性内容，其主要教学目标是使学生掌握金属材料机械性能参数的测试技能和方法，了解常用实验仪器的构造、原理及使用方法。然而，材料力学公式繁多、理论性强，若采用讲授法的教学模式，仅按照操作手册进行机械性的练习，学生容易处于被动学习的状态，学习积极性较低，对课本相关理论内容的理解不够深刻，缺乏探索性精神，实验知识遗忘率高，教学效果难以达到理想的目标要求。因此，急需对材料力学实验课程进行教学模式改革。美国教育家杜威曾提出一个观点：教育是给学生一些事情去做，不是给他们一些东西去学，结果他们自然地学到了东西。这个观点正是项目式学习（Project?based Learning， PBL）的核心。针对上述问题，教师可采用PBL教学方法，通过建立基于问题导向的项目库，以学生为主体开展项目式教学，使学生在实施项目的过程中灵活运用基础理论知识，以项目为中心、以任务为驱动，通过团队协作解决项目问题，提高学生的团队协作能力和参与度[6]。

材料力学实验课程教学改革内容主要包括以下三点：（1）建立基于问题导向的项目库，实现个性化问题设置，避免同质化；（2）构建学生小组，让学生团队协作开展项目研究流程，创新教学方法，教师在以学生为主体的项目式教学过程中起到引导学生的作用；（3）建立项目式教学的评价体系，考核方式以学生在项目式教学过程中的实操表现以及在项目答辩时的表现和课程论文，替代传统的实验考勤打卡和实验报告，重点考查学生灵活运用材料力学的理论知识解决实际工程问题的能力。

针对材料力学实验课程教学改革内容，笔者提出材料力学项目式实验教学流程，如图1所示。

首先，建立基于问题导向的项目库。设计并建立基于问题导向的项目库是材料力学实验课程开展的关键。教学团队拟根据教学大纲的要求，选择在工程上常见的材料力学分析案例，包括汽车、生物医疗、桥梁结构、海上风电等领域的案例，并提出案例分析要求，设置相应的科学问题，建立开放式项目库。学生也可以进行自主选题，寻找生活中相关力学案例进行分析，选题较为优秀的项目可以纳入项目库中作为下一届的实验项目选项。

其次，学生团队协作开展项目研究。项目式实验教学流程的重点是学生如何通过团队协作开展项目的研究。学生团队通过项目选择、项目分析、项目立项和项目开展，分析项目案例存在的问题，列出解决问题需要的实验技术手段，并在查阅相关文献资料后，与实验教师进行充分沟通讨论，制定可行性强的实验方案。学生通过项目的开题答辩，充分展示团队协作的初期效果，团队间互相学习交流，以进一步改善实验方案。通过模块化实验教学培训，让学生挑选项目涉及的实验内容进行学习，学习方式为线上线下相结合，通过讲解、动手操作和视频学习等方式完成相应的培训，培训合格后颁发相应的设备操作证。完成培训后的学生团队，在实验教师的指导下，分工合作完成项目相关所有实验内容，获取相关实验数据，并对实验数据结果进行分析。除了实验测试部分，学生结合所学的有限元分析方法，对相关模型进行对比分析，深入分析结构的变形机理。在项目研究过程中，学生可得到实验动手操作、数据分析、图表制作、有限元仿真以及自主创新探索等方面的锻炼，有助于全方位提升力学方面的素养。

再次，课程成果展示与教师点评。课程成果展示以学术海报形式以及PPT汇报演讲形式开展。通过设计学术海报，学生能够了解并掌握学术海报的设计规范，获得工程科学问题研究成果展示的成就感。通过以团队PPT汇报演讲的形式开展项目成果答辩，学生能够提升口头语言组织能力以及PPT制作能力，增强团队合作意识。口头汇报可以选择全英语汇报，有助于进一步提升学生的双语水平。学生汇报结束后，任课教师对学生的汇报进行点评，点评要素包括现场表达、项目方案、实验数据结果分析等，让学生对其项目研究进行总结和反思。

最后，撰写课程论文。学生基于团队研究项目成果撰写一篇课程论文作为课程总结报告，这有助于提升学生规范写作能力以及工程问题分析能力。对于选题新颖、研究较深、具有一定创新性的研究论文，教师可鼓励学生进一步整理发表至相关的学术期刊上，作为课程学习的成果。

五、结语

课程教学改革是一个创造性的过程，需要进行全方位的思考和实践，并结合实际的教学情况进行适当的调整和完善。本文借鉴国内外的先进教学理念，结合材料力学的课程特点，探索基于PBL实践教学方法的创新教学模式，以提升学生主动学习的积极性，以及发现问题、解决问题的能力和团队合作能力，使学生深入理解材料力学理论知识、提升实践操作能力，同时提高语言表达能力和论文写作水平。材料力学课程教学应该跟上时代科技的发展，培养学生的学习兴趣和创新思维。新时代新形势下，只有不断地对课程進行改进，不断完善教学方法和内容，才能培养出符合时代需求的应用型创新人才。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 郑佩.材料力学教改思考[J].科教导刊（上旬刊），2017（4）：110-111.

[2] 刘鸿文.材料力学：Ⅰ[M].6版.北京：高等教育出版社，2017.

[3] 高永辉，杨凯.材料力学教改体系研究[J].山西建筑，2010，36（24）：223-224.

[4] 周海龙，李平，李东方，等.高校材料力学课程的双语教学研究[J].大学教育，2017（10）：42-44.

[5] 王繁生， 蒋红旗. Matlab在材料力学教学中的应用[J].高等建筑教育， 2009，18（4）：101-103.

[6] 王义平，于化龙，历长云，等. 基于项目管理模式的材料力学实验教学改革[J].力学与实践，2021，43（4）：628-631.

［责任编辑：周侯辰］