以工程案例驱动材料力学双语教学的探索与实践

摘 要：该文针对机械类专业基础课程材料力学的特点，结合教学实践，从教学内容、教学设计、教学实施、思政融入几方面，探讨如何进行材料力学课程教学的改革，特别是通过全过程工程案例驱动材料力学教学的教学设计，使得课程学习目标明确，提高学生的学习兴趣，达到不断提升教学质量的目的，使得学生在掌握构件强度、刚度以及稳定性的计算与分析方法、培养解决工程复杂问题能力的同时，树立辩证与多视角思维的科学发展观，以促进人才培养能力全面提升。

关键词：材料力学；思维方式；全过程工程案例驱动；双语教学；教学设计

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）30-0116-04

Abstract： In view of the characteristics of mechanics of materials course for students majoring in mechanical engineering， combined with teaching practice， from the aspects of teaching content， teaching design， teaching implementation， ideological and political integration， this paper discusses how to reform the teaching of mechanics of materials course， especially engineering case-driven teaching design for mechanics of materials throughout the whole process， which aims at making the course learning objectives clear， improving students' interest in learning， and achieving the purpose of continuously improving the quality of teaching. As a result， students can learn to master the calculation and analysis method of strength， stiffnes_{8hseR40sr74JXm3Dt4Y6yIRRrjx0inRLnqFrEfLZ1Xg=}s and stability for members， cultivate the ability to solve complex engineering problems， and establish the scientific development concept of dialectical and multi-perspective thinking， which will make a difference in promoting the comprehensive improvement of talent training ability.

Keywords： Mechanics of Materials; way of thinking; engineering case -driven throughout whole process; bilingual teaching; teaching design

基金项目：2022年西安电子科技大学研究生各类课程与教材建设项目“结构非线性理论与方法”（JPJC2205）；西安电子科技大学2022年一流精品课程建设项目“材料力学（双语）”（无编号）；2022年度水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室（三峡大学）开放基金“风电装备传动部件故障智能诊断技术研究”（2022KJX01）

第一作者简介：徐亚兰（1971-），女，汉族，江苏海安人，博士，副教授，硕士研究生导师。研究方向为工程力学与结构控制。

材料力学课程作为机械专业学科基础课，在机械专业本科教育中起到承上启下的作用，是后续结构力学、机械振动等专业课程学习、工程实践和科研创新的基础[1-3]。笔者所讲授的材料力学双语课程是为机械类专业二年级本科生开设的。本课程开设前，学生已经学习理论力学，掌握了静力学分析的基本概念，为学习材料力学变形体的相关内容打下了较好的理论基础。但是，学生比较欠缺将理论知识与工程实际相结合的意识和能力，所以目前材料力学教学中比较注重材料力学理论知识的工程背景及应用，采用全过程工程案例驱动教学的教学模式，旨在提高学生学习的兴趣和动力，培养学生的综合能力。

近年来，该课程以机械专业的工程教育专业认证为契机，在成果导向原则（OBE）指导下不断进行教学改革与探索[4-5]。经过多年的教学探索，课程明确了以知识传授、能力培养与价值塑造为要求的课程教学目标；课程紧密结合工程实际，引导学生创新和辩证思维，通过课程学习，使学生能够具有对工程构件进行强度、刚度和稳定性分析的能力。为达成课程教学目标，课程对教学内容、教学模式及评价体系进行了总体设计，主要表现在教学内容模块化、教学模式混合化、考核方式多元化，如图1所示。

基于该思路，本文结合笔者在材料力学课程教学中的实践，旨在讨论如何在材料力学双语课程实践中进行教学内容的重组与教学设计，特别是通过全过程工程案例驱动教学的教学设计，探讨如何有效进行教学实施，以及如何在教学过程中将思政有机融入等问题。

一 教学内容的重组和教学设计

材料力学教学内容的重组在于将课程模块化以及在每部分教学过程中利用工程案例驱动教学，使课程知识体系层次分明、使教学目的明确。考虑到材料力学的理论体系和工程实际要求，材料力学课程知识体系可分为三大模块：基本变形、组合变形及压杆稳定性；其中，基本变形包括杆承受轴向拉伸或压缩变形、轴承受扭转变形、梁承受弯曲变形；组合变形包括复杂应力应变状态分析和承受多个载荷的组合结构。每一模块着重解决某个特定的理论问题或工程实际问题，教学时结合工程案例，对工程问题进行剖析，针对不同的问题凝练出不同的材料力学课程问题，逐步建立工程案例与课程内容的深度融合，保证每个知识点都有针对性的工程实际案例，这样学生学习时目的明确，学习兴趣和主动性会明显提高，学生会在理论知识点与工程实际相结合中实现知识、能力以及价值的融会贯通和进阶发展。

这里，以梁弯曲变形的教学为例来说明如何通过工程案例驱动教学，并进行教学设计（如图2所示）。弯曲变形是弯曲梁结构刚度分析的基础，这部分内容与课程前期所学习的梁弯曲内力和梁弯曲应力两个知识点密切相关，也是后续梁结构设计、应力应变状态及组合变形的基础。课程教学时可分四步进行。

第1步，通过问题驱动进行课程导入。比如，教学开始前，先介绍某一钢结构网架施工过程中发生倒塌事故，造成2死2伤，事故原因是结构变形导致承载力降低，从而诱发结构变形，就此引出结构变形分析的重要性。在这个过程中教师利用工程案例驱动教学，激发学生的学习兴趣和积极性，启发学生主动思考；同时通过实际灾难案例，培养学生的工程安全意识和责任感；通过梁结构的刚度、柔性与变形之间的关系，培养学生坚定的信念与原则，提高政治素养，涵养爱国情怀；此外，考虑到环境干扰引起的振动问题，结构其实也并不是刚度越大越好，还要考虑到其动力特性；提醒学生，道德经有云“刚者易折”，引导学生做人要刚柔相济，具体问题具体分析，找到合适的方法。

第2步，通过交互教学进行理论学习。学习掌握挠曲线近似微分方程的建立，了解挠度、转角和弯矩之间的联系，利用积分法求梁的弯曲变形；学习掌握利用叠加法求梁的弯曲变形：针对同一研究对象，分别从不同视角进行简化，使之成为两个较简单的问题。在解决简单问题的基础上，通过所学习的积分法或叠加方法解决复杂的问题；这一教学过程中，教师注意启发学生对各种方法进行比较分析、思考其优势和局限；学生在自主分析中获得解决问题的途径，内化所学知识，从中学会了如何对复杂问题进行分解，培养了辩证哲学思维方法；同时，学生也学会了从多个角度来看待问题、解决问题，打破思维定势，避免简单的、线性的思维方式，培养多视角思维，树立正确的科学思维。

第3步， 通过小组讨论进行案例分析。以超静定桥梁的变形分析为案例，讨论如何基于实际结构的简化、支撑的简化以及载荷的简化，建立结构的力学模型；学习如何利用所学的专业知识与方法进行复杂问题的分析。这一过程以学生为主体，教师引导和启发为辅，分组进行讨论分析，教师给予方向性指导，引导学生深入分析问题，由浅入深，层层递进；学生从中可进一步体会如何把工程实际复杂问题简单化，如何抓事物的主要矛盾和关键因素，如何进行理论联系实际，培养综合运用知识和严谨细致的科学精神。

第4步，团队合作进行课后操练，并进一步做好课后学习。学生通过团队合作实际动手操练，自己粘贴应变片进行应变与变形分析，并与自己理论分析结果进行比对，增强学生对所学知识的直观理解；阅读中英文教材，利用线上资源，培养学生的自主学习能力。这一过程中，学生以实操、探究、讨论及思考为主；教师主要以引导、点评为辅；通过粘贴应变片技能的练习，培养团队合作精神，培养学生精益求精、务实专注的工匠精神，以及认真负责、踏实敬业的工作态度和严谨求实、一丝不苟的职业素养。同时，通过指导学生进行中英文教材的对照学习，引导学生比较中英文不同的逻辑结构和描述方式、关注中英文材料的侧重点，培养学生的思维融合。

二 加大课程实验与实践的教学比例

材料力学理论体系与工程实际问题密切相关，而实验、实践教学环节是材料力学理论与工程实际相结合的关键所在，所以材料力学课程教学中有必要加大了实验、实践教学环节的比重，并注重问题牵引与工程案例的融入。

实验环节，需要从原来单一的材料拉伸和扭转实验向综合性实验转变[6]；教学时也需要通过启发式教学，以问题驱动实验教学的各个阶段，让学生带着思考的问题进入实验的操作。实践方面，在课程综合实践中，教学团队可以结合各个教师的科研项目，提炼项目所涉及的材料力学问题，将学生分组团队协作进行；尽量从问题的力学表述、建模、计算分析，到力学测试、实验或仿真方案的设计与实施等一系列活动均由学生自主完成；教师主要以指导、过程检查、组织研究展示为辅。

此外，作为课程教学的补充和进阶学习，结合教师自身的科研，利用科研来促进教学，为学生在本科期间创造更多参与科研的机会，同时，也需要鼓励学生成立科技创新小组（如图3所示）；可以通过学生实验创新设计和科研综合实践中优秀作品案例展示的建设，激励学生的学习兴趣。

三 思政教学的体系化

为了发挥课程在人才培养中价值塑造的功效，如何建立思政与课程内容的深度融合也是该课程教学中需要重点考虑的问题。考虑到课程知识体系的特点，以及本课程与工程实践的密不可分性，材料力学课程可以从以下几个方面挖掘思政案例和教学融入，可采用灵活分散的方法，将每个思政要素无缝融入相应的课堂知识和教学环节中。

首先，可以通过思维培养将课程思政教学体系化。考虑到材料力学课程中大量使用科学假设和模型简化的课程特点[7]，课程可以把思维能力的培养作为桥梁，以一点贯穿全课程。比如，在学习梁弯曲时，我们需要进行平面假设、简化支撑、简化载荷甚至简化构件，可以用多种方法进行内力分析，并相互验证。这些都有助于学生学会做事情要抓主要矛盾、要多角度多方位思考问题，打破思维定势，避免简单的、线性的思维方式；再比如说，著名的圣维南原理认为处理次要边界的边界条件时，可以使难以表述的处理次要边界条件以静力等效的方式进行，但这个假设不能用于主要边界[8]；而在材料力学中拉伸压缩变形的正应力计算公式之所以能成立，就是根据圣维南原理，将细长杆的横截面（除两端）上的应力假设为均匀分布。类似的思维方式在材料力学课程中比比皆是，通过提炼使得课程的价值塑造呈现体系化的特点。

其次，可以通过结构灾难事故案例引导学生增强安全工程和责任意识，树立严谨的科学态度，提升学生科技报国的责任感和使命感，涵养爱国情怀。比如，在学习梁弯曲变形时，指导学生自己动手粘贴应变片进行应变测量，学生对国家所提倡的工匠精神会有深刻的理解；再比如材料力学关心的强度问题，通常以危险点的应力作为整个构件强度计算的依据，可以有意识地提醒学生关注细节，帮助学生树立严谨的科学精神。在增强民族自豪感和文化自信方面，该课程在这方面的思政元素也很多。比如，在强度理论学习时[9]，介绍提出双剪应力强度理论的中国力学家俞茂宏以及在复合材料断裂领域取得非凡成就的世界著名材料力学专家米耀荣教授，顺便提醒学生米教授是宋朝书画家米芾的后代；再加上笔者所在单位的力学学科带头人郑晓静院士以及建立我国首个力学研究所的钱学森，这些素材都大大激发了学生对力学的兴趣和学习热情。

再有，课程采用双语教学，指导学生将中、英文教材的内容对照起来学习， 把握材料力学的中英文不同的逻辑结构和阐述方法，培养学生融合中、英文思维方式的能力，提升了学生跨文化比较意识与文明互鉴意识，拓宽学生的国际视野，反过来更促进了学生培养开阔而理性的爱国情怀，达到中英文思维交相辉映，国际视野和爱国情怀相得益彰。比如，该课程教材的中文名称为“材料力学”，倾向于包罗万象，面面俱到。而英文教材名称除了“Mechanics of Materials（材料力学）”，更多地取名为“Strength of Materials（材料强度）”，或者“Mechanics of Deformable Bodies（变形体力学）”。前者侧重于研究重点，而后者侧重于研究对象。两种语言不同的表达方式和思维模式带给学生的冲击不言而喻。图4为笔者所讲授的材料力学双语课程所进行的思政教学设计。

四 教学方法和教学环境的创设

教学目标的实现和人才培养支撑指标的达成离不开有效的教学方法和良好的教学环境。在教学方法方面，除了通过工程问题驱动引入教学内容，可以使教学有明确的目标，帮助学生提高学习兴趣和加深知识体系的理解，还可以引入多种教学方式使教学过程有效开展。比如，采用讨论式教学，可以将批判式思维融入教学，引导学生积极思考；在课堂中跟学生讨论具体问题时，通过一些直觉得到的、容易误导性的结论来启发学生积极思考。举个例子，在讲应力应变状态分析时，笔者向学生提出一个问题：在梁承受弯曲时横截面上同时产生正应力和剪应力，那么这种情况可以用前几章学到的单向拉伸时正应力和纯剪切时剪应力的强度公式联合起来进行强度校核吗？很多学生回答可以，但又觉得哪里不对。通过提问、回答及自己寻找答案的方式，学生对复杂应力状态有了更深入的理解。

此外，课程除了需要课堂教学时采用灵活多样的教学方法、加大实验实践环节、开放实验室供学生课后实践的比例，在当前环境下要充分利用信息手段，使线上线下教学有机结合。为此，笔者所在课程教学团队分别在中国大学MOOC平台开设了课程相关的中文和英文课程。在目前线下课程减少的情况下，学生可以利用线上学习部分内容，而且通过线上测试，学生可以得到及时快速的反馈，对自己的学习情况进行检查与反思。

五 结束语

通过这几年材料力学双语课程教学探索与实践，笔者深切地体会到，要进行教学内容和教学体系的改革创新，使教学内容充分体现现代教育理念和时代要求，课程需要与时俱进，紧跟学科前沿，更新教学内容和教学模式。教师需要结合自身的科研，利用科研来促进教学，提炼科研中的材料力学问题，更新课程中的工程案例和综合实践内容，更多地创造学生在本科期间参与科研的机会，使学生积极参与到课程建设中来。也需要充分利用信息化手段，完善课程网上资源，特别是建立与实验及综合实践相关的网上资源，利用在线测评提高评价和反馈速度；另一方面要认真研究教学方法，探索如何在专业课程教学中有机融入思政元素，深度挖掘力学的美感，激发学生的学习兴趣，使得思维培养与人文教育更加润物无声。

参考文献：

[1] 魏凤春，徐三魁，彭进，等.新工科背景下材料力学性能课程“线上线下+课程思政”教学改革与实践[J].高教学刊，2023（5）：129-132.

[2] 王涛，陈振斌，黄国标，等.机电类专业材料力学课堂教学思政建设与实践[J].装备制造技术，2023（2）：193-196.

[3] 王怀文，计宏伟，王东爱，等.注重商学素养的《材料力学》课程思政建设.西南交通大学学报（社会科学版），2023（24）：232-235.

[4] 许统德，黄乃文，赵秀丽.基于OBE理念的创新创业教育体系构建：理论支撑、设计思路和实施路径[J].创新与创业教育，2021，12（6）：30-36.

[5] 崔玲玲.教学革新面向应用型人才培养的“双创”基础课程教学改革与实践[J].创新创业理论研究与实践，2023（3）：56-58.

[6] 郄彦辉，班宝旺.新型斜十字负泊松比结构弹性力学性能研究[J].机械强度，2023，45（1）：183-189.

[7] 魏鹏云，张琴.材料力学、结构力学与弹性力学的位移计算对比[J].工程与试验，2022，62（4）：23-26.

[8] 陈玉骥，鲁志雄，陈舟.浅谈圣维南原理的启发式教学和课程思政方法[J].黑龙江教育（理论与实践），2021（12）：23-24.

[9] 沈璐璐，蔡方圆，杨博.功能梯度压电板柱面弯曲的弹性力学解[J].应用数学和力学，2023，4（3）：272-281.