基于創(chuàng)新項目的材料力學(xué)教學(xué)中能力培養(yǎng)探索

彭細(xì)榮

摘要：探索了基于大學(xué)生創(chuàng)新項目的材料力學(xué)教學(xué)過程中學(xué)生素質(zhì)及能力培養(yǎng)模式。實踐表明基于項目的教學(xué)模式對學(xué)生素質(zhì)及能力的訓(xùn)練能很好地符合企業(yè)的用人期望，實現(xiàn)“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的培養(yǎng)基本要求。

關(guān)鍵詞：材料力學(xué)；教學(xué)改革；能力培養(yǎng)

中圖分類號：TB301 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）50-0101-02

一、引言

2010年教育部啟動的“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”培養(yǎng)要求：（1）行業(yè)企業(yè)深度參與培養(yǎng)過程；（2）學(xué)校按通用標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)工程人才；（3）強化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力。材料力學(xué)作為土木工程專業(yè)的一門基礎(chǔ)課，與結(jié)構(gòu)力學(xué)、混凝土結(jié)構(gòu)原理、鋼結(jié)構(gòu)原理等緊密銜接。如何在教學(xué)過程中傳授學(xué)生知識的同時，培養(yǎng)學(xué)生能力，實現(xiàn)上述培養(yǎng)要求，是材料力學(xué)教改的努力目標(biāo)。

針對材料力學(xué)教學(xué)過程中學(xué)生素質(zhì)及能力培養(yǎng)方面的探索已有許多有益的嘗試。隋允康教授提出發(fā)現(xiàn)法教學(xué)，在教學(xué)過程中重現(xiàn)知識的發(fā)現(xiàn)過程，引導(dǎo)學(xué)生重走先哲們探索、發(fā)現(xiàn)知識點的過程，改變“簡單地端出一個又一個知識點”的教學(xué)模式，從方法論角度培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力[1]。蔣持平教授提倡引導(dǎo)學(xué)生獨立進(jìn)行思考，克服“重知識傳播，輕科學(xué)方法培養(yǎng)；重書本知識，輕思維方式訓(xùn)練的傳統(tǒng)教學(xué)方式”的不足[2]。林朝斌介紹了以減速器設(shè)計項目為例，對項目進(jìn)行細(xì)化分解，并與材料力學(xué)知識點對照，在項目過程中培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力[3]。張東曉嘗試了將日常生活事物、工程實踐問題和材料力學(xué)實驗貫穿于教學(xué)過程，提高其分析和解決問題能力[4]。黃宜勝嘗試教學(xué)走進(jìn)科研，讓學(xué)生參與科研項目，提出以課程論文為主的研究型學(xué)習(xí)培養(yǎng)模式[5]。

在筆者學(xué)院所舉辦的“土建類專業(yè)校企合作人材培養(yǎng)示范基地建設(shè)研討會”上，企業(yè)方代表在人材方面提出“（1）扎實的力學(xué)基礎(chǔ)；（2）自學(xué)能力；（3）解決問題能力；（4）寫作能力；（5）上崗資質(zhì)”等諸多方面的要求，這些來自生產(chǎn)一線的需求無疑是最真實的。但材料力學(xué)課程與一般的專業(yè)課程不同，過深地涉及土木工程專業(yè)的項目或科研難免會面臨諸多專業(yè)課程方面的知識不足，而且會與后續(xù)課程重疊。如何在教改過程中既重視學(xué)生基本概念及理論的掌握，又進(jìn)行學(xué)生素質(zhì)及能力的訓(xùn)練，還不超出材料力學(xué)學(xué)科知識體系的范圍，是值得深入探索的問題。本文介紹引導(dǎo)學(xué)生在材料力學(xué)課程體系內(nèi)，提出研究項目，進(jìn)行能力培養(yǎng)的一種教改嘗試。

二、“基于移動終端的構(gòu)件截面設(shè)計驗算應(yīng)用軟件研發(fā)”項目概況

筆者所在高校為鼓勵學(xué)生創(chuàng)新思維，每年均支持一批大學(xué)生創(chuàng)新項目，以學(xué)生為主體，在老師指導(dǎo)下申請并完成項目。在此有利環(huán)境下，材料力學(xué)課程正在上課的學(xué)生自愿組建團(tuán)隊，在授課老師（即筆者）的指導(dǎo)下，申請了“基于移動終端的構(gòu)件截面設(shè)計驗算應(yīng)用軟件研發(fā)”項目，并成功得到學(xué)校支持。此項目的申請基于如下考慮：

1.隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，越來越多的單機(jī)版應(yīng)用軟件轉(zhuǎn)移到移動終端。在結(jié)構(gòu)設(shè)計行業(yè)，許多繁雜的計算公式非常有必要編制程序進(jìn)行自動化計算，將設(shè)計相關(guān)計算公式在智能手機(jī)的開發(fā)平臺中用軟件實現(xiàn)，工程師們可以像使用計算器一樣，利用安裝在手機(jī)中的設(shè)計小軟件，滿足隨時隨地進(jìn)行計算的需求。

2.《材料力學(xué)》課程中涉及構(gòu)件的強度、剛度及穩(wěn)定性等方面的設(shè)計及驗算理論，這些理論很多直接應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計中，如均質(zhì)的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計。

3.本項目結(jié)合《材料力學(xué)》的課程學(xué)習(xí)過程，擬將《材料力學(xué)》中構(gòu)件截面設(shè)計及驗算的相關(guān)內(nèi)容在Android平臺中實現(xiàn)，開發(fā)一在Android系統(tǒng)中使用的構(gòu)件截面設(shè)計驗算應(yīng)用軟件，滿足設(shè)計及施工相關(guān)工程師現(xiàn)場隨時隨地進(jìn)行計算的需求，同時也可供土木工程、機(jī)械工程等相關(guān)專業(yè)學(xué)生作為學(xué)習(xí)《材料力學(xué)》的工具軟件使用。

項目擬定的主要研究內(nèi)容包括：

1.實現(xiàn)典型截面的幾何性質(zhì)如面積、形心坐標(biāo)、慣性矩等計算。

2.實現(xiàn)工程常用型鋼截面屬性庫。

3.實現(xiàn)均質(zhì)材料在拉（壓）、扭轉(zhuǎn)、剪切、彎曲等基本變形及組合變形下的截面應(yīng)力計算公式，可對構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計及強度驗算。

4.實現(xiàn)均質(zhì)材料壓桿穩(wěn)定性設(shè)計及驗算。

從項目申請的研究意義及主要研究內(nèi)容可以看到此項目有如下特點：

1.項目緊密聯(lián)系工程實際。此項目旨在開發(fā)一個可直接服務(wù)于工程應(yīng)用的計算小軟件，學(xué)生在完成項目過程中，需要從工程應(yīng)用的角度進(jìn)行思考。

2.項目與土木工程專業(yè)課程相關(guān)但并不深入涉及。項目完成的桿件截面設(shè)計及計算的內(nèi)容盡管可直接應(yīng)用于實現(xiàn)如鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的部分功能，但并不直接應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的知識，仍舊在材料力學(xué)知識體系內(nèi)。

3.項目具有創(chuàng)新及挑戰(zhàn)性。項目要求在移動平臺上實現(xiàn)材料力學(xué)的一些計算功能，不僅要求學(xué)生掌握材料力學(xué)的理論，還需要學(xué)生掌握Android平臺的軟件開發(fā)知識，對一個土木工程專業(yè)學(xué)生團(tuán)隊的項目來說，此項目具有一定的實現(xiàn)難度。經(jīng)查國內(nèi)也沒有相關(guān)軟件在移動平臺上應(yīng)用。

三、項目對學(xué)生能力的培養(yǎng)

完成上述項目，學(xué)生團(tuán)隊在以下幾個方面均得到了很好的鍛煉。

1.自學(xué)能力。此項目要求學(xué)生具備軟件編程及設(shè)計能力，因而學(xué)生需要自學(xué)Java編程語言、Android平臺的移動應(yīng)用開發(fā)、Photoshop軟件應(yīng)用界面設(shè)計等內(nèi)容。在材料力學(xué)專業(yè)知識方面，除一般本科要求的截面屬性計算及強度計算相關(guān)內(nèi)容外，從工程應(yīng)用的角度，對扭轉(zhuǎn)的屬性及強度計算進(jìn)行了拓展，普通本科教育中的材料力學(xué)扭轉(zhuǎn)強度的計算僅限于要求圓形截面，其他形狀實體截面或薄壁截面的扭轉(zhuǎn)慣性矩的計算及扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的計算均不是教學(xué)大綱要求的范圍，屬于高等材料力學(xué)課程中的內(nèi)容。為滿足項目開發(fā)的知識要求，項目團(tuán)隊需要隨時參考資料。這種面向解決問題、目標(biāo)明確的自學(xué)要求對學(xué)生自學(xué)能力的訓(xùn)練效果非常明顯。

2.解決問題能力。項目的完成過程中遇到了很多困難，通過相互討論、查閱資料，甚至請教相關(guān)專業(yè)人士等方式，一個個均得到了解決。例如，在學(xué)習(xí)高等材料力學(xué)理論時有理解困難，學(xué)生團(tuán)隊與指導(dǎo)老師一起研討；在Android編程遇到技術(shù)困難時，通過互聯(lián)網(wǎng)、圖書館等各種途徑查閱資料；在界面設(shè)計時請美院朋友進(jìn)行專業(yè)咨詢等。通過完成此項目，項目團(tuán)隊成員訓(xùn)練了遇到問題通過查閱資料、探討及咨詢等各種辦法進(jìn)行解決，解決問題的能力及信心均有很大提升。

3.團(tuán)隊協(xié)作能力。此創(chuàng)新項目基于訓(xùn)練并兼顧工程應(yīng)用的角度出發(fā)，并沒有計劃太復(fù)雜，但仍是一個需要多人協(xié)作才能在規(guī)定的時間內(nèi)順利完成的項目，因而需要發(fā)揮不同團(tuán)隊成員的特長，項目成員既有分工也有協(xié)作，學(xué)習(xí)成績比較好的同學(xué)負(fù)責(zé)理論推導(dǎo)的工作，對編程感興趣的同學(xué)負(fù)責(zé)程序編寫設(shè)計，寫作能力強的同學(xué)負(fù)責(zé)報告撰寫工作。各司其職、各盡其責(zé)，同時定期交流討論，甚至利用團(tuán)隊成員的交際圈尋求外援。項目完成過程中，團(tuán)隊成員均為同一目標(biāo)努力，團(tuán)隊協(xié)作能力及精神均得到了很好的鍛煉。

4.寫作能力。國內(nèi)本科教育在學(xué)生論文寫作方面的訓(xùn)練很少。本項目作為一個創(chuàng)新項目，必須提交正式的結(jié)題報告，并要求在公開期刊上發(fā)表文章。學(xué)生在完成報告及論文的寫作及修改過程中，對論文寫作及報告撰寫的各項要求均有所了解，經(jīng)過項目訓(xùn)練，論文寫作能力有明顯提高。

5.扎實的材料力學(xué)概念及理論基礎(chǔ)。項目要實現(xiàn)材料力學(xué)課程中的部分計算設(shè)計功能，要求團(tuán)隊成員對相關(guān)概念及理論有深刻的理解，這種理解程度是普通的考試要求無法比擬的。編程要求計算具有自動化、普適性，必然要求學(xué)生認(rèn)真鉆研相關(guān)概念及理論之后才可能通過計算機(jī)編程語言來實現(xiàn)相關(guān)功能。由于材料力學(xué)是木木工程類執(zhí)業(yè)資格基礎(chǔ)考試中必考的一門課程，自然也為團(tuán)隊成員在未來的執(zhí)業(yè)資格考試中打好了很好的基礎(chǔ)。

6.計算機(jī)應(yīng)用能力。通過此項目訓(xùn)練，學(xué)生團(tuán)隊的計算機(jī)編程及應(yīng)用的能力均在短期內(nèi)得到了突飛猛進(jìn)的提升。作為人材的兩大基本能力（計算機(jī)應(yīng)用能力，英語水平）之一，計算機(jī)應(yīng)用能力在土木工程專業(yè)領(lǐng)域也是非常重要的基本素質(zhì)及能力要求。

四、結(jié)論

通過上述基于項目的教學(xué)實踐，對照筆者不久前參與的校企研討會上生產(chǎn)一線領(lǐng)導(dǎo)提出的人材要求，發(fā)現(xiàn)這種基于項目的教學(xué)對學(xué)生素質(zhì)及能力的訓(xùn)練能很好地符合企業(yè)的用人期望。

目前的教學(xué)嘗試僅限于一個創(chuàng)新項目團(tuán)隊成員，學(xué)生覆蓋面非常有限，如何將這種教學(xué)模式進(jìn)行更大面積的覆蓋，使更多的學(xué)生，甚至是所有聽課學(xué)生均能參與類似項目式的教學(xué)訓(xùn)練，在項目規(guī)模、內(nèi)容、及組織形式等諸多方面還需要進(jìn)行更多的探索。從因材施教的角度看，目前這種創(chuàng)新項目式的教學(xué)對訓(xùn)練少數(shù)有興趣于科研性活動的學(xué)生是非常有效的。

參考文獻(xiàn)：

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