基于“卓越工程師”培養的材料力學課程教學改革與探討

趙淑紅 袁威 楊悅乾 王業成 張文姣 趙立軍 李蓉

摘要：針對國家提出的“卓越工程師”培養計劃的要求，本文對工科重要的專業基礎課——材料力學進行教學改革和探討。本文從教材、課堂教學、試驗及競賽等方面進行教學改革，以“知識和能力發展”為教育思想，以“夯實基礎、引導創新”為目標，理論與實踐、理論與科研等方面進行相互融合、滲透，提高學生動手能力、創新能力及解決實際問題的能力。

關鍵詞：卓越工程師；材料力學；教學改革；探索

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）23-0112-02

一、引言

隨著科學技術的迅速發展，人才市場需求發生極大的變化，各行各業急需具有實踐經驗、動手能力和創新能力的人才，因此國家提出“卓越工程師”培養計劃，擬用10年時間，培養創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才，為建設創新型國家、實現工業化和現代化奠定人力資源優勢。材料力學是工科重要專業基礎課之一，是解決工程實際問題必不可少的一門課程，但由于多年理論與實踐的脫節，導致學生空有成套的理論知識，面對工程力學問題卻無從下手，束手無策。隨著國家“九五”～“十二五”的建設計劃，高等院校的培養計劃也在逐步完善，但在“拓寬口徑，培養復合型人才”的原則下，材料力學課程的學時進行大量縮減，在這種教學課時下，必須采取新的特色的教學課程體系和教學方法。因此，使學生在現有的學時下，既能把理論知識學好，又能與工程實踐問題結合，符合國家提出的“卓越工程師”的培養計劃，如何上好材料力學課，已經成為力學教師在教學中不斷進行摸索、思考、出新、反復推敲的重要問題。因此，本文從教材、課堂教學、試驗、考核及競賽等方面進行教學改革，以“知識和能力發展”為教育思想，以“夯實基礎、引導創新”為目標，理論與實踐（試驗）、理論與科研等方面進行相互融合、滲透，提高學生動手能力、創新能力及解決實際問題的能力。

二、進行材料力學教材改革，增加工程案列

材料力學主要研究可變形固體在基本變形、組合變形情況下，滿足強度、剛度和穩定性等。現有教材根據這些方面的研究主要有兩種編寫形式：一種是根據變形形式進行章的編寫，每節編寫順序為內力、應力-強度校核、變形-剛度校核；另一種是根據基本概念——內力、應力、變形等進行章的編寫，每節根據變形形式進行編寫。在編寫過程中，選用的例題偏重于理論公式的應用，針對這種情況進行教材改革，增加工程案例，寫明分析、解決工程問題的過程，并把工程案例分析列為每章的一節，使學生有意識、有目的的進行學習，循序漸進，提高解決工程問題能力。

三、建立“卓越工程師”課堂教學模式

三尺講臺，育人一生。課堂教學方法、手段的靈活性是優秀教師實現完美教學的模式。

1.理論與實踐結合，提高解決實踐問題的能力。材料力學的特點是概念多、公式多，學生感覺不容易理解、難記、枯燥無味，再加上及格勝利、會做題不用理解理論等不端正的思想，學生多對課堂上理論的學習不感興趣。為了增加學生知識面，拓寬口徑，我們對材料力學課時數進行了壓縮。針對這種情況，依據教學目的及教學時數的要求，在基本理論的基礎上，結合分析工程案例的內容，把理論分析思維與工程解決問題的創造思維結合起來，讓理論不再是枯燥的公式、定理的推導，而是鮮活的、有生命的解決工程實踐問題，培養學生解決工程問題的能力。為了提高學生的理論應用能力，根據教室現有結構進行分析。例如：分析教室橫梁結構。根據現有學生人數及重量、桌椅數量及重量，把梁進行簡化——簡支梁，混凝土材料，梁在這些力作用下發生彎曲變形，對其進行強度校核，這種教學方式，使學生增加理論的運用能力及解決問題、分析實踐的能力。

2.教學的多樣性，培養學生工程責任意識。一名優秀的老師，“黑板+粉筆”的教學模式是不夠的，老師能通過生動的語言把課程講授的概念、公式、定理等教學內容完整、規范的表達出來，但她（他）無法做到將復雜的工程結構、機構以及機器展現出來，因此通過現代教學手段，從不同側面、不同角度展示工程結構，培養工程結構設計安全意識。采用多媒體的方式，可以通過動畫展現工程結構，生動形象地表現結構受力后的變形以及破壞形式，特別是那些工程師們小小結構設計的失誤，導致多少家庭遭遇失去親人的痛苦，如重慶彩虹橋倒塌、著名加拿大工程師之戒。同時通過錄像看到結構破壞現象，分析工程結構破壞原因，使學生更好地建立設計安全意識。如用理論知識分析橋梁破壞、動車在鐵軌上運行時脫軌的破環，使學生增強了設計安全意識，樹立做一名合格的工程師的責任意識。

四、建立“卓越工程師”試驗教學模式

試驗不僅加強學生對所學課程關于材料力學基本理論、基本概念和研究方法的理解，同時培養學生從試驗的方法去發現問題、分析問題和解決問題的能力，有效地解決許多理論尚不能解決的工程難題，為科研提供必要的理論數據。

1.夯實基礎，引導創新，增加研究型、設計型試驗。材料力學試驗是提高學生創新能力的一個重要手段。材料力學原有試驗大都是驗證試驗，通過試驗驗證理論。為了培養應用創新型人才，在原有基本實驗基礎上，增加研究型、設計型實驗。如在原有低碳鋼拉伸性能測試實驗基礎上，擴展為低碳鋼板型試件拉伸測試彈性常數，使學生學會電測法測試彈性常數；直梁彎曲測試應力分布規律，擴展為疊梁應力分布規律等。

2.開放實驗室，提高學生分析問題的能力和動手能力。為了提高學生分析問題的能力和動手能力，把工程結構與教學理論相融合，進行實驗室開放。開放的內容模式有：一方面是教師給出題目，學生選擇；另一方面是學生自主選擇工程問題，帶著問題進入實驗研究，探索理論的應用。如電測法在工程中的應用。電測法是將應變轉換成電信號進行測量的方法，因此，本試驗讓學生了解應變片的構造、原理、粘貼方法及與之配套的電阻應變儀的連接方式，掌握應變片在農業機械中的應用；夜晚城市路邊的燈光璀璨，照亮回家的路，但路燈桿在風力、自重作用下發生變形，為了保證燈桿不被破環，學生對燈桿進行試驗分析，首先粘貼應變片，然后通過儀器及軟件進行模擬分析，獲得燈桿破壞的力及位置，從而對燈桿進行設計。

3.試驗與科研相融合，提高創新應用能力。科研的研究內容代表這一研究方向的前沿，因此依托學校農業機械的優勢，把科研思想和方法融于試驗教學，把教師的科研融入到試驗中，使學生有目的的分析解決問題，不但可以把學過的理論知識融入到實踐中，并且通過理論循序漸進地解決實踐問題。如開溝器是播種機最重要的關鍵部件之一，開溝器工作的好壞影響播種機的工作質量，因此對于開溝器的設計要求其在工作時受到的阻力越小越好，因此學生在實驗室模擬開溝器在田間工作狀態，對開溝器進行受力分析，通過試驗測出工作阻力，為開溝器的設計提供基礎理論數據。

五、建立合理考核機制模式

考核學生的好壞，歷來都是試卷定成敗，影響學生培養工程意識的積極性。因此，改變以往的考試模式，試卷不再是簡單的理論公式應用，把考核的重點放在工程問題分析上，通過工程問題，用理論知識解決。同時為了避免學生考試發揮失常，影響考試成績，采用多種形式的考試，如平時各章節公式、概念的小測驗；給出工程實例，用理論知識分析和解決問題的大作業；學生通過設計型和研究型的試驗，撰寫小論文以及試驗報告；把作業、小論文、小測驗、期末考試等按照一定比例分配，增大小論文比例，提高學生實踐分析、解決問題的積極性。

六、積極組織學生參加競賽活動

力學來源于工程實踐，因此力學競賽的題目都是解決工程問題。如全國周培源力學競賽涵蓋知識廣泛，幾乎涵蓋了大二學過的理論力學、材料力學知識，可以鍛煉學生應用理論知識解決工程問題的能力；黑龍江省結構設計大賽采用竹條或紙作為材料進行工程結構設計，竹條制作的塔吊、紙做的橋等結構設計，要求重量輕、承受載荷大。學生通過參加競賽，增強了理論解決工程問題的能力，同時鍛煉了思維意識、提高動手能力和設計、創新能力，通過近幾年教師的培訓，學生在競賽中取得優異的成績，效果較好。

七、結語

以培養“卓越工程師”為目標，利用課堂教學模式，合理安排理論課程教學內容，使學生更好地掌握理論知識，把傳授理論知識為主的課堂教學，與培養工程實踐能力為主的試驗、科研結合起來，不僅使學生掌握了專業理論知識，而且培養了學生的動手能力，從而實現培養學生創造思維、分析問題和解決問題的能力，為材料力學課程體系的改革提供了方法。

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