卓越工程師培養計劃下的材料力學課程教學改革實踐

王勝永+趙紅

摘要：學生工程實踐能力和創新意識是卓越工程師培養計劃的核心目標。在材料力學課程教學現狀的基礎上，探討強化工程認知、分層次實驗教學和課程論文三方面的教學改革實踐，對卓越工程師的培養具有重要的意義。該教學改革實踐在學生拓寬知識領域、鞏固理論知識，以及培養學生實踐能力和創新意識等方面都具有重要的作用和價值。

關鍵詞：材料力學課程；卓越工程師計劃；教學改革實踐；實踐能力；創新意識

2010年6月，教育部啟動卓越工程師培養計劃試點。卓越工程師培養計劃是貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》和《國家中長期人才發展規劃綱要（2010-2020年）》的重大改革項目，通過以實際工程為背景，以工程技術為主線，著力培養學生的工程意識、工程素質和工程實踐能力。卓越工程師培養計劃的目的是培養一批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量的各類型工程技術人才。面向卓越工程師培養計劃與目標的教學，不僅要培養學生熟練掌握專業基礎理論知識的能力，而且要將培養學生實踐能力和創新意識置于核心地位。

在材料力學的課程教學中，關于如何培養大學生實踐能力和創新意識的教學模式已經有了很多研究。而在卓越工程師培養計劃下，如何讓學生在掌握好材料力學理論知識的基礎上，得到實踐能力和創新意識的培養呢？筆者在材料力學教學現狀的基礎上，對材料力學課程的強化工程實踐認知、分層次實驗教學和課程論文三種教學方式進行改革探索，以期培養大學生的實踐能力和創新意識。

一、教學現狀

針對卓越工程師培養計劃對課程的要求，現階段材料力學課程在授課過程中主要面臨以下三個問題：

（一）材料力學課程的知識體系與工程實際結合不夠緊密

材料力學作為工科專業的經典基礎課程，課程整體內容體系、理論框架已經相對成熟，而且課程中用于推導計算的力學模型一般為理想化、滿足假定條件的抽象簡化模型。在學生學習的過程中，這種抽象的力學模型與實際脫節的情況將導致學生無法對材料力學課程的實際應用做出直觀的判斷，從而直接導致學習興趣的缺乏。

（二）與后續專業課的學科交叉不能融為一體

隨著教學改革的不斷深化和調整，社會的發展也需要學生知識面不斷拓寬，需要學科不斷地交叉融合。而在有限的學時內，教師往往僅能講授本門課程的理論知識，沒有形成各門課程緊密銜接而又各自獨立的教學體系。材料力學課程作為工科專業的基礎課程，對專業課起著重要的支撐作用。如果材料力學的課程內容與后續專業課的內容交叉而又不能融為一體，將導致學生無法正確運用所學的材料力學知識去解決專業課程中的問題。

（三）授課方式靈活性不夠及課程缺乏實踐環節

課堂灌輸式教學在現有的材料力學課程授課中仍然普遍存在，教師與學生之間缺乏交互式的討論溝通。教師講，學生聽，學生長期處于被動地接受理論知識的狀態，導致學生學習興趣逐漸下降，學習效果也越來越差。而且在材料力學的課程中，教師往往重理論而輕實踐，常規的拉伸、壓縮、扭轉、彎曲等實驗也僅僅是理論驗證性實驗，直接工程實踐應用性不強，這不利于對學生的實踐能力和創新意識的培養。

二、培養學生實踐能力與創新意識的三種教學改革實踐

（一）強化學生工程認知

材料力學課程的一個重要特征就是：教材中給出的大都是簡化了的抽象力學模型。學生在學習過程中，并不了解這些簡化的力學模型是如何從實際工程問題中轉化而來的。在學生后續的工程實習、生產實習以及畢業設計過程中，接觸到工程問題時就容易感到茫然，與基礎力學理論知識難以建立聯系，缺少從實踐向理論、從理論向實踐轉化的工程認知環節。

學生工程實踐認知能力的培養是一個漸進的過程，需要不斷地引導、激發，使他們逐漸認識到力學課程學習是解決實際工程問題的理論基礎。目前，國內諸多高校已經將工程問題的認知廣泛引入到材料力學的課程學習中。直觀的工程認知不僅能夠提高學生的學習興趣，引導學生對理論的深層次的理解和掌握，而且通過對學生的工程與科研意識的啟蒙，可以挖掘其潛在的創新能力。

筆者在卓越工程師過程裝備專業材料力學的教學過程中，對學生進行化工過程裝備及其力學問題介紹，使學生對本專業工程領域與材料力學的關系有一個初步的了解和感性認識，激發其將理論知識與工程課題結合起來學習的興趣。另外，在課程教學過程中，進行一到兩個學時的化工過程裝備領域專題學術報告，通過對某工程課題（包括工程背景、科學問題、研究所涉及的理論基礎與過程）進行系統的介紹，達到良好的工程認知和科研啟蒙作用。例如：在給卓越工程師過程裝備專業學生講解《壓桿穩定》章節時，結合學校科研團隊進行的“地震作用下大型球罐結構的樁腿失穩問題研究”課題中的工程背景、科學問題及研究理論進行了較為全面的介紹。這不僅加深了學生對壓桿穩定理論的理解，而且將理論知識與重大工程問題緊密聯系，使學生學有所用，對材料力學理論知識學習產生濃厚興趣，又培養了學生的社會責任感，這也是創新人才培養所具備的一個重要品質。

實踐表明，材料力學教學中的工程認知強化將理論知識與工程實踐相結合的培養模式，對形成完整的實踐教學、素質教育和創新教育方面都有很大的促進作用。同時，這種培養模式也對學生的專業知識、創新能力和科學素質的協調培養起到了重要的促進作用。

（二）分層次開展實驗教學

目前，在大多數高校中，常規的力學實驗在卓越工程師培養計劃中為必做實驗，包括拉伸、壓縮、扭轉、純彎曲和沖擊實驗等。這些實驗內容和方法有較為成熟的實驗大綱指導，以理論驗證性實驗為主，其目的是提高學生的動手能力，加深學生對基礎知識的理解，但缺乏一定的探索性，不利于對學生創新意識的培養。為此，學生可以在必做實驗的基礎上，開展更高層次的獨立設計力學實驗，將材料力學理論和實際工程實例有機結合，進行獨立的選題、實驗設計、測試及分析討論，以培養獨立的探索、研究及創新能力。

筆者在卓越工程師過程裝備專業的材料力學的教學中，利用力學開放實驗室，依據其專業背景和實驗室科研情況，鼓勵、支持學生獨立完成力學實驗設計，并進行探索性的科學研究工作，使學生盡早具有工程意識和學以致用的思維。學生也提出了一些新穎的實驗構思，設計了初步的實驗方案。例如：針對化工裝備中輸油管道的振動疲勞問題，學生提出了不同的振動測量方法以及解決振動疲勞問題的措施。實踐表明，分層次實驗教學將工程實踐背景與力學理論有機結合，在加深學生對理論知識理解和掌握的同時，對培養學生發現問題、解決問題、實踐創新能力等方面都起著很大的幫助作用。

（三）布置課程論文

在各專業的課程設置中，課程論文作為一種理論聯系實踐的教學環節得到了較為廣泛的認可。然而，大多數高校的材料力學課程中往往缺乏課程論文教學環節。課程論文起著材料力學課程與工程實際聯系起來的橋梁作用。課程論文可由教師啟發，讓學生自主選題，通過詳細的力學問題分析、實驗設計或建模分析、數據及結論討論等環節，最后以科技論文的模式來完成，從而使學生的工程實踐認知、創新能力及科研素質等得到提高。

在卓越工程師過程裝備專業材料力學的教學中，筆者結合每一階段所學的理論知識，以小組或個人的形式，引導學生自行搜索相關的實際工程問題材料并獲取相關信息。然后根據自己的分析，建立力學模型，再進行實驗測試或計算機輔助計算，最后以科技論文的形式進行書面整理并在課堂上匯報和討論。從學生完成情況來看，一些課程論文具有內容新穎和創新性特征，起到了學生對所學理論知識分析、思考并應用于實際工程問題的作用，提高了學生自主探索學習與實踐的應用能力。

三、結語

基于卓越工程師的大學生培養機制和目標，在材料力學課程教學改革實踐過程中，通過強化工程認知、分層次實驗教學和課程論文訓練等三種不同的教學模式，學生由被動的繼承性學習轉向主動的創造性學習，在深入理解掌握理論基礎的同時，提高了學生的實踐能力和創新意識。當然，以上三方面的教學實踐并不是互相孤立的，只有它們與課程教學有機地融為一體，才能更好地有導向性地激發學生進行探索性自主學習。endprint