新工科背景下材料力學性能課程教學改革

張國尚　馮日寶　紀朝輝

[摘 要]針對材料力學性能課程教學內容與民航結合不夠緊密、學科交叉滲透不深入的現狀，學校在新工科背景下借鑒“跨學科”課程的教學方法對教學內容有機融合，突出工程能力、專業英語應用能力、科學精神與人文素養、創新思維能力培養。此外，還要優化教學方法和手段、建立多元化考核評價體系。通過以上措施，收到了較好的教學效果。

[關鍵詞]新工科背景;教學內容融合;教學方法和手段;多元化考核評價

[中圖分類號] G642.0[文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）04-0075-03

材料力學性能是材料類專業一門必修的專業基礎課，講述材料在外加載荷和環境因素聯合作用下表現出變形、損傷與斷裂的行為規律和物理本質以及評定方法，是各類材料在實際應用中必須涉及的共性問題[1]。該課程作為一門材料科學和力學兩個學科交叉形成的課程，隨著新型材料的不斷涌現以及現代力學理論的不斷發展，現有教學過程中存在的內容老化、學科交叉與融合不夠深入等問題愈加突出。此外，傳統的教學模式存在重理論、輕實踐，重知識、輕能力的現象，使培養出的大多數學生缺乏創造性的分析問題和解決問題的能力，越來越顯現出其弊端[2]。我校材料類絕大多數畢業生在民航系統內從事與機務維修相關的工作，大量新材料、新技術在民航中的廣泛應用以及國產飛機、發動機創新型維修人才需求，迫切需要學校改革原有的教學內容和教學模式。本文在新工科背景下借鑒國內外“跨學科”課程的教學方法[3-7]，立足寬口徑、厚基礎、強能力、高素質的人才培養目標，結合工程材料在民航應用現狀與發展趨勢，融入學科交叉理念、優化教學方法和手段以及考核體系對材料類專業基礎課程材料力學性能進行了教學改革探索。

一、 結合專業特點和民航應用，教學內容有機融合

（一）廣度與精度相結合，緊跟時代發展

大學教育為一種通才教育，新形勢下大學生就業呈現多元化趨勢，教學內容應具有一定的廣度。國內現有的材料力學性能教材以講述傳統金屬材料的力學性能為主，對廣泛應用的復合材料、電子材料的力學性能涉及很少，甚至國內所有教材均未涉及已在A380、B787上開始應用且極具前景的熱塑性復合材料的獨特力學性能，一些如“云計算”“大數據”等最新研究成果也未包含在教材中。因此，結合我校學科特色，注重講解材料力學性能知識在民航中的應用，使學生切實體會到學有所用，既增強了學習的興趣，又鍛煉了理論聯系實際的能力。例如，復合材料部分結合實物對該材料的應力-應變關系、制造工藝及檢測方法、失效模式與機制等進行了系統講述，并與金屬材料作了對比。因本門課程包括實驗在內僅有36學時，對于其他課程中已有所涉及的部分，如金屬的拉伸曲線在工程力學課程中已詳細講述，則進行了刪減。

（二）力學理論與材料結構相結合，理解失效機理

現有大部分教材中將力學只作為材料表征的一種手段，對力學的一些經典理論、適用范圍很少提及，使學生很難深入理解力學指標的意義。相反，有些教材從力學角度講述該課程，對材料力學性能變化的原因很少涉及，使學生很難領悟材料性能變化的深層原因。因此，在新工科強調打破學科壁壘的背景下，教學中以問題作為學科間連接的中心，在介紹力學性能指標建立的背景、適用范圍基礎上講述材料的力學性能特點，突出材料力學性能與微觀結構的關系。

（三）與學科發展歷史相結合，融入科學精神與人文素養

自然科學與人文社會科學交叉滲透已是不爭的事實，科學精神與人文素養相融合在高等教育中具有重要意義[8]。材料力學性能中每次課都針對某一主題展開，開展專題教學，在教學過程中有機融入發展歷程有助于學生理清學科發展脈絡，了解學科發展趨勢。例如，在簡要講述疲勞研究發展歷程時，重點強調直到20世紀50年代英國“彗星”號噴氣客機發生一系列災難性事故后，飛機的疲勞設計才受到人們的重視。同時，引入一些促進學科發展的名人軼事，如HOOK定律的發現者很早就提出了應當將力學性能同材料的微觀結構聯系起來;氫脆部分則列舉了我國著名材料學家李薰由于1945年揭示了鋼中氫脆的奧秘，而對科學界做出了重要貢獻。這些中外科學家的成才道路、研究方法、治學精神和哲學思想，大大激發了學生的學習興趣，培養了學生發現問題和解決問題的創新思維方式。

（四）國內與國外經典教材相結合，強化外語應用能力

隨著全球一體化進程的加快，國際交流日益頻繁，大部分學生的畢業后在日常工作中離不開英文的閱讀、翻譯，如果在民航系統內工作則不可避免地遇到大量專業術語，因此在專業英語的應用方面應有所加強。通過選用國內與國外經典教材（國內采用西北工業大學出版社出版、鄭修麟主編的《材料的力學性能》，國外采用Mc Graw Hill Education 出版、Thomas H.Courtney主編的Mechanical Properties of Materials，對相關術語及理論開展了雙語教學，并在作業及課外資料中大量采用英文，提高了學生對外語的綜合運用和表達能力。

（五）與科研相結合，加強綜合能力培養

本專業教師均具有在企業工作或民航相關企事業單位鍛煉的經歷，并主持或參與了大量國家級及省部級科研項目，將非涉密的科研成果引入課堂可激發學生的學習興趣、加深學生對相關內容的理解，并有助于學生了解學科前沿知識[9]。根據生產及科研中遇到的實際問題，我們編寫了大量案例，并且對案例及時進行補充、更新。一些案例在后續的專業實習中可看到具體應用，可以設置問題讓學生在實習中尋找答案，引導學生將理論與工程實際相結合。例如，某飛機發動機制造廠渦輪葉片用的是什么材料，和其他材料相比力學性能有什么有優點，其蠕變試驗曲線為什么只測一小段，為什么渦輪葉片焊接后要測氫的含量，測量氫的含量需要用什么儀器等。這樣可以將工程材料、材料成型原理及工藝、材料結構分析等課程中內容與本課程聯系起來。

（六）豐富實驗內容，培養創造性思維

實驗課一方面可以使學生驗證課堂上所講理論的正確性，另一方面可培養學生的動手能力和創造性思維能力，起到了其他教學環節不可替代的作用[10]。然而，長期以來我校的材料力學性能實驗課僅設置了“測量低碳鋼的洛氏硬度”“測低碳鋼的沖擊韌性”及“四球摩擦磨損試驗”三個簡單試驗，學生得不到應有的鍛煉，也無法體現與其他課程的聯系及民航特色。為此，對實驗內容進行了擴充與優化。在硬度實驗中，要求選擇合適的方法測試按波音公司熱處理工藝制備的4340鋼、7075鋁合金熱處理后的硬度，并與未經熱處理試件的硬度值進行對比，分析改性工藝對硬度的影響。在沖擊實驗中，要求測試45鋼的韌-脆轉化溫度，并分析沖擊韌性值存在分散性的原因。在摩擦磨損實驗中，測試并分析不同工藝條件下的航空熱障涂層的耐磨損性能。此外，還開設了有關新型復合材料力學性能測試的選修實驗課，教師引導學生進行文獻調研、閱讀相關標準、自行設計實驗、根據標準文件實施實驗，培養學生的創新意識和規范意識[11]。

二、優化教學方法和手段， 豐富教學內涵

（一）根據教學內容，多種教學方法綜合運用

教學過程中離不開一定的方式或方法，各種教學方法既有其優越的一面，也有其不可避免的弊端[12，13]。依據教學內容，教師通過對問題驅動教學、啟發式教學等各種教學方法的綜合運用，使學生以極大的熱情學好課程知識，實現以教為主向以學為主轉變。如在講述材料的斷裂時，首先從原子間相互作用模型出發，推導出材料的理論斷裂強度，但該強度值比材料的實際斷裂強度大1-3個數量級。這時教師可提出一個問題：導致此種差別的原因是什么？大多數學生通過思考認為該模型假設材料為無缺陷的理想材料，而實際材料存在一定的缺陷。這時引出一個問題：材料中的缺陷有哪些形式，其是如何產生的？在討論完上述問題后，教師可介紹Griffith基于實際材料中存在微觀缺陷這一事實提出的計算模型。最后讓學生討論如果材料中缺陷很小或者幾乎沒有缺陷，這時會出現什么情況、有什么應用。幾乎所有學生認為此時材料的實際斷裂強度會接近材料的理論斷裂強度，不少學生還能聯想到工程材料課程中講述的碳納米管或石墨烯具有高強度可以用Griffith理論解釋。通過這種方法，可以鍛煉學生綜合運用所學知識的能力，同時學生也會對自己能用所學知識解決實際問題而感覺高興，激發了學習興趣。

（二）引入形象化教學，幫助學生理解

材料力學性能課程內容繁雜，比較抽象，尤其斷口形貌、微觀結構、變形過程與失效機制等很難通過語言來表達，學生理解起來相對困難。通過一些實物、圖片、動畫、視頻以及虛擬仿真實踐教學平臺等，將原來抽象、枯燥的知識形象化，可使學生易于理解和掌握，同時增大了教學信息量。如在講述裂紋尖端應力場時，由于學生無彈塑性力學的相關基礎，理解起來比較困難。通過有限元分析軟件Ansys將應力場模擬出來，可使應力分布一目了然。

（三）利用網絡平臺，實現以課內為主向課內外結合轉變

教師利用學校的Bb平臺、云教學平臺將教案、多媒體課件、作業、習題、專家講座以及重點難點內容制作的微課等資料等放在網上，一方面便于學生復習課上內容、教師及時了解學生對知識的掌握情況，另一方面也可通過平臺實現師生互動、探討問題，滿足學生答疑需求。

為了培養學生的實踐性、綜合性、創新性和團隊協作能力，我們開發了民用飛機及發動機維修虛擬仿真實驗教學平臺。該平臺基于“數字飛機及發動機”概念，運用三維軟件、動畫、視頻等形式將復雜的飛機及發動機結構形象地呈現在學生面前，使學生結合實物快速了解相關構造。材料方向以材料和結構力學為基礎，結合民用飛機的特點及飛機結構修理手冊中的實例，重點關注民用飛機在結構設計、維修及適航審定中涉及的材料及其力學問題和解決方案。目前已開發了航空發動機壓氣機葉片焊接修復、航空發動機渦輪葉片封嚴涂層修復及飛機復合材料機身挖補式修復三個虛擬仿真實驗教學項目。例如，航空發動機壓氣機葉片焊接修復工藝制定和適航審定中需要獲取材料在不同工藝下的組織—性能間的關系。然而葉片修復具有高成本、不可逆等特點，通過實驗獲取相關規律在教學中并不可行，而且有些參數如熱影響區力學性能并不能直接通過測試獲得，只能借助于物理仿真或數值模擬方法。因此，在該項目中以航空發動機壓氣機葉片修復為工程背景，圍繞其蘊含的材料“成分—工藝—組織—性能”間的關系這一科學問題，以實物演示輔助、運用虛擬仿真手段設計實驗、探究規律，并與典型試件的實驗結果進行對比驗證仿真結果的合理性。采用虛實結合、團隊研討等方式使學生掌握葉片焊接的修復工藝—組織—力學性能間的關系及在適航審定中的應用。這種“發散思維+數學建模+科學計算+實驗設計+參數優化+工程實踐”的培養模式，增強了學生解決復雜工程、實踐創新、團隊合作和溝通的能力。該虛擬仿真實驗教學平臺已經用于專業其他課程、大學生創新創業項目及畢業設計，受到了學生的好評。

三、優化考核方法，形成多元化考評體系

考試是教學過程的一個重要環節，考核評定模式對學生綜合素質的培養起到重要的導向作用。過去的考試方法比較單一，期末考試幾乎決定了學生一學期的成績，會導致學生對平時學習重視不夠、臨考突擊的現象，也很難綜合評定學生的自學能力、分析解決問題的能力以及動手能力等。因此，應采取綜合的考核方法，由單純的終結性教學評價模式向形成性和終結性相結合的教學評價模式轉變，由以結果評價為主向結果過程評價結合轉變。為全面反映學生的綜合能力，考試內容、方式也應具有多元性[14-16]。例如，期末成績由三部分構成，即平時成績（回答問題、作業、讀書報告）占15%、實驗占15%、期末考試成績占70%。其中，實驗成績單獨考核，如果實驗成績不及格，則總成績不及格。期末考試內容覆蓋每一章節，題型有填空、選擇、名詞解釋、計算和綜合分析題，其中綜合分析題來源于工程實際，需要學生發散思維，綜合運用所學知識進行創造性回答。這種綜合評定方式使學生更注重平時的學習積累，減緩了期末考試的壓力。同時，教師可通過對學生各部分的成績分析，得知在教學中哪部分應該改進，以提高后續教學效果。

四、結語

通過初步的教學改革與探索，在考試難度略有增加的情況下，學生的考試成績、出勤率以及評教分數比以前均有所提高。學生普遍反映課程條理清晰，教學內容豐富、新穎，教學方法得當，知識理解較容易，同時感到比較有趣。此外，該課程的教學改革也促進了教師教學水平的提高，加深了對學生的了解。

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[責任編輯：劉鳳華]