材料力學全英文教學的實踐與體會

劉劉

[摘 要]隨著高等教育國際化的發展，來華留學生的總體規模不斷擴大，留學生教育正逐漸成為我國高等教育的重要組成部分。材料力學是機械工程、航空與宇航工程專業基礎力學的必修課。北京理工大學對留學生的材料力學課程以全英文教學形式開設。筆者以北京理工大學已開展6年的材料力學全英文教學實踐為例，就教學大綱、教材選用、教學內容和目的、實驗安排及考核方式等方面進行探討，通過與中文材料力學教學模式的對比，提出優化和改進方案。

[關鍵詞]材料力學;全英文教學;教學改革

[中圖分類號] G642[文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）10-0054-04

為達到國家對高等教育“卓越化、國際化、研究型”的要求[1]，北京理工大學致力于培養具有國際視野和國際競爭與合作能力，在全球政治經濟、文化教育和科學技術領域具有卓越領導力的高層次國際化人才。全英文教學模式已成為國際化人才培養的重要途徑之一[4]。我校努力推進英文教學，已經初步構建了全英文教學體系[2-3]。經過6年的努力，北京理工大學來華留學事業取得了很大進步，外國留學生規模已經從數百名迅速增長到2400余名。

材料力學是機械工程、航空與宇航工程專業的基礎力學的必修課，我校對留學生的材料力學以全英文教學形式開設。本文以北京理工大學已開展6年的材料力學全英文教學實踐為例，就教學大綱、教材選用、教學內容和目的、實驗安排及考核方式等方面進行探討，并通過對比中文材料力學教學模式，提出優化和改進方案。

一、全英文材料力學教學模式

材料力學是工科高等學校機械類專業的一門主干技術基礎課，是聯系專業課和基礎課的橋梁。材料力學與生產及工程實際有著非常密切的關系。材料力學課程開設的主要目的是培養學生掌握材料力學的基本理論、計算技術與實驗技能，能夠解決工程領域中與強度和變形相關的基本問題。全英文材料力學課程是大學二年級上學期針對機械工程和航空與宇航工程專業的國際留學生開設的專業基礎必修課。面對來自于不同國家的國際留學生，課程采用全英文小班授課模式，課堂人數不多于32人。本課程課堂教學課時48學時，實驗課時8學時，合計3.5學分。教學采用全英文模式，包括全英文教案、板書、課后作業、實驗報告和考核。近6年來，機械和航空與宇航工程專業共計42人次必修并通過了全英文材料力學課程考核。

（一）全英文材料力學的教學大綱、內容和目標

參照歐美高校機械工程和航空航天等工程專業本科的教學計劃，全英文材料力學課程的教學大綱要求學生理解材料力學與先修課理論力學，后續課彈性力學、結構力學的區別和聯系;掌握變形體的基本平衡方程、相容方程和物理方程以及邊界條件;要求學生掌握桿件的強度、剛度及軸心受壓桿件的穩定性的計算。要求學生能運用強度、剛度及穩定性條件對桿件進行校核、截面設計及載荷確定等簡單分析計算工作;初步了解材料的機械性能及材料力學實驗的基本知識和操作技能。

全英文材料力學的教學內容包括：內力、內力圖繪制、應力、應變的基本概念，變形體應力-應變關系，掌握拉、壓桿件，受扭桿件，受彎桿件，受橫向剪力桿件的應力和變形分布特點以及受壓桿件的穩定性條件。教學目的：使留學生掌握基本桿件的應力和變形分析方法、強度校核基本理論和方法以及提高結構強度和剛度的設計理論，能夠熟練掌握典型靜不定桿件力法求解的基本思想和求解過程。

通過全英文材料力學課程的學習，要求學生具體達到如下目標：1.能夠掌握材料力學的基本概念、基本理論和基本桿件分析方法。2.通過實驗掌握材料力學的基本實驗方法（包括材料力學性能測定，用電測法測定應變和應力）。3.能夠熟練掌握材料力學中的全英文專業術語，熟練閱讀涉及固體力學的英文文獻，并能夠采用英文對材料力學中的基本知識點進行歸納、總結，并較深刻理解材料力學與其他力學課程的關系。4.能夠與機械工程、航空航天以及力學專業領域的同行及社會公眾進行交流，并具備一定的國際視野，能夠理解跨文化背景下的工程設計，包含文化習慣和工程標準及語言，并進行溝通和交流。

（二）全英文材料力學的教材

該課程針對攻讀機械工程和航空航天工程專業本科學位的國際留學生，由于學生的中文水平有限，全英文材料力學課程采用了經高等教育出版社授權于2004年影印出版的英文原版教材Mechanics of Materials（材料力學），作者為R.C. Hibbeler[5-6]。該教材作者在工程力學教育方面，做出了很大的貢獻。他編著的教材在美國和歐洲得到廣泛的采用，在國際工程力學教育同行中也得到了廣泛的認可和好評。采用這本教材，可為學生后續深造或與國際同行開展學術交流提供通用便利。該書重視基本概念、理論與方法的講述，思路清晰，層次分明，同時英語語言簡明易懂，論述嚴謹。書中每個重要章節、概念后面，均安排了重點總結;提出每個重要的解題方法后，都安排了解題步驟梳理，這些高度的概括小節對學生理解把握概念和分析方法起到了重要的作用，對學生學習掌握這門課程幫助很大[7-9]。該教材中例題非常豐富，由淺至深，與工程實踐聯系緊密，提高了學生理解和掌握解題方法與技巧的能力，另一方面也生動地揭示了材料力學這門基礎課在工程中的應用。

教學中還推薦采用James M. Gere和Stephen P. Timoshenko編寫的Mechanics of Materials（材料力學）第四版作為課程的參考文獻，該教材也是歐美普遍采用的材料力學教材，書中有大量的工程實際結構照片，便于學生理解材料力學課程對于工程設計的支撐作用。

（三）全英文材料力學的課程實驗

實驗課程為8個實驗教學學時，4個實驗包括韌性材料、脆性材料、桿件在復雜載荷下的變形以及壓桿穩定性試驗。實驗指導手冊采用全英文形式，并要求學生提交全英文的實驗報告和討論。

1.考核與教學效果評價

該課程以考核學生分析、評價和設計桿件的能力以及基本實驗能力達成為主要目的，考查學生對材料力學思想體系、各個重要知識點的掌握和應用能力，包括課堂提問、課后作業、實驗報告和期末考試4項內容。總評采用百分制，考核細則如下：

二、全英文材料力學課程的教學特點

全英文材料力學課程具有以下特點：對標歐美高校機械工程和航空航天等工程專業的本科教學計劃;強調工程應用和工程實踐;為各種產業、產品、過程的設計、計算與仿真、制造、試驗等提供材料力學系統知識;強調工程實踐訓練;尊崇中國文化和工程的交融與交流，學習過程中要求北京理工大學的國際留學生持續增進對中國文化的學習，增進跨文化交流能力;同時通過減少課堂教學課時，強調學習者的自學習能力培養，不斷學習和適應機械工程、航空航天工程以及工程力學相關領域技術和觀念發展、變化。

三、全英文材料力學課程實踐體會

針對國際留學生的全英文材料力學課程已經在北京理工大學開設了6年，筆者在這6年的授課實踐中全面比較了全英文授課模式和中文材料力學授課模式，充分挖掘了不同授課模式之間的優劣，得到了以下幾點教學實踐體會：

（1）從授課的課時數和教學內容比較，全英文材料力學采用歐美工程專業本科教育的常用教材，實施過程中課時數遠低于中文材料力學的課時數（機械工程、航空航天或工程力學專業的課時數≥72學時）。從教學內容上比較，二者最顯著的差別在于全英文材料力學教學內容中對剛架結構不做要求，但組合桿件和薄壁桿件的剪切應力、剪流分布是教學重點。而中文材料力學教學中桿件在橫向載荷下的剪切應力和剪流不作為教學重點，但剛架結構的彎矩圖和變形分析是教學重要內容。通過對比不同的教學內容發現，剛架結構將是后續結構力學中的重要教學內容，也是后續課結構力學中力法和位移法重點解決的內容，因此在前修課材料力學中不做要求，可避免過度重復教學，在全英文教學中不做要求更為科學合理。全英文材料力學將教學重點放在桿件受橫向載荷下的剪切應力分布、組合結構和薄壁結構的剪流分布，對于剪切強度低的材料，如復合材料等前沿材料以及夾芯梁結構等，剪切應力和剪流分布是其失效的重要因素，因此將部分課堂教學課時和教學重點放在剪切應力和剪流分布是必要的。

（2）全英文材料力學教材中每節后有小結、每章后有重點回顧，例題前有典型分析流程總結（如圖1所示[6]），這些回顧和總結對于學生梳理思路，把握要點和總結提高有積極的作用，可為材料力學中文教材和教案的編寫提供借鑒。

（3）全英文材料力學的教學強調分析、校核和結構設計在工程中的應用，且絕大部分習題來自于工程實踐，對培養合格的工程師非常有幫助。

（4）全英文材料力學教材中有約1/4的教學內容為提高性教學內容，不做必修要求，但又為具有學習潛力和興趣的學生提供了補充內容和資源，對挖掘學生的潛力和提高學生的自主學習能動性具有非常重要的作用。

（5）全英文材料力學中對于固體力學中重要的能量法教學內容安排少，層次低，不利于學生后續學習并掌握有限元分析方法這些力學工具，因此在后續的全英文教學實踐中建議在能量法章節中增加課堂教學學時數，安排單位載荷法和圖乘法等重要的教學模塊。

（6）面對網絡慕課等新興教學模式的沖擊，全英文材料力學也可以將慕課[10-13]和課堂教學、翻轉課堂等教學模式有機地結合起來，如要求學生課前通過慕課自學，課中通過做習題或口試等靈活的教學形式開展翻轉課堂嘗試。為了配合留學生的材料力學教學任務，我校率先開始了全英文材料力學MOOC建設，課程先導片如圖2所示。

實踐過程中為了減少純課堂授課課時，并強調學生自學習能力的培養，嘗試采用小班分組的教學形式，開展討論教學[14-15]。教學過程中充分鼓勵學生和教師、學生和學生之間進行互動，包括質疑，激發思想火花的碰撞。如“桿件的設計（Design of Beams and Shafts）”章節，教學中未采用傳統的課堂教學模式，不再單純地灌輸設計理論和講授教材中的例題，而是提出具體的設計要求（如以竹材為梁結構主承載材料，設計承載能力高的橋面板結構），要求學生主動利用網絡資源（如國內外高校的在線開放課程或其他網絡資源、論文數據庫等），主動尋找并研究竹材作為結構材料的力學性能，根據其力學性能特點，結合橋面板結構的受力特點，參考網絡資源上現有的設計方案，提出自己的設計思想和方案。雖然在教學實踐過程中，學生的方案通常采用現有的橋面板形式，未形成創新，但通過學生的分工協作以及積極充分利用網絡資源的主動學習，在梁和桿件強度設計和剛度設計思想方面，學生的材料力學理論聯系實踐能力和知識點綜合理解深度方面有所提高。這樣的課堂形式更為活潑，學生和教師之間的互動更為頻繁，對教師了解并掌握學生的對知識點的認知程度也有一定的正面作用。

（7）提高全英文材料力學教學實踐中的實驗環節，如新興前沿演示實驗的模塊。另一方面，隨著虛擬現實和仿真技術的迅猛發展，可充分利用我國在虛擬現實技術方面的優勢，將學生眼中“枯燥”的材料力學實驗，結合虛擬現實和仿真技術，轉化為佩戴虛擬現實眼鏡即可操縱的“虛擬材料力學實驗”。針對不同材料的力學性能，可結合仿真技術，使得學生在有限的空間和時間中可開展不同材料在不同載荷形式下的力學實驗，這對提高學生的學習興趣以及提升學校的科研和教學國際影響力將有顯著的幫助[16-20]。

四、結束語

大學國際化是當前各國大學辦學的重要課題。大學國際化強調大學應與國際一流大學接軌，包括建立交流與合作關系，開拓學校和學生的國際視野，拓寬大學的事業與境界，進而積累與提升國際學術聲望，獲得競爭優勢，為學生提供更廣闊的學習機會。全英文授課是大學國際化教育的必要手段。本文以北京理工大學已開展6年的材料力學全英文教學實踐為例，就教學大綱、教學內容和目的實驗安排、教材選用及考核方式等方面進行梳理和探討，通過與中文材料力學教學模式的廣泛和全面的對比，提出全英文材料力學教學模式的優化和改進方案。

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[責任編輯：鐘 嵐]