面向新工科建設的材料力學課程內容優化設計

林遠東 劉丹丹 盧小雨 張宏學

摘 要：材料力學以“四大基本變形”和“組合變形”的強度計算、變形計算及壓桿的穩定性為目標內容。對比發現，傳統教法中復雜應力狀態下“基本變形”的強度條件和“強度理論”的強度條件不一致。基于新工科建設對通識課程的要求和理順材料力學各章節內容的關聯性，將材料力學授課內容進行優化設計：根據各個知識點的關聯性安排授課內容及順序，使章節和節次間的內容環環相扣、層層推進，符合一般到特殊的認知規律，形成一個具有嚴密邏輯的完整教學系統;將實驗環節和理論教學合二為一，提高課時的利用率，為課程學時的精簡提供了可能。由現象到本質、經邏輯演繹上升到理論高度而獲得相關理論的教學模式，有助于培養和提高學生的科研素養，符合新經濟條件下“新工科”建設的要求。

關鍵詞：課程內容優化; 教學改革;材料力學;新工科

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 收稿日期：2019-04-08 文章編號：1674-120X（2019）23-0114-02

一、引言

我國在2016年成為《華盛頓協議》的第18個正式成員。2017年教育部啟動了“新工科”發展研究工作，同年形成了“復旦共識”“天大行動”及“北京指南”，為新時期我國工程教育改革指明了方向。

新工科建設將目光聚焦在畢業生的基本素質上，要求畢業生基礎寬厚、扎實，專業知識精、深，具有獨立自主知識產權的設計和研發能力，這勢必導致包括力學課程在內的基礎課程學時受到削減。力學課程作為“新工科”的通識課程，要求工科從業人員具備扎實的力學計算和分析能力，以適應新經濟對創新型人才的需要。力學教育工作者須以培養學生的力學思維和創新能力為目標，通過梳理課程的組織構架，提煉力學思維;以力學思維培養為導向構建新工科力學通識課程的教學體系，提高學生嚴密的邏輯思維能力和創新能力。這些目標的實現，需要力學教育工作者積極構建學時少而內容精練的教學內容。

二、材料力學傳統教法及不足

材料力學課程內容常見的設置順序為：“緒論”→“基本變形”→“應力與應變分析”→“強度理論”→“組合變形”→“壓桿穩定”→“能量法”→“動載荷”→“交變應力”→“超靜定結構”，本文稱之為傳統教法（如圖1所示）。

由圖1可見，傳統教法涵蓋內容較多，其中“基本變形”包括軸向拉（壓）、剪切和擠壓、扭轉、彎曲四種變形，常稱為“四大基本變形”。目前國內各高校根據各專業培養目標的不同，本課程學時安排不一，常見的有70學時和80學時（一般含實驗6～10學時）。其中，動載荷、交變應力和超靜定結構這些章節內容，可根據專業情況和學時安排選講或不講。

傳統教法在內容的安排上，是一個由淺入深的漸進過程，符合認知規律的要求，但其邏輯性不強。在“緒論”中交代了基本假設和應力與應變的概念后，依次安排“軸向拉（壓）”“剪切和擠壓”“扭轉”和“彎曲”這“四大基本變形”的應力和變形計算。在講述“四大基本變形”的章節中進行強度計算時，若構件橫截面上只有正應力而無切應力時，對應的強度條件為

若構件橫截面上只有切應力時，對應的強度條件為

對構件的橫截面上既有正應力也有切應力，在進行強度計算時則要求式（1）和式（2）同時滿足。

然而，在傳統教法的“強度理論”中，對單元體上既有正應力也有切應力的復雜應力狀態，介紹的四個強度理論的強度條件如下：

通過前后內容的對比分析，發現“四大基本變形”中除了“軸向拉（壓）”的應力狀態為單向應力狀態，其余變形情況往往是復雜的應力狀態。對這些復雜應力狀態，傳統教法在“基本變形”部分進行強度計算時是按式（1）和式（2）來處理的，而“強度理論”部分卻是按式（3）～（6）進行的，前后不一，無邏輯性可言。另外，在新形勢下材料力學課程的學時數有可能還會被削減。因此，在新形勢下面向新工科建設的要求，力學教育工作者應著手構建符合學時少、內容精練和具有嚴密邏輯性的系統教學內容。

三、材料力學內容的優化設計及其特點

（一）優化設計的材料力學教學內容

以已立項項目所擬定的目標為推力，比較目前在各高校材料力學教學中用量較大的教材內容，并根據新工科建設的內在要求，整合項目研究的階段性成果，就材料力學的教學內容進行優化，為廣大力學教育工作者在教學內容的安排上提供參考和借鑒（如圖2所示）。

由圖2可見，經優化設計后，擬定的材料力學教學內容及順序為：“緒論”→“應力應變分析”→“強度理論”→“基本變形”→“組合變形”→“壓桿穩定”→“專題”。“專題”部分可根據專業特性和學時情況選講或不講，以適用、夠用為原則，僅設置能量法和動載荷內容;把重點放在“基本變形”“組合變形”及“壓桿穩定”這些內容上。“緒論”“應力應變分析”及“強度理論”則為重點內容的理論鋪墊;強調掌握基本概念、基本理論和基本方法。

（二）優化后材料力學授課內容的主要特點

1.優化設計的內容嚴格遵循一般到特殊的原理，各章節間具有嚴密的邏輯性和關聯性

“緒論”介紹變形固體的基本假設及應力、應變的概念，在此基礎上安排“應力應變分析”;“應力應變分析”又是“強度理論”的知識鋪墊，且“應力應變分析”和“強度理論”又為“基本變形”和“組合變形”在進行強度計算時提供了理論基礎。如此這般設置，不會出現傳統教法中前后內容不一致性和邏輯性不強的情況;“壓桿穩定”則論證了結構要正常、安全地工作，除了滿足強度、剛度的要求外，還需滿足穩定性方面的要求，形成了一個完整的系統。

2.優化設計的內容具有典型的行知合一性

材料力學課程設有實驗環節。傳統教法往往是先安排學生學習理論知識之后，再進入實驗室完成相關實驗，從功能的角度，實驗具有驗證性兼測試相關物理量的功能。然而，相當比重的理論知識是通過實驗現象和系列假設的基礎上提煉升華演繹而來。故傳統教法不符合認知的一般規律，屬本末倒置。優化設計的內容，摒除了傳統教法在實驗和理論教學環節脫節的現象，將實驗環節和理論教學合二為一，大大提高了課時的利用率，為課程學時的精簡提供了可能;將傳統的驗證性實驗轉換為探索（研究）性實驗，即在“基本變形”部分先安排相關實驗，用觀察到的實驗現象引導學生進行歸納總結，經邏輯演繹上升到理論高度而獲得相關理論。這種由現象到本質的教學模式，有助于培養和提高學生的科研素養。

四、 結語

對材料力學課程的授課內容進行優化設計，根據各個知識點的關聯性安排授課內容及順序，使章節和節次間的內容環環相扣、層層推進，符合一般到特殊的認知規律，形成一個具有嚴密的完整教學系統;將實驗環節和理論教學合二為一，提高了課時的利用率，為課程學時的精簡提供了可能;由現象到本質、經邏輯演繹上升到理論高度而獲得相關理論的教學模式，有助于培養和提高學生的科研素養，符合新經濟條件下“新工科”建設的要求。

參考文獻：

[1]中國正式成為《華盛頓協議》第 18 個正式成員[EB/OL].http：//www.Cankaoxiaoxi.com/edu /20160602/1179860.shtml.2016-06-02.

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