基于專業認證及縮減課時背景下的《材料力學》課程教學研究

【摘?要】工程教育專業認證是深化高校工程教育改革和質量保證體系建設的重要舉措，縮減課程學時數是學生減負和發揮學習主體能動性的必然選擇?！恫牧狭W》是巖土工程專業的核心課程，本文針對其課程目標、主要內容、教學方法和課程考核進行了研究，以期用較少的課時教學活動達成工程教育專業認證的要求。

【關鍵詞】材料力學;工程教育認證;教學改革;巖土工程

Abstract：Engineering education professional certification is an important measure to deepen the reform of engineering education in universities and the construction of the quality assurance system. Reducing the number of course hours is an inevitable choice for students to reduce the burden and give full play to the initiative of the learning body. Material mechanics is the core course of geotechnical engineering. This article studies its course objectives，teaching content，teaching methods and course assessment methods，in order to achieve the requirements of engineering education professional certification with less teaching activities.

Key words：material mechanics;engineering education certification;teaching reform，Geotechnical Engineering

在《高等數學》、《大學物理》、《理論力學》等相關前期課程的學習基礎上，一般的工科本科專業都需進行《材料力學》課程學習。材料力學更是土木工程專業一門重要的專業技術基礎課，它是后期結構工程專業學習《結構力學》，巖土工程專業學習《土力學》的重要基礎課程，也是后期《載荷設計》、《鋼筋混凝土結構設計原理》等課程學習的重要理論依據，因此必須對《材料力學》進行嚴格的教與學。但在減負減學時前提下，如何保證該門課程的教學質量及課程目標能較好的滿足巖土工程專業培養目標要求，是個值得深入探究的課題。本文在學習相關課題研究成果的基礎上[1，2，3]，參考《工程教育專業認證通用標準（2018版）》要求，結合我校巖土工程專業人才定位、以及《材料力學》教學體會對該問題加以簡單探討。

1、巖土工程專業的《材料力學》課程目標探討

工程教育認證倡導“以學生為中心，以人才培養目標為導向，持續改進為目的”的教育理念，既以學生全體為對象，以畢業生應具備的各項工程實踐能力為目標，用以組織各項教育教學活動，并加以不斷持續改進。它是畢業生走上工作崗位后，能夠很快成為解決工程實踐問題的專家的教育保證。我校巖土工程專業的人才培養目標是一線土木工程師，進而研究確定了該類人才應具備的能力構成，進一步通過專家訪談、結合用人單位意見、學院學術委員會意見和授課教師意見，最終確定了我校巖土工程專業畢業生應具備的能力指標點體系，其中《材料力學》對應四個畢業要求的指標點，因此也就確定了《材料力學》有以下四個課程目標：課程目標1：提高學生對高等數學、大學物理、理論力學等課程相關內容的理解和應用水平，掌握材料力學的基本理論和方法，能夠分析、解決一些簡單的土木工程實際問題，如構件的強剛度計算，壓桿的穩定性計算。課程目標2：對于具體的土木工程構件，要求學生能夠應用物理、數學知識和材料力學原理，如幾何模型的抽象，約束的簡化，載荷的簡化;又如原始尺寸法、平面假設、強度理論的應用，以準確表達構件變形形式。課程目標3：能夠基于材料力學的基本原理，如材料的力學性能，變形類型及相應的內力分布特點，應力分析和強度理論等，分析復雜工程構件問題的解決方案。課程目標4：熟悉萬能試驗機的功能，初步領會其工作原理，掌握其操作流程、應變片粘貼和連接、應變儀的使用，確定驗證材料力學相關理論正確性的試驗方案，搭建實驗，領會實驗流程并操作儀器，采集數據，形成報告。

2、《材料力學》的教學內容及課時探討

作為一門獨立的學科課程，必然具有其獨特的學科價值，也必承擔著推動學科自身發展的使命;作為一門專業基礎課，其又承擔著承上啟下、特別是啟下的課程作用。在國家加大大學辦學自主權的宏觀形勢下，以教育部學科高指委頒布的《材料力學本科教學大綱》為藍本，各高?？梢愿鶕陨磙k學定位，制定符合本校專業人才培養目標的合理教學內容，關于合理的課程體系及教學內容的探討從未停息[4]，在此認為，一本院校合理的教學內容應該是在基本保留《材料力學》自身學科價值的同時，更要能體現作為專業培養課程體系一環的專業基礎價值，方能達成人才培養目標所規定的《材料力學》課程目標，所以合理的教學內容和課時主要是由這兩方面決定。

2.1《材料力學》的學科價值

法國人納維埃于1826年出版了一部以《材料力學》命名的著作，該著作明確以桿件的強度、剛度為研究對象，應用其他學科從未用過的研究方法，既從幾何關系、物理關系及靜力關系三方面協同解決變形體的力學問題，從而將人類對該問題的認識從文藝復興之前的經驗主義泥潭中帶了出來，同時也一舉奠定了《材料力學》的作為固體力學鼻祖學科的學科地位。即使是現代的固體力學，如彈性力學，彈塑性力學，甚至是有限元技術等，所運用的主要力學理論研究方法仍然是這三個層次，只是上升為平衡、幾何偏微分方程及本構關系。

2.2《材料力學》對巖土工程專業的價值

雖然《材料力學》中基本變形的理論成果都是基于平面假設得到的，屬于一門實用學科，但其概念明確，理論結果簡單，應用起來自然方便。巖土工程專業課程體系涉獵廣泛，對力學基礎要求相對較高，《材料力學》的內容及特點可以較好滿足本科生較快進入專業學習。如內力圖的快速繪制是學習《結構力學》及《房屋建筑學》等課程的基本功，熟悉材料的力學性能是計算結構極限載荷的基礎，應力分析及強度理論是《土力學》分析承載力及穩定性的重要理論依據，剪切與擠壓是基礎設計及結構連接強度計算的基礎，材料力學中得到的內力分布規律是學習《載荷設計》及《鋼筋混凝土結構設計原理》等課程的重要理論基礎，總之，《材料力學》在巖土工程專業中的作用可以說是無處不在。

2.3合理的教學內容與課時探討

由上述討論可見，學生通過該門課程的學習，不僅要會對桿件進行剛度、強度、穩定性計算，還需對材料的力學性質，點的應力狀態和強度理論有較為深刻理解;其次，鑒于巖土工程專業的《結構力學》中，力法重點是莫爾積分法，而對非線性材料只能使用單位力法，可原力系作用下的微變形位移需隨時推導，再者《結構力學》研究對象絕大部分限制于桿件，所以能量法中，對于非線性材料的一般構件（不一定是桿件），顯然內力直接求偏導的卡氏定理用著更為方便，所以卡氏定理需要講;最后，建筑構件中承壓情況很多，所以歐拉公式也需講授。鑒于《材料力學》為巖土工程專業核心課程，其課時為優先滿足課程，所以合理的教學內容及課時為：軸心拉伸（壓縮）變形及材料性能（8h），扭轉變形（6h），彎曲變形（14h），剪切和擠壓變形（2h），應力分析理論（4h），強度理論（2h），組合變形（6h），壓桿穩定（3h），應變能及卡氏定理（6），相應的課程實驗主要是利用萬能試驗機進行拉壓，扭轉，純彎曲，測E和G實驗，以及開放性自主試驗。

3、《材料力學》教學理念和方法的探討

我國高校的教學理念主要是受前蘇聯的教學理念的影響，即偏向于學科教育，主要關注知識傳授和學科內涵的建設。然而，工科專業最終必須面對具體的工程實踐的檢驗，尤其巖土工程往往都是百年大計的工程，投資大，建設周期長，使用壽命長，所以降低建設成本，保證施工及交工后的使用安全至關重要;再者，中國土木工程走向世界是發展大勢所趨，所以我們培養的土木工程人才理應是專業知識武裝起來的、能夠解決工程實際問題的、且能夠被世界認可的專業人才。所以，巖土工程專業的材料力學的教學理念，一方面要繼續重視理論的推演和知識的傳承，更要重視知識所挈帶的能力內涵的拓展和培養，以達成課程目標和最終的人才培養目標。

教學方法雖然可以千變萬化，甚至每個教師都可以有自己的方法和風格，但萬變不離其宗的一點是，該方法必須有利于教學目標的達成。較好地實現《材料力學》的學科價值和專業價值，是達成《材料力學》課程目標的必充條件，因此該門課程較為理想的教學方法是：首先要讓學生明白解決固體力學問題的一般方法、或者說是思想，既從幾何關系、物理關系和靜力關系三方面考慮固體力學問題，課程中這種思考方法的宏觀體現是在各種基本變形內力分布規律的理論推導環節，這一思考方法的細微用處可能小到回答一個小問題、甚至是一個小填空題。所以前面講述基本變形的幾章可以圍繞這個主題展開來講。其次，材料力學是學生遇到的第一門變形體力學，所以應讓學生逐步加深明白什么是物體變形，為此，可以多對照物體位移，多關注求解或者推導應變的變形圖繪制。再次，摩爾的應力分析理論是《材料力學》的重要理論精華，在整個固體力學中有不可替代的學術地位，強度理論屬于塑性力學的范疇，也是重點和難點。以上諸點共同構成了材料力學的學科價值和專業價值，也是各項教學活動、任何教學方法都需以特別關注的重點。

4、《材料力學》考核方法的探索

由前述材料力學的課程目標可見，與傳統學科培養模式下的課程目標比較，二者顯然有巨大差別，主要表現在提高了對土木工程專業能力培養的要求。而能力只有通過不斷的實踐方可得到提高，同樣學生的能力也只有在教育教學過程中才能顯示出來，才能被全面客觀的評價。所以，目標導向下的材料力學考核方式及內涵應該有所調整。

傳統的材料力學課程考核方式是：A期末考試占總成績的70%，主要由期末考試的卷面成績決定;B平時成績占總成績的 20%，主要是由學生的出勤和作業情況決定;C實驗成績占比為10%，主要由學生的實驗報告決定，由上述三方面構成課程總成績。不難看出這樣的考核方式，過于看重結果而忽視了學習過程，造成的結果是相當一部分學生平時不用功，課上不好好聽，課下抄作業，考前搞突擊，60分萬歲。

因此，考核改革總的思路是：A注重學習過程的考核，且考核的重點除了關注知識的掌握程度，更要關注應用知識的能力，尤其是相關的工程實踐能力的表現。B增加材料力學大作業環節，以鍛煉解決綜合性工程實際問題的能力，C提高實驗成績占比。具體的總評成績構成為：期末占20%，平時60%（課后作業+大作業+課堂表現+考勤），實驗占20%。

總之，通過多年來的不斷探索和努力，我校巖土工程專業得到專業認證組專家的肯定，《材料力學》教育教學也經受住了考驗，尤其是通過成績考核內涵的的改革，不僅滿足了專業認證的核心要求，更是得到了大部分學生認可，也極大調動了學生平時學習的積極性。

參考文獻：

[1]張曉亮，武春霞，楊文姝，王彥明. 工程教育專業認證背景下材料力學性能課程教學改革研究[J]. 廣東化工，2020（22）：182-183.

[2]陳平.專業認證理念推進工科專業建設內涵式發展[J].中國大學教學，2014（1）：42-47.

[3]王懷文，計宏偉 .卓越工程師計劃下工科專業材料力學課程教學改革[J]. 中國冶金教育，2020（6）：42-44.

[4]王明祿.材料力學課程知識體系調整研究與實踐[J].中國教育技術裝備，2017（22）：90-92.

作者簡介：

劉新龍，1965年8月出生，男，漢族，西安工業大學建筑工程學院副教授，主要從事巖土工程教研工作。