以工程教育認(rèn)證為導(dǎo)向的機(jī)制專業(yè)材料力學(xué)課程教學(xué)改革探索與實(shí)踐

李智慧

0 引言

材料力學(xué)作為高等院校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)的一門重要的核心課程，不僅為后續(xù)專業(yè)課程，如機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、機(jī)械制造基礎(chǔ)、機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)和機(jī)械工程材料等的學(xué)習(xí)提供必備的基礎(chǔ)理論支撐，而且在工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析中有著重要的應(yīng)用。在整個培養(yǎng)體系中，材料力學(xué)對學(xué)生工程意識與工程認(rèn)知能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與操作能力、人文社會科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)及分析解決實(shí)際工程問題能力的培養(yǎng)都起著重要的作用[1]。

工程教育認(rèn)證“以學(xué)生為中心，以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，以持續(xù)改進(jìn)”的基本理念與當(dāng)前高等工科教育中以課程為導(dǎo)向的培養(yǎng)模式有很大不同，以課程為導(dǎo)向的大學(xué)工科培養(yǎng)模式培養(yǎng)出來的學(xué)生雖然基礎(chǔ)扎實(shí)，但利用所學(xué)理論知識解決工程問題的能力不足，實(shí)踐中缺乏團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和工程意識，職業(yè)素養(yǎng)和社會責(zé)任感不足，而這些正是工程教育認(rèn)證所提倡和要求的。只有深入研究和挖掘每門課程的特點(diǎn)和各門課程對能力培養(yǎng)的聯(lián)系，才有可能培養(yǎng)出符合工程教育認(rèn)證理念要求的、能夠在國際上獲得認(rèn)可的人才。本文從以成果為導(dǎo)向的工程教育認(rèn)證的要求出發(fā)，根據(jù)我校材料力學(xué)教學(xué)模式的現(xiàn)狀和師生的特點(diǎn)，研究了通過材料力學(xué)課程教學(xué)改革，對學(xué)生工程認(rèn)知和力學(xué)建模能力、人文科學(xué)素養(yǎng)以及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與操作這三個方面能力的培養(yǎng)中可起到的重要作用，并提出了相應(yīng)的實(shí)施方案，從而為實(shí)現(xiàn)我校由以課程為導(dǎo)向的工程教育理念向以成果為導(dǎo)向的工程教育認(rèn)證理念的轉(zhuǎn)變提供一個切實(shí)可行的途徑，而且這些方案對教學(xué)硬件設(shè)施要求不高，可為其他高校工科力學(xué)基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革提供參考。

1 學(xué)生工程認(rèn)知和力學(xué)建模能力的培養(yǎng)

提高學(xué)生的力學(xué)建模能力和工程認(rèn)知能力是工程教育認(rèn)證的要求，也是為適應(yīng)當(dāng)今時代背景下的知識結(jié)構(gòu)體系變化的需求。目前大多數(shù)材料力學(xué)教材中的實(shí)例都是抽象的力學(xué)模型，學(xué)生并不了解這些力學(xué)模型是如何從實(shí)際工程問題中轉(zhuǎn)化而來的，這就導(dǎo)致了學(xué)生所學(xué)習(xí)的力學(xué)基礎(chǔ)理論與實(shí)踐認(rèn)知環(huán)節(jié)的脫節(jié)問題。

針對上述力學(xué)基礎(chǔ)理論與實(shí)踐認(rèn)知脫節(jié)的問題，我們著力從以下四個方面解決。第一，教師授課時增加了“如何抽象簡化力學(xué)模型”的內(nèi)容。與傳統(tǒng)授課內(nèi)容相比，我們在講授課程時采用了如下內(nèi)容：一是工程和生活實(shí)際的視頻或圖片，對工程問題進(jìn)行描述和解釋；二是力學(xué)模型的抽象與簡化；三是基本理論的推導(dǎo)；四是利用導(dǎo)出的基本理論和公式對抽象得到的模型進(jìn)行計(jì)算和分析。第二，教學(xué)中結(jié)合機(jī)械工程中常見工程實(shí)例進(jìn)行講授，例如，在講述基本變形部分的內(nèi)容時，分別以吊車的吊鉤、電動推桿等為例分析軸向拉伸和軸向壓縮變形桿件內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變；以鉚釘連接件和螺栓連接件為例剖析剪切和擠壓強(qiáng)度的工程近似計(jì)算方法；以機(jī)床傳動的主軸和汽車方向盤的操縱桿等為例分析受扭圓軸內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變及強(qiáng)度條件和剛度條件在機(jī)械工程中的應(yīng)用；以吊車大梁和汽車主軸為例分析彎曲變形桿件的強(qiáng)度和剛度；在講述組合變形部分的內(nèi)容時，以受到鉆削力作用的鉆床立柱為例，分析立柱的強(qiáng)度問題，以三軸數(shù)控銑床銑削平面和加工模具時的刀具主軸為例，分析主軸的強(qiáng)度和剛度問題；在講述穩(wěn)定性問題時，以螺旋千斤頂為例分析臨界力、臨界應(yīng)力的計(jì)算及合理的穩(wěn)定設(shè)計(jì)方案。這樣將機(jī)械工程的常見實(shí)例滲透到材料力學(xué)教學(xué)中，不僅能建立學(xué)生對抽象的材料力學(xué)知識與直觀的工程問題的關(guān)聯(lián)，也能提高學(xué)生對機(jī)械專業(yè)學(xué)習(xí)的主觀能動性。第三，將現(xiàn)行的大型有限元商用軟件ANSYS 引入到材料力學(xué)的課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教學(xué)過程中動態(tài)展示典型機(jī)械零件加載、變形直到破壞的全過程[2]。在講授四種基本變形和組合變形桿件的強(qiáng)度計(jì)算時，利用ANSYS 軟件顯示各基本變形和組合變形下的應(yīng)力應(yīng)變分布云圖，將理論與數(shù)值計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較，不僅加深了學(xué)生對理論推導(dǎo)過程中各種假設(shè)的理解，更能給予學(xué)生對解決工程問題形象而直觀的認(rèn)識。在講解應(yīng)力集中時，通過ANSYS 軟件顯示應(yīng)力集中部位的應(yīng)力應(yīng)變值，讓學(xué)生認(rèn)識到機(jī)械零件設(shè)計(jì)過程中應(yīng)力集中的重要性以及如何減緩應(yīng)力集中。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，利用ANSYS 軟件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，可反復(fù)觀察模擬實(shí)驗(yàn)過程中的各種現(xiàn)象及應(yīng)力應(yīng)變云圖的變化，做到深入透徹、舉一反三。第四，積極鼓勵學(xué)生參加各種課外競賽，應(yīng)用所學(xué)的材料力學(xué)知識支撐設(shè)計(jì)論證。學(xué)院鼓勵學(xué)生積極參加各種機(jī)械類和綜合類的大型賽事和創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目，例如，全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、機(jī)械測繪大賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”“挑戰(zhàn)杯”和大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目等。學(xué)生參加比賽完成項(xiàng)目時，從對項(xiàng)目主題的分析、建模時材料力學(xué)知識的運(yùn)用、到具體解決問題時每個細(xì)節(jié)的分析處理，在這整個過程中，其綜合應(yīng)用所學(xué)理論知識的能力、實(shí)踐能力、協(xié)作能力和自主學(xué)習(xí)能力等都能獲得有效的鍛煉。力學(xué)模型的抽象與簡化、工程實(shí)例的講授、工程軟件引入教學(xué)及綜合應(yīng)用材料力學(xué)知識進(jìn)行設(shè)計(jì)論證，這四個方面四位一體，形成培養(yǎng)學(xué)生工程認(rèn)知能力的有效機(jī)制。

2 學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)

目前材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中的常規(guī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如典型塑性材料低碳鋼和典型脆性材料鑄鐵的單軸拉伸、單軸壓縮和扭轉(zhuǎn)及梁的彎曲正應(yīng)力電測實(shí)驗(yàn)等，均為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只需按照指導(dǎo)書完成實(shí)驗(yàn)和處理數(shù)據(jù)即可，這不利于提高學(xué)生的知識運(yùn)用能力和工程分析能力[3]，也未能很好地體現(xiàn)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力及協(xié)作精神。從工程教育專業(yè)認(rèn)證的角度出發(fā)，我們在材料力學(xué)的實(shí)驗(yàn)部分，除了完成拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲等常規(guī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目外，還根據(jù)目前的實(shí)驗(yàn)硬件和學(xué)科的研究方向，增開一些基于科研項(xiàng)目和工程背景的開放性或創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。如，當(dāng)前出現(xiàn)的很多新型復(fù)合材料在機(jī)械工程中有著廣泛的應(yīng)用，其力學(xué)性能與常見金屬材料差異很大，同時學(xué)科有相關(guān)研究項(xiàng)目的支持，因此開設(shè)了新型復(fù)合陶瓷材料、功能梯度材料等新材料的高低溫拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求學(xué)生提前自學(xué)實(shí)驗(yàn)的原理、設(shè)備的性能和操作規(guī)程，根據(jù)需求設(shè)計(jì)試樣尺寸形狀和實(shí)驗(yàn)夾具卡具，制定實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)過程，處理數(shù)據(jù)，綜合分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這樣既能使學(xué)生更深入地掌握材料力學(xué)知識，也能提升其實(shí)踐能力，培養(yǎng)其創(chuàng)新意識。

機(jī)制專業(yè)課中的機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、機(jī)械制造基礎(chǔ)、機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)和工程材料等都涉及材料力學(xué)知識，材料力學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置不僅要基于科研項(xiàng)目和工程背景，更應(yīng)注重與這些后續(xù)課程內(nèi)容上的配合和銜接，例如，變截面軸的設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)課程中非常重要的內(nèi)容，而變截面軸的強(qiáng)度和剛度計(jì)算的理論基礎(chǔ)都應(yīng)在材料力學(xué)課程中掌握理解透徹，實(shí)驗(yàn)課程中可以進(jìn)行變截面圓軸實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的初步講解和滲透，有意識地將材料力學(xué)與后續(xù)專業(yè)課聯(lián)系，加強(qiáng)學(xué)生對材料力學(xué)基本理論的應(yīng)用。

3 學(xué)生人文科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)

以成果為導(dǎo)向的工程教育認(rèn)證理念強(qiáng)調(diào)學(xué)生人文科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，為此，我們從材料力學(xué)發(fā)展史的角度，在掌握基本理論的基礎(chǔ)上，提高學(xué)生的批判性思維能力和人文科學(xué)素養(yǎng)。教學(xué)過程中，引導(dǎo)學(xué)生查閱力學(xué)史資料，整理某些典型的基本理論誕生的時代背景、工程背景及當(dāng)時的科學(xué)發(fā)展水平，體會對基本理論有過重大貢獻(xiàn)的力學(xué)家的科學(xué)精神，尋找他們所采用的研究方法和所獲得結(jié)論的不完善之處，探索導(dǎo)致不完善的因素。教學(xué)過程中給學(xué)生理清材料力學(xué)基本理論的發(fā)展脈絡(luò)，結(jié)合學(xué)生閱讀力學(xué)史相關(guān)資料的體會，激發(fā)他們的求知欲。通過增加力學(xué)前輩們探索理論的時代背景、工程背景、曲折過程、科學(xué)素養(yǎng)以及導(dǎo)致某些理論不完善甚至錯誤的原因等，以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)及其勇于接受探索過程中出現(xiàn)挫折和失敗的創(chuàng)新意識、職業(yè)道德和社會責(zé)任感等基本素養(yǎng)。在教學(xué)過程中重現(xiàn)理論的探索發(fā)現(xiàn)和發(fā)展的過程，能夠從方法論的角度逐步引導(dǎo)學(xué)生提高創(chuàng)新思維能力，這也是當(dāng)前以成果為導(dǎo)向的工程教育認(rèn)證的要求之一。

4 結(jié)語

根據(jù)以成果為導(dǎo)向的工程教育專業(yè)認(rèn)證要求，針對我校目前材料力學(xué)教學(xué)中存在的實(shí)際問題，在教學(xué)過程中通過力學(xué)模型的抽象與簡化、工程實(shí)例的講授、工程軟件引入及綜合應(yīng)用材料力學(xué)知識進(jìn)行設(shè)計(jì)論證，培養(yǎng)學(xué)生的工程認(rèn)知能力和利用所學(xué)知識解決實(shí)際工程問題的能力；從力學(xué)史的角度，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感和工程職業(yè)道德等人文科學(xué)素養(yǎng)；通過基于科研項(xiàng)目和工程背景的開放性或創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開設(shè)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識。通過上述方案的實(shí)施，為實(shí)現(xiàn)我校由課程導(dǎo)向的工科人才培養(yǎng)模式向由成果導(dǎo)向的工程教育認(rèn)證理念下的人才培養(yǎng)模式的轉(zhuǎn)變提供一條可行的途徑。