應用技術型大學材料力學課程教學改革與實踐
——以北部灣大學為例

孫 騰 何永玲 魯 娟＊ 潘宇晨 吳 飛

（北部灣大學機械與船舶海洋工程學院，廣西 欽州 535000）

0 引言

材料力學是工程類學科極為重要的一門基礎課，是研究材料在各種外力作用下產生的應變、應力、強度、剛度、穩定和導致各種材料破壞的極限。在大學四年的本科教學中，主要涉及的課程包括高等數學、概率統計、材料科學基礎以及計算機仿真技術等內容。在我國由制造大國向高端裝備轉型的大背景下，培養具有堅實力學基礎的工程技術人才，對研發高端科技裝備的穩定性與可靠性具有重要意義。在材料力學的教學改革過程中，如何提高學生對該課程的學習興趣，調動學生主動學習的積極性，提高他們的分析問題、解決問題的能力，是應用技術型本科教育亟待解決的重要問題。本文以北部灣大學機械與船舶海洋工程學院的材料力學課程改革為例，詳細闡述了材料力學課程中存在的問題和教學改革措施。

1 材料力學課程教學中存在的問題

材料力學課程在教學過程中還是存在著很多問題的。首先，就材料力學課程而言，具有課程涵蓋科目廣；力學基礎概念、公式較多，難以記憶；書本內容抽象，學生理解困難；面對實際工程問題，學生很難應用書本內容對問題簡化，建立準確的力學模型。以北部灣大學機械與船舶海洋工程學院的學生為例，在學習材料力學課程授課前，筆者初步統計，還有30%學生在理論力學、材料工程、高等數學等基礎課程中掛科，導致后續授課過程中涉及到前面所學習的概念和知識點時，部分原本就未理解的學生學習起來更為困難，進而影響后續內容的深入學習。其次，就任課教師而言，材料力學作為一門傳統工科類基礎課程，需要應對學科枯燥、學生基礎參差不齊、力學理論過于抽象等困難，在教學實踐中，教學手段較為單一，通常按照“制訂教學計劃—利用多媒體講解教材內容—安排課后作業鞏固”的傳統模式進行教學，遵循這種標準流程雖然能夠按時完成教學任務，卻很難做到理論聯系實際。此外，對于學生的學習效果的評定也嚴重依賴平時作業和期末考試分數。除此之外，由于學生數量較多，而專業的材料實驗設備較少，導致學生實驗動手能力偏弱。最后，就學生而言，雖然能夠利用材料力學書本中的計算公式完成教師布置的作業，但并沒有對公式進行理解和拓展，導致學生簡單地將材料力學課程認為是一門“背公式課程”，嚴重影響學生在將來的實際工作中，將知識活學活用的能力。綜上所述，可將材料力學課程教學中存在的問題歸納為四點：（1）學生基礎偏弱，教學內容和教學進程需要調整；（2）教學方式傳統，未能迎合時代潮流；（3）實驗內容不夠豐富，學生動手能力偏弱；（4）評價標準過于單一，缺乏全面完善的考核模式。

2 材料力學教學改革措施

2.1 進一步明確培養人才的目標

2.1.1 應用型人才培養

目前，我國制造業正處在快速發展階段，急需大量的專業技術人才，而培養這些專業人才的任務主要集中在高校身上。在這些高校中，絕大多數都是以培養應用技術型人才為主。以筆者所在的北部灣大學為例，學校的定位是建設一所高水平的應用技術型大學。在現階段中國教育的背景下，應用技術型大學是區別于研究型大學以及當前高職院校的一種辦學類型。應用型大學培養的學生，動手能力強于研究型，理論基礎和專業能力又強于高職院校。在材料力學授課過程中，應側重三個“用”的能力，即學生的動手測試材料力學行為的能力，面對實際工程問題應用力學原理進行分析的能力和給出最終解決方案的能力。

2.1.2 科研型人才培養

在北部灣大學的施教過程中，雖然絕大多數同學都會進入生產或設計一線崗位，但也有一部分同學希望進一步深造，增強自己的科學研究能力。不同于應用型人才的培養方案，科研型人才的培養則更側重于“這個公式是如何提出的，公式的計算原理是什么，是否能夠根據具體的工況進行改進，并提出新的公式”。同時，在具體的教學過程中，也更側重于問題的本質，即“為什么會存在這樣的問題”“這個問題到底是哪一類問題”“這類問題會產生什么樣的結果”。在教學中明確了科研型人才的培養目標，從而合理組織開展教學互動環節，激發他們的創造性思維。

2.2 豐富教學手段

2.2.1 加深基本概念理解、明確公式應用范圍

筆者發現，在材料力學的授課過程中，通過將材料力學中的重點概念集中講解，有利于學生對后續公式的理解。強調公式中各變量的關系及各材料參數的物理意義可以有效加深學生對公式的理解。材料力學中涉及很多復雜公式，以往學生大都是對公式生搬硬套，并不理解實際公式的前提條件和所應用的具體范圍。大多數學生往往在考試前通過“連夜突襲”的方式對考試中重點涉及的公式進行記憶，這導致“考完即忘”的不利后果，嚴重影響后續課程的學習。因此，通過分組討論公式的具體含義，引導學生獨立思考，有利于減少學生對復雜公式的恐懼，對激發學生的創新思維和獨立思考能力有著重要作用。在與學生的活動環節中，將布置的課后作業與實際的工程案例相結合，通過“提問+討論”的方式，將所學的基本概念、計算原理與實際工程中失效零部件相融合。學生在互相提問“是什么原因導致的零部件失效”“涉及了哪些材料力學中的概念”“針對這種工況應選用何種計算公式來評估材料的失效原因”等具有啟發式的問題，夯實了材料力學課程所涉及的基本概念，為以后的課程學習打下了堅實的基礎。

2.2.2 計算機仿真技術與材料力學相結合

隨著計算機仿真技術的飛速發展，利用計算機對實際工程問題進行力學仿真，已成為解決工程實際問題的有效途徑之一。常用的力學分析軟件如ANAYS，ABAQUS，MATLAB已成為應用較為廣泛的有限元分析和數值求解軟件。這些軟件中兼容了大量的材料力學數學模型，這些模型可以為工程實際生產中，產生的材料失效行為做出預判。在材料力學授課前，可先將本節課涉及到的重點概念與目前當下主流的有限元仿真軟件相結合，通過對力學模型的提煉（如圖1所示），對簡化后的力學模型進行有限元分析，可以得到應力、應變、MISES應力等力學量的分布云圖（如圖2所示），將復雜抽象的力學量以計算機圖形的方式展現給每一位學生。同時，軟件的二次開發也為學生提供了一個平臺，通過對現有公式的理解，可以將自己提出改進的公式編程，并驗證自己的想法是否合理。在材料力學的教學工程中，應充分利用學生對計算機軟件的興趣，合理的利用計算機與網絡多媒體資源，將材料力學中的概念可視化、工程化。這極大地提升了學生工程分析能力和科學研究能力。

圖1 力學模型的簡化

圖2 有限元模擬仿真結果-Mises應力云圖

2.3 依據材料力學知識，探討實際工程問題

2.3.1 充分利用中、外數據庫進行調研

傳統式的以教材為中心的授課模式，很難滿足學校對應用技術大學的要求，尤其是以教師為中心的“一言之堂”的授課模式很難培養學生獨立思考和創新能力。常見的課堂討論與分組匯報的模式，雖然能夠帶動課堂氣氛，促使學生主動思考問題，但如何引入一種以實際工程問題為依托的教學模式急需在應用技術大學的課堂上有效展開。對教師而言，在實際備課的過程中，教師可以通過文獻查閱，如知網、萬方、Web of Science和Elsevier Science等中英文數據庫中搜集有關材料力學在實際應用場景中的大量圖片來引導學生解決實際問題的能力。對學生而言，學生需要對教師在課堂上提出的工程問題，從材料制造工藝、材料力學、數學建模的角度進行全面闡述，這有利于學生對所學過內容進行全面梳理，也能增強學生對力學、材料、數學、有限元等方面的興趣與探索欲，由被動接受知識轉變為主動學習的良好循環教學模式。

2.3.2 豐富實驗內容，提高學生動手能力

在注重工程背景的同時，也需要重視增加材料力學的基本實驗，培養學生的動手能力。如材料力學中低碳鋼和鑄鐵試件的力學測試實驗，兩種不同材料展示出了不同的斷裂失效形式。通過讓學生比較兩種材料的斷口形貌，回顧金屬工藝學、材料科學基礎等相關知識，并提出如何從材料的宏微觀角度，解釋低碳鋼和鑄鐵試件不同的失效原因。通過矩形截面梁在純彎曲狀態下橫截面上的正應力實驗，能夠觀察到梁在純彎曲時橫截面正應力的大小以及分布規律。學生通過材料力學數值估算和有限元軟件建模分析，檢驗計算結果與實驗結論是否一致，這一過程很大程度上增強了學生理論聯系實際的能力。在動手操控實驗設備的過程中，掌握拉伸實驗機、材料的疲勞性能測試、扭矩實驗、引伸計、電阻應變儀等設備的基本工作原理及使用方法。通過對這些實驗設備的使用，有利于培養學生的動手能力，掌握基本的材料性能測試原理，有利于學生奠定堅實的材料力學測試基礎。

2.3.3 構建科學、多樣化的評價體系

豐富教育教學方式，合理調整考核體系是調動學生積極性的有效手段之一。不同于傳統的課程考核形式，筆者將材料力學的教學成果評價體系分為了三大部分：（1）平時成績分數主要包括學生能夠按照自己的理解闡述材料力學中的基本概念。在同學之間的互動環節中，能否從材料力學的角度解釋材料及結構失效的原因并舉出教材中力學公式的局限性；（2）課后作業包括兩部分，一部分是數值理論計算，另一部分是通過有限元計算得出結構的受力云圖，并結合有限元的分析結果寫出分析報告，詳細闡述力學模型的構建、材料力學本構模型的選取以及結構的危險截面的優化方案。（3）筆試在原有考試內容的基礎上，增加了實際工程案例論述題。學生需要通過材料力學的原理，從工程案例中提煉出力學模型，闡述結構失效的原因，通過課堂上講授的材料力學公式，估算出結構關鍵部位的受力情況。

3 結語

通過以上“明確培養目標+基本概念與計算機仿真技術相融合+針對實際問題提問與討論+多樣化的評價體系”的一套教學流程，可以大幅提高學生對材料力學知識的理解。筆者通過收集實際機械工程零部件失效案例，學生試著通過對零部件實際工況進行力學模型提煉，利用材料力學中的計算公式進行試算并通過有限元分析來解決實際的工程問題。整個過程活躍了學生的課堂氣氛，調動了學生的積極性，培養了學生獨立思考敢于挑戰現有結論并給出合理解釋的能力，提高了學生對復雜公式的理解。