力學思維與創新能力的養成與實踐
——以材料力學課程教學創新為例

譚燕，肖衡林，周金枝，姜久紅，周安

（湖北工業大學 土木建筑與環境學院，湖北武漢 430068）

材料力學是工科專業基礎課，主要研究桿件的變形與破壞規律，是從基礎課程到專業課程學習的重要橋梁。解決工程問題的力學思維方法和計算分析能力是學生專業能力提升的基礎，培養學生具備良好的力學思維和創新能力是新工科創新人才培養的前提條件。

新工科建設要求“著力提升學生解決復雜工程問題的能力，加大課程整合力度，推廣實施案例教學、項目式教學等研究性教學方法，注重綜合性項目訓練。”因此，工科課程改革的最終目標是培養學生解決復雜工程問題的能力。材料力學的核心目標是培養學生力學思維，從而使學生具備應用力學思維分析解決實際工程問題的能力[1-3]。教師在課程教學過程中，應充分重視人才培養的全過程，重點關注學生創新意識、創新思維、創新能力等創新素質的培養，探索力學思維培養的考核方法，推進課程的教學創新。

1 問題剖析

經過系統的學情動態調研分析發現，當前材料力學教學過程中存在的主要問題為學生難以將所學理論知識靈活應用于實際，解決實際工程問題的能力薄弱，創新能力欠缺。分析主要原因：第一，現行教材中的多數例題和作業均為簡化后的力學模型，忽略了模型背后的問題背景，課程學習與工程實際脫節，導致遇到實際結構時，學生不明確約束和荷載的簡化等，缺乏將實際問題凝練成力學模型的能力，實質就是缺乏力學思維。第二，將實際問題凝練成力學模型是求解實際工程問題最重要的一步，由于對力學模型提煉的能力不足，同時傳統教學缺乏工程實踐教學環節，學生應用能力得不到有效鍛煉。教學數據表明：對于關聯組合變形、超靜定等復雜問題的工程應用類考題，考核達標率低于70%，學生工程應用與創新能力不強。

2 培養策略與實踐

為有效解決上述教學問題，使學生形成良好的力學思維與創新能力，根據“從實踐中認識規律，再回到實踐中指導實踐”的認知規律，課程創新應用理論與實踐結合的案例教學法[4-6]，從力學思維方法鍛煉、多場景案例剖析和創新實踐三個方面實施，培養學生良好的力學思維與創新能力。基于材料力學省級線上線下混合式一流本科課程平臺[7]，利用信息化技術，線上與線下相結合，課程設計了多元、柔性的全過程考核方案，兼顧了學生知識、能力和思政的考核。

2.1 力學思維方法錘煉

力學思維是根據具體生動的工程實際形成抽象的數學思維，再用抽象的數學思維指導工程實際的思維過程，具體表現為怎樣將實際問題抽象成為力學模型。模型從工程實際中來，想要將實際問題抽象為分析模型，需要對工程問題進行深入分析。教師要教會學生如何對研究對象、約束和荷載進行簡化，由繁到簡，抓住力學核心問題進行抽象化建模。而簡化的要點，就是引導學生抓住問題的主要矛盾和矛盾的主要方面，將問題模型化，將模型數學化[8]。

材料力學課程的發展過程是辯證思維發展的過程，內容匯集大量的人類文明成果，每章內容都體現了該思維方法的應用。教師應依托課程著重進行思維方法的教學與引導，如扭轉變形所用到的平面假設，指的是橫截面變形后仍然為平面，且形狀、大小和間距都不變，該假設在分析很多工程問題時可以借鑒應用。

2.2 多場景案例剖析

學生掌握力學思維方法后，需要增長見識，積累經驗，通過“理論—模型—實物—模型—理論”的多場景案例循環分析，掌握力學與工程問題之間的聯系，建立力學模型，正確表達工程問題。

2.2.1 思政案例深刻化，強化育人效果

團隊挖掘了課程的思政培養主線：“求真務實，百折不撓、團隊協作、力學的美”，將思政內容與案例進行深度融合，思政素材根據具體的授課內容以隱性滲透、二維碼案例穿插等方式融入課前錄播視頻、拓展課件、課中案例及課后拓展任務中。通過師生講案例，學生模擬與實踐案例，培養學生的力學思維，強化育人效果[9-10]。

以“如何在案例中講安全”為例，首先，師生講解安全案例：艦載機加速著陸，阻攔索3s 內要攔住大于20t 的艦載機，如果阻攔索的韌性與強度達不到要求，將會造成難以估量的損失。其次，學生強化理解“力學對于安全的重要性”，然后參與安全案例。教師引入團隊項目，指導學生演繹FAST 天眼網架結構的力學計算工作，通過項目模擬培育學生的安全意識。最后，實施結構創新設計，學生獨立承擔安全設計工作，增強安全意識。

2.2.2 課程時空延展，案例循環分析

（1）戶外緒論課，講解身邊案例。教師帶領學生參觀校園熟悉的教學樓、小橋、廠房，認識材料力學的研究對象桿件、桿件與桿件之間的連接方式、各種連接如何簡化，參觀門式剛架廠房模型、歷年結構設計大賽模型等，分析模型中的連接方式如何還原工程，從工程—理論—模型，引導學生建立工程實物與力學模型之間的聯系。

（2）朋輩進課堂，榜樣示范。畢業學生回校時，再次走進材料力學課堂，以實際工程為案例，剖析數值模型建立全過程，從模型—理論—工程，挑戰仿真建模。同時教師錄制視頻，導入線上學習平臺，供學生反復學習。

（3）豐富二維碼案例素材庫，立體分析。教材通常只給出了簡化后的力學模型，團隊擴充了對應的“實物—模型”二維碼案例素材庫，其包括文本和視頻，內容形象立體。每一個案例都設置相應的成長任務，為提高教學效果，教師可采用啟發式、討論式教學[11-12]。

案例教學設計采用進階分析[1]，以變速器的軸為例：低階：只受單一扭矩軸的模型，中階：既受扭矩又受彎矩軸的模型，高階：承受復雜工況的軸的力學問題分析。最后，教師給出分組挑戰任務，要求學生設計C919 大飛機的軸，討論當其材料、結構形式發生改變時，大飛機軸設計的異同。教師從教會學生思維方法到案例剖析，逐階培養學生的力學思維和創新能力[6]。

2.3 創新實踐

材料力學課程創造性地設計了創新實踐環節，同時將競賽案例和科研項目等實踐活動引入課堂，多維度鍛煉學生將力學理論知識與工程應用相結合的能力，培養學生工程思維，增強學生應用能力。實踐任務有竹片、木條等各向異性材料彈性模量的測定、電子秤設計、結構創新設計等，有難有易，學生根據自身學習水平自選，分組開展設計[13]。

以學生挑戰結構創新設計為例，設計題目來源于國家建設重大工程，如長江大橋、特高壓輸電塔、嫦娥五號著陸器等，從材料力學的桿件出發，要求學生完成模擬設計。學生作為結構設計師，通過四個環節：方案初步構想—方案優化—模型制作與加載—創新報告，最后呈現出作品，提升學生的工程應用與創新能力。

（1）方案構想：學生選定材料與結構，充分激發創新思維。

（2）方案優化：學生根據應力、應變等計算結果，優化結構設計，提高分析計算能力。

（3）模型制作與加載：學生驗證實際受力與計算值是否一致，培養動手能力和實驗分析能力。

（4）創新報告：學生進行理論計算與模型實驗對比分析，科學表達問題，撰寫創新報告，培養綜合應用能力。

3 考核方法與培養成效

課程依據“課前自學—課堂表現—課后任務”三個階段開展，從“階段測—期中測—實驗測—期末考”，采用“教學過程記錄一張表”，逐項落實，實施全過程考核。通過記錄表，學生可以了解自己的學習狀態，也可以了解同學的學習狀態，相互促進[14]。

教師通過完善課程知識圖譜，將知識點、能力點和學習資源關聯，實現對力學模型提煉能力考核的可測可量，平臺自動統計結果表明：關聯“力學模型提煉”能力點的任務，學生掌握率達到了89%。后續專業課程反饋：學生力學思維活躍，模型提煉能力強，學習后勁足。結構創新等實踐環節的考核內容有模型制作、創新報告、口試答辯等，注重應用與創新。

2020 學年至2023 學年的教學實踐與調查問卷表明：學生普遍認為學習方法和思維的轉變是他們取得的收獲。首先，近3 年課程優良率提升了8.5%，不及格率從9.9%下降為1.0%，學生皆通過考核。其次，學生獲得全國大學生結構設計大賽、大學生機械創新設計大賽等國家級獎項，大學生創新創業項目由2017 年只有校級項目發展為獲批省級和國家級項目。師生協作建設了省級虛擬仿真實驗一流課程，學生的工程應用與創新能力顯著增強。

4 結語

材料力學知識點多，概念抽象，理論性強，學習難度較大。學生要做到融會貫通，除了吸收教材上的知識，還需要結合工程實際案例拓展學習，在實踐中進行優化，從而達到培養力學思維、提升創新能力的目的。力學思維和創新能力的養成有助于培養適應新工科建設需求的應用創新型高素質人才，是力學教學發展的趨勢。