以工程應用為導向的“材料力學”教改探索

［摘 要］ “材料力學”是航空航天、土木工程、機械工程以及相關專業大學生的必修課程，是研究材料在不同載荷作用下所產生的應力和應變問題以及剛度和強度問題的學科。在當前國家重大需求的工程背景下，傳統的教學內容、教學手段和考核模式難以發揮材料力學在工程應用領域的實用價值，亟須探索以工程應用為導向的“材料力學”教學改革策略。通過提出以工程應用為導向引出材料力學背景、以先進材料為導向關聯材料力學要點、以工程軟件為輔助再現材料力學問題、以理論結合實際的方式調整考核評價模式四項教學改革措施，激發大學生的科學探索興趣和學術研究能力，大幅提升大學生的創新與實踐水平，滿足新時代創新型人才和應用型人才的培養需求。

［關鍵詞］ 材料力學；工程應用；創新型人才；應用型人才

［基金項目］ 2020年度中央高校基本科研業務費專項資金資助項目“基于熱阻塞效應的新型防隔熱結構一體化設計方法”（2020RC009）

［作者簡介］ 李瑋潔（1989—），女，吉林榆樹人，工學博士，北京交通大學土木建筑工程學院副教授，主要從事先進復合材料力學性能評價研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）22-0049-05［收稿日期］ 2022-11-04

“材料力學”研究材料在各種力和力矩的作用下所產生的應力和應變問題以及剛度和強度的問題，是航空航天、土木工程、機械工程以及相關專業的必修基礎課程。在教學過程中，要求學生掌握工程問題所需的材料力學的基本概念、基本假設、基本原理和分析求解方法，掌握復雜材料力學問題的基本模型、基本方程的建立技術及分析求解方法，為后續有關的專業課程打下理論基礎。隨著科學技術水平的不斷發展，近年來航空航天、汽車工業、軌道交通、機械制造等領域的技術突飛猛進，我國提出了相關領域的一系列重大工程。面向新時代的工程應用需求，材料力學發揮著不可替代的作用。然而，傳統的“材料力學”的教學內容、教學手段和考核模式難以使學生了解該學科內容在工程應用領域中的實用價值，亟須探索以工程應用為導向的“材料力學”教學改革策略。

一、“材料力學”課程教學中存在的問題

（一）應用目標模糊

在當前“材料力學”課程的教學過程中，各個章節的引言部分仍然通過簡單的桿、軸、梁等研究對象的變形形式引入問題。例如，通過人在橋上行走的示例介紹并引入梁彎曲變形，將人在橋上站立視為集中載荷作用于橋梁之上，引起橋梁彎曲。然而，隨著科學技術的發展和科研能力的提升，《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》指出，我國將“瞄準人工智能、量子信息、集成電路、生命健康、腦科學、生物育種、空天科技、深地深海等前沿領域，實施一批具有前瞻性、戰略性的國家重大科技項目”［1］。引入傳統的材料力學問題的方式與當前階段熱點工程的實際問題缺乏直接、顯著的關聯，同時，這樣的問題引入方式對學生來說枯燥、乏味，導致學生難以體會到教師所講授的內容與實際的聯系，無法激發學生學習材料力學理論的熱情。

（二）教學內容乏味

“材料力學”課程的講授內容主要包括緒論及基本概念、軸向拉伸和壓縮、剪切和連接、扭轉、彎曲內力、彎曲應力、彎曲變形、應力狀態和強度理論、組合變形等，課堂上一般采用書寫數學公式、講解公式中的符號含義以及求解數學公式的方法等方式進行上述內容的講授［2-3］。例如，講授扭轉應力時，通過推導幾何關系、物理關系（本構方程）和平衡關系獲取軸應力的表達式，在教學過程中，講授的內容全部為數學公式的推導過程。從學生在課堂上的表現來看，講授前幾個公式時，學生的注意力較為集中，能夠掌握教師所講的內容，隨著公式的增加和課堂時間的延長，學生的注意力逐漸分散，對關鍵公式的掌握程度明顯下降。由此可見，由于力學與數學關聯性較強，導致“材料力學”課程的教學內容趨近于數學課程的教學內容，枯燥、乏味的教學內容造成學生聽課的效果與效率低下，對學生深入掌握材料力學的研究方法和核心問題產生了消極影響。

（三）教學手段單一

“材料力學”的教學內容涉及大量數學公式的推導，當前該課程在教學過程中常常采用“滿堂灌”的教學方式，教師從課堂開始到結束基本上在演“獨角戲”［4-5］。例如，在講授彎曲內力及內力圖的做法時，教師首先會介紹彎曲內力的概念及定義，隨后教授內力圖（剪力圖與彎矩圖）的做法，接著通過講解例題的方式對所授知識點進行應用，最后通過讓學生做1～2道習題鞏固并加強本節課所授的知識點。在“滿堂灌”的教學模式下，盡管教師可以把控講授進度，通過學生的課堂反應及時調整講解速度，但是教師難以及時了解學生對各個知識點的理解和掌握程度，尤其是學生之間存在個體差異，課堂上表現積極的學生掌握了知識要點，然而在課堂上表現“沉默”的學生是否理解了知識要點有待商榷。此外，在“滿堂灌”的教學模式下，部分學生逐漸喪失了對課堂內容的興趣，導致與工程實際應用息息相關的“材料力學”被誤解為只是公式推導和求解方程的老舊方法，對吸引廣大學生從事力學研究造成了較大的困擾［6-7］。

（四）考核方式陳舊

目前，“材料力學”課程采用平時成績（30%）+期末成績（70%）的方式對學生進行最終考核。其中，平時成績包括考勤、測驗、期中成績等；期末成績包括期末考試卷面成績。這種考核模式難以激發學生的學術熱情、科學敏感性、學術創新性和實踐能力。學生為了取得高分，往往花費大量精力研習往年“材料力學”的考試真題，學生只是掌握了考試時所出題目的解題方法，完成了“材料力學”課程的考核要求，難以將材料力學的理論知識運用到日后的工程實際中。采用上述的考核方式進行“材料力學”課程的考核評估，對我國培養創新型人才、建立科技強國、實現科技自強帶來了一定的阻礙。

二、“材料力學”課程教學改革策略

（一）以工程應用為導向引出材料力學背景

為了解決“材料力學”課堂上對于引入力學概念時應用目標模糊的問題，通過以工程應用為導向引出材料力學背景對“材料力學”課程進行教學改革。通過摒棄老舊、過時的工程案例引出材料力學問題與概念的方式，采用介紹當前人工智能、量子信息、集成電路、腦科學、深空深地深海等領域的熱點科技和工程問題進行材料力學概念與問題的引出。同時，在引出材料力學相關概念時，通過展示影視作品、工程設施圖片、工程裝置照片等，向學生直觀、清晰地介紹材料力學相關知識點的應用場景，便于學生理解知識點的應用背景和定義，從而實現在將來從事的工作中能夠快速聯系并運用所學的材料力學知識。

例如，黨的二十大報告中提出了加快建設航天強國的目標，中國航天正在以新的偉大奮斗開啟新的征程。在講授“材料力學”新章節的內容時，依托我國建設航天強國的背景需求，教師通過提出航天領域中相關的材料力學問題，引出該課堂講授的知識點，激發學生對所引出的材料力學知識的興趣。舉例來說，當講授材料力學中“扭矩”的概念時，借助科幻影視作品中空間站對接的圖像資料，以繞軸線旋轉的空間站為研究對象，引出令研究對象運動所施加的外載荷——扭矩。通過直觀的影視畫面，清晰明了地向學生介紹扭矩的定義以及其在航天領域中應用的場景，使學生更加深入地理解材料力學中扭矩的概念，同時明確這一概念的工程應用背景。如此一來，學生在進行課題研究時，能夠將理論與實際進行關聯。

再如，隨著時代的進步，我國科技創新賦能交通運輸實現了跨越式發展。在交通運輸領域，我國的交通基礎設施建設技術躋身世界前列，如港珠澳大橋、北京大興國際機場等一批世界級工程已建成并投入使用。舉例來說，當講授材料力學中彎曲變形這一概念時，可以給學生展示世界規模最大的單體機場航站樓——北京大興國際機場航站樓的圖片，體現了我國科技實力的突飛猛進，提升學生的民族自豪感與使命感。然后，繼續深入介紹航站樓所采用的支撐結構——空間桁架結構，以該結構為研究對象，介紹空間桁架的受力情況以及桁架在承受載荷的條件下，所產生的變形形式——彎曲。通過引入我國交通運輸領域的重大工程，以圖片的形式展示承受彎曲載荷的桁架這一研究對象，學生從感官上直接認知到彎曲變形發生的工程場景，使學生在自己的研究課題中遇到相關的實際問題時，能夠快速聯系到“材料力學”課堂中所舉的工程實際案例，實現課本知識的學以致用。

通過以工程應用為導向引出材料力學背景的“材料力學”教學改革，明確材料力學知識的應用背景與場景，從工程實際問題出發，建立理論與實際的關聯，使學生能夠認識到書本中的材料力學知識是解決工程實際問題的有效手段，而不僅僅是理解枯燥的數學公式，讓學生在將來的研究和工作中實現對材料力學知識的學以致用。

（二）以先進材料為導向關聯材料力學的要點

為了解決“材料力學”課堂上教學內容乏味、枯燥的問題，通過以先進材料為導向關聯材料力學要點進行“材料力學”教學改革。目前“材料力學”課堂所研究的對象局限于鋼、鐵等傳統材料，例如在講解模量、強度這些材料的本征性能的概念時，舉例的材料仍然是早年的低碳鋼與鑄鐵，教師在講解過程中通常照本宣科，難以引起學生的共鳴和興趣。眾所周知，材料力學的研究對象是“材料”，隨著科技的發展，各種先進材料已通過媒體報道被公眾所認知，如果將“材料力學”課程的教學內容與先進材料進行關聯，實現材料力學教學內容與前沿學術問題相結合，這樣更加容易集中學生聽課的注意力和激發學生的興趣，有利于學生對課堂教學內容的理解和掌握。

例如，當前先進的復合材料被廣泛用于航空航天、汽車工業、機械制造、醫學、建筑等領域，在“材料力學”的教學內容中，引入以先進復合材料為研究對象的相關內容，可以更加貼近現階段的科學前沿問題，激發學生的學術研究熱情。比如，介紹“材料力學”緒論部分中“材料力學基本假設”中的“各向同性假設”時，可以引入航天領域當前廣泛應用的碳纖維增強復合材料層合板這一研究對象，介紹這一廣泛用于航天領域的復合材料的基本概念，通過介紹復合材料層合板的鋪層方式，向學生展示實際工程應用的材料實際上是“各向異性”的，同時說明材料力學中做出“各向同性假設”的原因以及該假設對于簡化計算的作用。這樣一來，能夠將緒論中“各向同性”這一概念與實際問題進行關聯，而不是僅僅作為枯燥的一段語句灌輸給學生。以當前熱點領域所用的先進材料為研究對象，替代現有“材料力學”教學內容中的傳統材料，使學生能夠更加容易地將材料力學概念與當今科技發展的主流領域相關聯，提升學生的學習熱情，使學生認識到材料力學在當今工程領域中不可替代的作用，同時提升學生對從事力學學科相關研究工作的興趣。

再例如，當講授材料力學中“強度校核”這一內容時，目前的教學內容為列寫強度條件公式，并通過不等式變換后的三種形式，向學生說明該不等式可以進行強度校核、尺寸設計、材料選取、載荷設計等工作。這樣的教學內容，僅僅是從數學的角度說明強度條件不等式的含義，學生仍然難以理解實際工程中需要進行強度校核、尺寸設計、材料選取、載荷設計的原因。為此，在教學內容中可以引入與工程實際案例相關的強度校核教學內容。以“為什么進行材料選取”為例，在汽車領域，當汽車承受相同載荷時，金屬和碳纖維增強樹脂基復合材料同時滿足汽車的強度條件，但是金屬的質量遠遠大于碳纖維增強樹脂基復合材料，為了減少汽車車體的質量，選取碳纖維增強樹脂基復合材料明顯優于選取金屬材料。這樣一來，學生可以深刻理解“進行材料選取”這一教學內容的“用武之地”，也向學生輸出了輕量化材料這個先進材料的概念，將材料力學的教學內容向科學前沿問題進行引導。

通過以先進材料為導向關聯材料力學要點的“材料力學”教學改革，將“材料力學”教學內容與學術前沿領域進行關聯，學生在課堂上聽到相關領域的研究內容時，能夠與當下的熱點進行聯系，有利于學生理解材料力學的相關概念，激發學生的學習熱情，了解材料力學的相關內容對解決前沿領域問題的重要作用，同時吸引更多的學生投身力學學科的研究中。

（三）以工程軟件為輔助再現材料力學的問題

為了解決“材料力學”課程中學生聽課興趣缺乏、效率低下、教學效果不理想等問題，通過以工程軟件為輔助再現材料力學的問題進行“材料力學”教學改革。在“材料力學”課堂中，教師所講授的內容以理論公式居多，如果采用“滿堂灌”的教學方式會使“材料力學”課堂變成數學公式的推導課堂，使得原本就晦澀難懂的力學知識更加難以激發學生的學習熱情，使得學生的學習效果變差，學生對力學模型的理解僅僅停留在課本的數學公式上，因此亟須改善并調整教學手段，讓學生從力學思維的角度理解教學內容，而不是死記硬背數學公式。為此，借助工程軟件對材料力學問題進行可視化仿真分析，一方面吸引了學生的注意力，另一方面使“材料力學”課程的教學內容真正放在力學問題上。

例如，講解拉伸與壓縮變形、扭轉變形和彎曲變形時，配合使用計算機輔助工程（Computer Aided Engineering， CAE）技術，實現不同加載形式的構件受力分析與變形可視化，使學生直觀地認識到材料在受到載荷作用時的變形行為，使材料力學教學內容通過可視化手段深入學生的腦海。比如，講解軸向拉伸變形時，采用CAE軟件（如ABAQUS、ANSYS等）構建拉伸材料樣品的幾何模型與網格模型，通過對研究對象施加力或位移邊界條件，模擬材料樣品拉伸過程中的數值，最終給出材料在拉伸載荷加載下的應力場、變形場云圖，通過可視化的方式向學生展示材料在受到拉伸載荷后的變形形式。在這個過程中，一方面，通過對CAE軟件的一步步操作，能夠吸引學生對未知事物的好奇心，激發其學習熱情；另一方面，將材料力學的理論內容通過科研軟件進行學習實踐，解決了在教學中枯燥的數學公式推導造成的學生注意力不集中的問題。

再例如，在講解組合變形問題時，通過CAE軟件構建大型工程結構，例如橋梁、飛機、汽車等，通過對結構同時施加拉伸、扭矩、彎矩載荷，分析仿真工程結構的組合變形形式、可視化結構力、位移等信息，通過圖片和動畫展示結構受載過程中的組合變形過程。相較于“滿堂灌”教學中書寫方程到求解方程再到求解習題的模式，這種課堂教學的內容與方式更加生動有趣，可以使學生清晰明確地認識到材料的力學行為過程，而不是僅僅學會求解書本中的方程。

通過以工程軟件為輔助再現材料力學問題的“材料力學”教學改革，將當前科學研究中使用的CAE軟件引入教學內容，拓展教學手段，使枯燥的力學與數學知識能夠通過可視化的手段展現在學生眼前，便于學生直觀地了解材料力學中的知識要點。此外，結合工程軟件的教學手段，能夠激發學生探索新鮮事物的熱情，提高學生通過多種研究手段學習材料力學知識的興趣。

（四）以理論結合實際的方式調整考核評價模式

為了解決“材料力學”課程中學生的創新能力與實踐能力較差等問題，通過以理論結合實際的方式調整考核評價模式進行“材料力學”課程的教學改革。一方面，提高平時成績的占比，并且通過設置開放性研究題目的形式擴展平時成績的考核方式。在講授完“材料力學”每個章節的內容后，為了讓學生鞏固、加強對所學知識的理解與認知水平，通過設置該章節內容的開放性題目（如選取某工程實際結構為研究對象，描述該結構所受到的載荷形式，通過理論、仿真等多種研究手段，分析結構在相應加載條件下是否滿足強度條件），對學生進行分組，以小組為單位對開放性題目進行探討，并在下一節課堂上，分組展示每個小組的研究成果。教師根據每個小組研究過程的邏輯性和運用知識點的準確性進行打分，給出每個小組及小組成員的成績，此成績將作為平時成績的一部分。這樣，學生在學習完“材料力學”每章節的知識點后，能夠及時地學以致用，可以面向工程實際提出并解決工程結構中面臨的材料力學問題。另一方面，更新期末考試試卷的題型，通過將題目向工程實際案例靠攏，實現理論向實踐與應用的轉移。比如，增加多選題，以我國當前大型工程結構為例（給出相應圖片/照片），通過分析工程結構中構件的受力情況，判斷構件會發生哪種或哪幾種變形形式；增加分析題，以我國當前的重大工程為背景，以照片的形式給出相應的工程結構，要求學生判斷結構會發生何種變形，并對結構強度進行校核。以當前的重大工程為背景的考核題目，能夠考核學生對材料力學知識點的理解和掌握程度，將學生的學習目標從求解正確的數學方程、通過期末考試變為解決工程實際問題，使學生真正做到學以致用。

通過以理論結合實際的方式調整考核評價模式的“材料力學”教學改革，摒棄了老舊的考核評估方法，促使學生主動思考，培養了學生的學術與科研思維。在平時考核和期末考核的過程中，提高面向工程實際的題目占比，提升學生解決實際問題的能力，使“材料力學”課程的教學內容真正應用到實踐中，使學生培養真正向應用型人才、創新型人才的目標邁進。

結語

材料力學廣泛應用于航空航天、汽車工業、軌道交通、機械制造等領域，因此，以工程應用為導向的“材料力學”教學改革探索勢在必行。通過以工程應用為導向引出材料力學背景、以先進材料為導向關聯材料力學要點、以工程軟件為輔助再現材料力學問題、以理論結合實際的方式調整考核評價模式等四項“材料力學”教學改革措施，明確了“材料力學”教學內容的工程應用背景，在“材料力學”課堂中引入前沿性科學問題，在“材料力學”教學過程中融入工程軟件的應用，拓展與實際工程相關的“材料力學”考核模式，滿足了培養創新型、應用型人才的需求。

參考文獻

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Exploration of Teaching Reform for Mechanics of Materials Guided by Engineering Application

LI Wei-jie

（School of Civil Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China）

Abstract： Mechanics of materials is a course for college students majoring in aerospace， civil engineering， mechanical engineering and other related majors. It focuses on the stress and strain， stiffness and strength of materials under different loads. Under the engineering background of the current national major demand， the traditional teaching content， teaching means and assessment mode are difficult to give play to the practical value of mechanics of material in the field of engineering application. It is urgent to explore new teaching reform strategy oriented by engineering application. Four teaching reform measures are proposed， namely， “engineering application oriented to elicit the background， advanced materials oriented to associate the key points， engineering software assisted to reproduce the problems， and theory combined with practice to adjust the assessment mode”， to stimulate college students interest in scientific exploration and academic research ability， greatly improve their innovation and practice level， and meet the requirements of training the innovative talents and practical talents.

Key words： mechanics of materials; engineering application; innovative talents; practical talents