以工程案例驅動材料力學雙語教學的探索與實踐

摘 要：該文針對機械類專業基礎課程材料力學的特點，結合教學實踐，從教學內容、教學設計、教學實施、思政融入幾方面，探討如何進行材料力學課程教學的改革，特別是通過全過程工程案例驅動材料力學教學的教學設計，使得課程學習目標明確，提高學生的學習興趣，達到不斷提升教學質量的目的，使得學生在掌握構件強度、剛度以及穩定性的計算與分析方法、培養解決工程復雜問題能力的同時，樹立辯證與多視角思維的科學發展觀，以促進人才培養能力全面提升。

關鍵詞：材料力學；思維方式；全過程工程案例驅動；雙語教學；教學設計

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）30-0116-04

Abstract： In view of the characteristics of mechanics of materials course for students majoring in mechanical engineering， combined with teaching practice， from the aspects of teaching content， teaching design， teaching implementation， ideological and political integration， this paper discusses how to reform the teaching of mechanics of materials course， especially engineering case-driven teaching design for mechanics of materials throughout the whole process， which aims at making the course learning objectives clear， improving students' interest in learning， and achieving the purpose of continuously improving the quality of teaching. As a result， students can learn to master the calculation and analysis method of strength， stiffnes_{8hseR40sr74JXm3Dt4Y6yIRRrjx0inRLnqFrEfLZ1Xg=}s and stability for members， cultivate the ability to solve complex engineering problems， and establish the scientific development concept of dialectical and multi-perspective thinking， which will make a difference in promoting the comprehensive improvement of talent training ability.

Keywords： Mechanics of Materials; way of thinking; engineering case -driven throughout whole process; bilingual teaching; teaching design

基金項目：2022年西安電子科技大學研究生各類課程與教材建設項目“結構非線性理論與方法”（JPJC2205）；西安電子科技大學2022年一流精品課程建設項目“材料力學（雙語）”（無編號）；2022年度水電機械設備設計與維護湖北省重點實驗室（三峽大學）開放基金“風電裝備傳動部件故障智能診斷技術研究”（2022KJX01）

第一作者簡介：徐亞蘭（1971-），女，漢族，江蘇海安人，博士，副教授，碩士研究生導師。研究方向為工程力學與結構控制。

材料力學課程作為機械專業學科基礎課，在機械專業本科教育中起到承上啟下的作用，是后續結構力學、機械振動等專業課程學習、工程實踐和科研創新的基礎[1-3]。筆者所講授的材料力學雙語課程是為機械類專業二年級本科生開設的。本課程開設前，學生已經學習理論力學，掌握了靜力學分析的基本概念，為學習材料力學變形體的相關內容打下了較好的理論基礎。但是，學生比較欠缺將理論知識與工程實際相結合的意識和能力，所以目前材料力學教學中比較注重材料力學理論知識的工程背景及應用，采用全過程工程案例驅動教學的教學模式，旨在提高學生學習的興趣和動力，培養學生的綜合能力。

近年來，該課程以機械專業的工程教育專業認證為契機，在成果導向原則（OBE）指導下不斷進行教學改革與探索[4-5]。經過多年的教學探索，課程明確了以知識傳授、能力培養與價值塑造為要求的課程教學目標；課程緊密結合工程實際，引導學生創新和辯證思維，通過課程學習，使學生能夠具有對工程構件進行強度、剛度和穩定性分析的能力。為達成課程教學目標，課程對教學內容、教學模式及評價體系進行了總體設計，主要表現在教學內容模塊化、教學模式混合化、考核方式多元化，如圖1所示。

基于該思路，本文結合筆者在材料力學課程教學中的實踐，旨在討論如何在材料力學雙語課程實踐中進行教學內容的重組與教學設計，特別是通過全過程工程案例驅動教學的教學設計，探討如何有效進行教學實施，以及如何在教學過程中將思政有機融入等問題。

一 教學內容的重組和教學設計

材料力學教學內容的重組在于將課程模塊化以及在每部分教學過程中利用工程案例驅動教學，使課程知識體系層次分明、使教學目的明確。考慮到材料力學的理論體系和工程實際要求，材料力學課程知識體系可分為三大模塊：基本變形、組合變形及壓桿穩定性；其中，基本變形包括桿承受軸向拉伸或壓縮變形、軸承受扭轉變形、梁承受彎曲變形；組合變形包括復雜應力應變狀態分析和承受多個載荷的組合結構。每一模塊著重解決某個特定的理論問題或工程實際問題，教學時結合工程案例，對工程問題進行剖析，針對不同的問題凝練出不同的材料力學課程問題，逐步建立工程案例與課程內容的深度融合，保證每個知識點都有針對性的工程實際案例，這樣學生學習時目的明確，學習興趣和主動性會明顯提高，學生會在理論知識點與工程實際相結合中實現知識、能力以及價值的融會貫通和進階發展。

這里，以梁彎曲變形的教學為例來說明如何通過工程案例驅動教學，并進行教學設計（如圖2所示）。彎曲變形是彎曲梁結構剛度分析的基礎，這部分內容與課程前期所學習的梁彎曲內力和梁彎曲應力兩個知識點密切相關，也是后續梁結構設計、應力應變狀態及組合變形的基礎。課程教學時可分四步進行。

第1步，通過問題驅動進行課程導入。比如，教學開始前，先介紹某一鋼結構網架施工過程中發生倒塌事故，造成2死2傷，事故原因是結構變形導致承載力降低，從而誘發結構變形，就此引出結構變形分析的重要性。在這個過程中教師利用工程案例驅動教學，激發學生的學習興趣和積極性，啟發學生主動思考；同時通過實際災難案例，培養學生的工程安全意識和責任感；通過梁結構的剛度、柔性與變形之間的關系，培養學生堅定的信念與原則，提高政治素養，涵養愛國情懷；此外，考慮到環境干擾引起的振動問題，結構其實也并不是剛度越大越好，還要考慮到其動力特性；提醒學生，道德經有云“剛者易折”，引導學生做人要剛柔相濟，具體問題具體分析，找到合適的方法。

第2步，通過交互教學進行理論學習。學習掌握撓曲線近似微分方程的建立，了解撓度、轉角和彎矩之間的聯系，利用積分法求梁的彎曲變形；學習掌握利用疊加法求梁的彎曲變形：針對同一研究對象，分別從不同視角進行簡化，使之成為兩個較簡單的問題。在解決簡單問題的基礎上，通過所學習的積分法或疊加方法解決復雜的問題；這一教學過程中，教師注意啟發學生對各種方法進行比較分析、思考其優勢和局限；學生在自主分析中獲得解決問題的途徑，內化所學知識，從中學會了如何對復雜問題進行分解，培養了辯證哲學思維方法；同時，學生也學會了從多個角度來看待問題、解決問題，打破思維定勢，避免簡單的、線性的思維方式，培養多視角思維，樹立正確的科學思維。

第3步， 通過小組討論進行案例分析。以超靜定橋梁的變形分析為案例，討論如何基于實際結構的簡化、支撐的簡化以及載荷的簡化，建立結構的力學模型；學習如何利用所學的專業知識與方法進行復雜問題的分析。這一過程以學生為主體，教師引導和啟發為輔，分組進行討論分析，教師給予方向性指導，引導學生深入分析問題，由淺入深，層層遞進；學生從中可進一步體會如何把工程實際復雜問題簡單化，如何抓事物的主要矛盾和關鍵因素，如何進行理論聯系實際，培養綜合運用知識和嚴謹細致的科學精神。

第4步，團隊合作進行課后操練，并進一步做好課后學習。學生通過團隊合作實際動手操練，自己粘貼應變片進行應變與變形分析，并與自己理論分析結果進行比對，增強學生對所學知識的直觀理解；閱讀中英文教材，利用線上資源，培養學生的自主學習能力。這一過程中，學生以實操、探究、討論及思考為主；教師主要以引導、點評為輔；通過粘貼應變片技能的練習，培養團隊合作精神，培養學生精益求精、務實專注的工匠精神，以及認真負責、踏實敬業的工作態度和嚴謹求實、一絲不茍的職業素養。同時，通過指導學生進行中英文教材的對照學習，引導學生比較中英文不同的邏輯結構和描述方式、關注中英文材料的側重點，培養學生的思維融合。

二 加大課程實驗與實踐的教學比例

材料力學理論體系與工程實際問題密切相關，而實驗、實踐教學環節是材料力學理論與工程實際相結合的關鍵所在，所以材料力學課程教學中有必要加大了實驗、實踐教學環節的比重，并注重問題牽引與工程案例的融入。

實驗環節，需要從原來單一的材料拉伸和扭轉實驗向綜合性實驗轉變[6]；教學時也需要通過啟發式教學，以問題驅動實驗教學的各個階段，讓學生帶著思考的問題進入實驗的操作。實踐方面，在課程綜合實踐中，教學團隊可以結合各個教師的科研項目，提煉項目所涉及的材料力學問題，將學生分組團隊協作進行；盡量從問題的力學表述、建模、計算分析，到力學測試、實驗或仿真方案的設計與實施等一系列活動均由學生自主完成；教師主要以指導、過程檢查、組織研究展示為輔。

此外，作為課程教學的補充和進階學習，結合教師自身的科研，利用科研來促進教學，為學生在本科期間創造更多參與科研的機會，同時，也需要鼓勵學生成立科技創新小組（如圖3所示）；可以通過學生實驗創新設計和科研綜合實踐中優秀作品案例展示的建設，激勵學生的學習興趣。

三 思政教學的體系化

為了發揮課程在人才培養中價值塑造的功效，如何建立思政與課程內容的深度融合也是該課程教學中需要重點考慮的問題。考慮到課程知識體系的特點，以及本課程與工程實踐的密不可分性，材料力學課程可以從以下幾個方面挖掘思政案例和教學融入，可采用靈活分散的方法，將每個思政要素無縫融入相應的課堂知識和教學環節中。

首先，可以通過思維培養將課程思政教學體系化。考慮到材料力學課程中大量使用科學假設和模型簡化的課程特點[7]，課程可以把思維能力的培養作為橋梁，以一點貫穿全課程。比如，在學習梁彎曲時，我們需要進行平面假設、簡化支撐、簡化載荷甚至簡化構件，可以用多種方法進行內力分析，并相互驗證。這些都有助于學生學會做事情要抓主要矛盾、要多角度多方位思考問題，打破思維定勢，避免簡單的、線性的思維方式；再比如說，著名的圣維南原理認為處理次要邊界的邊界條件時，可以使難以表述的處理次要邊界條件以靜力等效的方式進行，但這個假設不能用于主要邊界[8]；而在材料力學中拉伸壓縮變形的正應力計算公式之所以能成立，就是根據圣維南原理，將細長桿的橫截面（除兩端）上的應力假設為均勻分布。類似的思維方式在材料力學課程中比比皆是，通過提煉使得課程的價值塑造呈現體系化的特點。

其次，可以通過結構災難事故案例引導學生增強安全工程和責任意識，樹立嚴謹的科學態度，提升學生科技報國的責任感和使命感，涵養愛國情懷。比如，在學習梁彎曲變形時，指導學生自己動手粘貼應變片進行應變測量，學生對國家所提倡的工匠精神會有深刻的理解；再比如材料力學關心的強度問題，通常以危險點的應力作為整個構件強度計算的依據，可以有意識地提醒學生關注細節，幫助學生樹立嚴謹的科學精神。在增強民族自豪感和文化自信方面，該課程在這方面的思政元素也很多。比如，在強度理論學習時[9]，介紹提出雙剪應力強度理論的中國力學家俞茂宏以及在復合材料斷裂領域取得非凡成就的世界著名材料力學專家米耀榮教授，順便提醒學生米教授是宋朝書畫家米芾的后代；再加上筆者所在單位的力學學科帶頭人鄭曉靜院士以及建立我國首個力學研究所的錢學森，這些素材都大大激發了學生對力學的興趣和學習熱情。

再有，課程采用雙語教學，指導學生將中、英文教材的內容對照起來學習， 把握材料力學的中英文不同的邏輯結構和闡述方法，培養學生融合中、英文思維方式的能力，提升了學生跨文化比較意識與文明互鑒意識，拓寬學生的國際視野，反過來更促進了學生培養開闊而理性的愛國情懷，達到中英文思維交相輝映，國際視野和愛國情懷相得益彰。比如，該課程教材的中文名稱為“材料力學”，傾向于包羅萬象，面面俱到。而英文教材名稱除了“Mechanics of Materials（材料力學）”，更多地取名為“Strength of Materials（材料強度）”，或者“Mechanics of Deformable Bodies（變形體力學）”。前者側重于研究重點，而后者側重于研究對象。兩種語言不同的表達方式和思維模式帶給學生的沖擊不言而喻。圖4為筆者所講授的材料力學雙語課程所進行的思政教學設計。

四 教學方法和教學環境的創設

教學目標的實現和人才培養支撐指標的達成離不開有效的教學方法和良好的教學環境。在教學方法方面，除了通過工程問題驅動引入教學內容，可以使教學有明確的目標，幫助學生提高學習興趣和加深知識體系的理解，還可以引入多種教學方式使教學過程有效開展。比如，采用討論式教學，可以將批判式思維融入教學，引導學生積極思考；在課堂中跟學生討論具體問題時，通過一些直覺得到的、容易誤導性的結論來啟發學生積極思考。舉個例子，在講應力應變狀態分析時，筆者向學生提出一個問題：在梁承受彎曲時橫截面上同時產生正應力和剪應力，那么這種情況可以用前幾章學到的單向拉伸時正應力和純剪切時剪應力的強度公式聯合起來進行強度校核嗎？很多學生回答可以，但又覺得哪里不對。通過提問、回答及自己尋找答案的方式，學生對復雜應力狀態有了更深入的理解。

此外，課程除了需要課堂教學時采用靈活多樣的教學方法、加大實驗實踐環節、開放實驗室供學生課后實踐的比例，在當前環境下要充分利用信息手段，使線上線下教學有機結合。為此，筆者所在課程教學團隊分別在中國大學MOOC平臺開設了課程相關的中文和英文課程。在目前線下課程減少的情況下，學生可以利用線上學習部分內容，而且通過線上測試，學生可以得到及時快速的反饋，對自己的學習情況進行檢查與反思。

五 結束語

通過這幾年材料力學雙語課程教學探索與實踐，筆者深切地體會到，要進行教學內容和教學體系的改革創新，使教學內容充分體現現代教育理念和時代要求，課程需要與時俱進，緊跟學科前沿，更新教學內容和教學模式。教師需要結合自身的科研，利用科研來促進教學，提煉科研中的材料力學問題，更新課程中的工程案例和綜合實踐內容，更多地創造學生在本科期間參與科研的機會，使學生積極參與到課程建設中來。也需要充分利用信息化手段，完善課程網上資源，特別是建立與實驗及綜合實踐相關的網上資源，利用在線測評提高評價和反饋速度；另一方面要認真研究教學方法，探索如何在專業課程教學中有機融入思政元素，深度挖掘力學的美感，激發學生的學習興趣，使得思維培養與人文教育更加潤物無聲。

參考文獻：

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