創(chuàng)新型大學材料力學課程建設的思考與舉措

摘" 要：基于新時期國家創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)需求，結(jié)合材料力學課程的特點，以及蘭州大學力學專業(yè)人才培養(yǎng)目標的定位，該文闡述對創(chuàng)新型大學材料力學課程改革與實踐教學的思考。包括對材料力學課程內(nèi)容更新;對材料力學創(chuàng)新性實驗的設計;對本科生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)科研訓練項目設計的思考，以及相應的教學方式和手段的革新與舉措。通過相關(guān)措施，促進教學質(zhì)量提升，教學團隊建設、推進課程的高水平建設。

關(guān)鍵詞：材料力學;實踐教學;課程建設;思政元素;思考與舉措

中圖分類號：G642" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-000X（2025）04-0068-06

Abstract： Based on the training requirement of the national innovative talents in the new era， combined with the characteristics of the course of material mechanics， and the orientation of the training objectives of Lanzhou University's mechanics discipline of mechanics， this paper expounds the thoughts on the course reform and practical teaching of material mechanics in innovative universities， including updating the content of material mechanics course， designing innovative experiments in material mechanics， thinking about the design of undergraduate innovation and entrepreneurship research training projects， as well as the corresponding innovation and measures of teaching methods and means， through relevant measures， to promote the teaching quality， teaching team construction， and promote the high-level construction of courses.

Keywords： mechanics of materials; practical teaching; curriculum construction; ideological and political element; thinking and measures

材料力學是工程科學的一個重要分支，其主要關(guān)注工程實際中材料或結(jié)構(gòu)的強度、剛度、穩(wěn)定性等問題，是機械、土木、水利、采礦、石油工程、地質(zhì)勘探、航空航天、海洋工程等領(lǐng)域的基礎(chǔ)學科，在工程結(jié)構(gòu)的設計、制造、生產(chǎn)、技術(shù)創(chuàng)新等現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

一 新時期材料力學課程建設和教學改革的必要性

習近平總書記2021年9月27日在中央人才工作會議上的講話中提到“人才是衡量一個國家綜合國力的重要指標。人才是自主創(chuàng)新的關(guān)鍵，頂尖人才具有不可替代性。國家發(fā)展靠人才，民族振興靠人才。[1]”高校作為人才培養(yǎng)的主戰(zhàn)場， 肩負著人才培養(yǎng)的重要使命。蘭州大學作為國家部署在西北地區(qū)的、在中國的教育格局中具有重要戰(zhàn)略地位的高校，為黨和國家事業(yè)培養(yǎng)高水平的創(chuàng)新型人才是其重要的任務之一。尤其是在新的時期，如何按照國家和社會發(fā)展的需要進行教學改革和課程建設，進一步提高教學質(zhì)量，為國家培養(yǎng)更多的創(chuàng)新性人才顯得尤為重要。

力學課程是絕大多數(shù)理工科高校必修的專業(yè)課程，材料力學不僅是力學專業(yè)學生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是工科高校機械、土建、土木工程等專業(yè)學生必修的基礎(chǔ)課。在力學專業(yè)的教學體系中，材料力學具有承上啟下銜接理論力學和后續(xù)結(jié)構(gòu)力學、彈性力學等課程的重要作用，也是讓學生的認識從牛頓經(jīng)典力學逐步過渡到連續(xù)介質(zhì)力學的課程。材料力學經(jīng)過漫長的發(fā)展時期，目前已經(jīng)形成了比較完備的課程內(nèi)容和體系[2-5]。然而隨著科學技術(shù)的日新月異，學科的交叉融合及新概念、新思想、新技術(shù)、新材料的不斷涌現(xiàn)，以及高水平創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)需要，如何進一步完善課程建設，提高教學質(zhì)量、進而培養(yǎng)學生的科研素養(yǎng)、創(chuàng)新能力和質(zhì)疑精神，顯得非常必要和重要。因此，對材料力學課程內(nèi)容的調(diào)整和補充、授課方式的革新，以及實踐教學環(huán)節(jié)的改變勢在必行。

二" 創(chuàng)新型大學材料力學課程建設的思考及相關(guān)舉措

（一）" 注重科教融合，實現(xiàn)材料力學課程教學內(nèi)容的更新與補充

結(jié)合材料力學課程的基本知識點，結(jié)合科學前沿，尤其是所在學校、所在學科或課題組的特色研究方向，對相關(guān)知識點內(nèi)容進行適當補充是實現(xiàn)科教融合、更新課程教學內(nèi)容的有效途徑之一。這種方式一是讓學生能夠盡早了解所在院校特色專業(yè)方向，激發(fā)學生的學習熱情，增強他們的專業(yè)認可度，強化他們的基礎(chǔ)，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神;二是可以充分利用所在研究團隊的科研儀器和平臺，易于補充完成相關(guān)知識點關(guān)聯(lián)的實驗，易于展開與知識點關(guān)聯(lián)的實踐教學、科研創(chuàng)新項目等。

如作者在講授材料力學拉壓性能時，考慮到電磁固體力學是蘭州大學力學學科最具特色的研究方向之一，科研團隊具有用于不同變溫環(huán)境下力學性能的測試平臺，因此補充了磁流變彈塊材在不同溫度下的壓縮性能試驗及樹脂材料拉伸試驗內(nèi)容，并做補充講解。（利用3D打印制備的樣品及加載裝置和實驗曲線如圖1所示。）通過相關(guān)的內(nèi)容補充和講解，使學生接觸到目前學術(shù)界所關(guān)注的新型材料（超彈性材料）的力學性能，了解目前一些新的制備技術(shù)，如增材制造技術(shù)（用于樣品制備的3D打印技術(shù)），以及課題組研制的用于壓縮、剪切性能測試的加載裝置等。在此基礎(chǔ)上，還可以引導學有余力、并對科研具有興趣的其進一步了解超彈性材料的本構(gòu)關(guān)系，拓展設計與之相關(guān)本科生創(chuàng)新項目等。再如：講授壓桿穩(wěn)定內(nèi)容，作者結(jié)合了自己在鐵磁梁板結(jié)構(gòu)屈曲、后屈曲的研究[6]，適當給其介紹屈曲、穩(wěn)定性的概念如何拓展到功能材料的研究中，使其在進一步加深對屈曲、穩(wěn)定性等基本概念的理解，了解后屈曲、多場耦合、幾何非線性問題的特點和特征。通過上述一系列的做法，不僅開拓了學生的眼界，激發(fā)了其學習興趣和熱情，加深對相關(guān)知識點理解;最主要的一點是，為他們接觸科研提供了一個契機，知道科研并不遙遠，為其未來從事科學研究植入了理想的種子。

（二） 注重將日常生活中具體的工程實例和材料力學知識結(jié)合

力學是近代科學與工程技術(shù)的基礎(chǔ)，是自然科學和技術(shù)科學的先導學科之一。將力學教育與工程相結(jié)合，將科學研究與實踐相結(jié)合是力學學科發(fā)展的源泉，是被證明行之有效的方式之一[2，7]。在材料力學的講授中，引入日常生活中工程實例，以實例作為引導講授相關(guān)聯(lián)的知識點，不僅有助于扎實掌握基礎(chǔ)相關(guān)知識，提升學生解決實際問題的能力，還有助于增強其專業(yè)認同感，激發(fā)學習興趣，同時還有助于增強其使命感、責任感。

如撐桿跳是廣受田徑愛好者喜歡的一項運動，但在2012年倫敦奧運會、2019軍人運動會或近期亞錦賽撐桿跳項目均出現(xiàn)撐桿斷裂的案例（圖2）。在講授桿件的彎曲變形、強度、應變能時可以撐桿跳運動做為實例[2]。撐桿材料經(jīng)歷木桿、竹桿、金屬桿、合金桿和碳纖維復合材料桿件等不同的發(fā)展時期。撐桿材料的發(fā)展，尤其是碳纖維復合材料的發(fā)展，極大地促進了撐桿跳運動項目的發(fā)展，但時至今日，撐桿斷裂的事例仍時有發(fā)生。在撐桿跳的過程中涉及到的力學問題包含桿件的變形、能量儲存與轉(zhuǎn)換、材料的斷裂等問題，在課堂講授時以撐桿運動為例結(jié)合這些知識點進行講授，可以使學生較為深刻地掌握這些知識點。此外這一工程實例也可以作為學生課后進一步拓展的課題，鼓勵建立撐桿跳運動的力學模型，分析撐桿斷裂的力學模型等。當然在此過程中，還可以適當提及我國在碳纖維復合材料領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀，指出我們在該領(lǐng)域發(fā)展的不足，促使同學們關(guān)注國家的科技發(fā)展，提升他們的愛國熱情和使命感等。

此外工程實例也可以是人們?nèi)粘ｊP(guān)注的現(xiàn)象和問題。如腰椎間盤突出是日常生活中非常常見的一種疾病，武際可[8]先生在科普文章中介紹過椎間盤突出并結(jié)合力學知識給與了相應的分析[5]，在講材料力學梁的彎曲問題和壓桿失穩(wěn)問題，也可以此為實際案例，引導學生課后進一步研讀相關(guān)的科普論文，在掌握基本知識點的基礎(chǔ)上，促使學生們能夠基于所學知識，思考日常生活中發(fā)生的各種現(xiàn)象，養(yǎng)成勤學、好問、善思的良好習慣。

要善于收集、總結(jié)、分類歸納各類工程案例，并用于教學課程的更新或作為實踐教學或本科生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)科研訓練的素材等[9]。工程事例可來自日常生活的事故、事例、災害、甚至科幻電影等。如：爆火的電影《流浪地球》中提出的太空電梯的概念，什么樣的材料強度才能建造太空電梯？如：齊齊哈爾市體育館坍塌事故事件導致多人身故，令人痛心和惋惜。作為力學工作者應該從力學強度角度、結(jié)構(gòu)的設計角度，思考事故發(fā)生的原因，總結(jié)經(jīng)驗教訓。諸如此類，均可作為課程的工程案例。這樣的工程素材來源于生活、貼近生活，更能引起學生的共鳴，激發(fā)學習興趣和社會責任意識。

（三） 注重將新概念、新知識融入到課程內(nèi)容和實踐教學環(huán)節(jié)中

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，各學科的交叉，一些涉及材料力學的新知識、新概念的提出與發(fā)展，能夠與時俱進地將一些新知識和概念融入到材料力學的教學中，或者引入實踐教學和本科生科創(chuàng)訓練也是有必要的。

如“泊松比”的概念，這一概念是材料力學的最基本的概念，最早是由法國力學家泊松（ Simeon Denis Poisson，1781—1840）提出[2，4]。這一概念是反映材料橫向變形的彈性常數(shù)，在自然界中存在的材料一般都是正泊松比材料。簡單地說，桿件在拉伸時，縱向伸長，則橫向收縮。然而隨著現(xiàn)代材料設計技術(shù)的發(fā)展，人們通過材料的微結(jié)構(gòu)設計，可以使材料結(jié)構(gòu)在縱向拉伸時，橫向發(fā)生膨脹，即出現(xiàn)“負泊松比”[10]。利用“負泊松比”的概念，人們設計出具有高比強度、高能量吸收率等性質(zhì)的材料，應用于航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、土木結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域，如：基于負泊松比的橋梁收縮裝置，基于負泊松比效應設計的NPR錨桿/索應用于圍巖支護系統(tǒng)[11]等（圖3）。

在授課過程中，可以結(jié)合材料彈性模量、泊松比概念提出和發(fā)展過程，針對各向同性線彈性材料在講清楚彈性模量和泊松比的基礎(chǔ)上，適當介紹負泊松比的概念及其工程應用，可以促進學生對概念理解和鞏固，同時能夠進一步了解新概念帶來的技術(shù)變革，激發(fā)其熱情和科研興趣。

除了新概念的引入，還可以將一些新知識融入授課內(nèi)容中。如對梁的理論部分還可以適當介紹剪切的鐵摩辛柯梁、用于微納尺度的非局部梁理論[12]，對于強度理論部分可以結(jié)合我國科學家的貢獻，如王彪[13]教授的“非平衡熱力學框架的材料與結(jié)構(gòu)的強度理論等”均可適時地介紹給學生。通過這些新知識、新概念的引入，使學生能夠“固本強基”的同時，理解一些概念或理論的發(fā)展，擴大知識面，接觸科研、體驗科研的魅力，培養(yǎng)其創(chuàng)新意識、科研素養(yǎng)，提升他們的科研能力。

（四）" 注重將思政教育和專業(yè)知識結(jié)合，潤物無聲、潛移默化

在學生在掌握專業(yè)知識的同時，注重將思政教育和專業(yè)知識結(jié)合，潤物無聲、潛移默化，使學生能夠在掌握扎實專業(yè)知識的同時，進一步提升愛國熱情、家國情懷、文化自信。力爭做到元素潤人、精神育人、實踐礪人。

要注重多元化收集、整理和歸納思政元素。思政元素的素材可以是學科的發(fā)展史，如材料力學中的“中性層”“彈性模量”等重要概念的提出和發(fā)展也是學者經(jīng)過長期、歷經(jīng)百年的求證和探索，適時地將這些內(nèi)容介紹給學生，培養(yǎng)他們正確的科學史觀、認知觀，促使其從科學史中汲取成功的經(jīng)驗，提升科學素養(yǎng)，培養(yǎng)其創(chuàng)造性思維和批判性思維。

思政元素也可以來源于科學前沿研究，就前沿研究與相關(guān)知識點結(jié)合，介紹中國科學家的貢獻。如：在強度理論中，可以介紹王彪[13]教授的非平衡熱力學框架下的強度理論等，俞茂宏[14]教授的雙剪理論。

思政元素也可以與高尚師德、科學家精神相結(jié)合。蘭州大學力學專業(yè)作為中國科協(xié)首批科學家精神傳承基地，教育部第二屆“全國高校黃大年式教學團隊”。學科發(fā)展過程本身就充滿堅守、奉獻、傳承和開拓等科學精神，蘊含著高尚的師德，從蘭州大學力學學科的開創(chuàng)者葉開沅先生到周又和院士，以及鄭曉靜院士都是高尚師德、科學家精神傳承的代表人物。在課程講授過程中穿插一些科學故事，通過師德育人，科學家精神育人，也非常有助于培養(yǎng)學生家國情懷和奉獻精神。

思政元素也可以來自日常生活實踐，西南交通大學的龔暉老師曾以“建筑工人裝卸鋼管”舉例，凝練出其中的諸如材料的變形、能量轉(zhuǎn)化、材料的強度等力學元素，以及“實踐出真知，高手在民間”“善于觀察、身邊處處是力學”“力學知識的巧妙應用，可解決工程大問題”等系列思政元素，非常值得借鑒。

在課程思政建設中，需要將思政元素與專業(yè)知識有機融合，需要做到潤物無聲，潛移默化。在潛移默化中培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、提升其科研素養(yǎng)，培養(yǎng)家國情懷與文化自信。如：講授結(jié)構(gòu)的彎曲變形、強度或結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題時，可以中國古建筑（如四川安瀾竹索橋、應縣木塔）為例[4，15-16]。這些古建筑在歷史的長河中，歷經(jīng)多次地震和自然災害，卻保持完整。從專業(yè)知識的角度看，一方面是這些古建筑結(jié)構(gòu)特征滿足最佳的力學特征，具有力學之美;另一方面具有建筑之美和文化之美。從傳統(tǒng)建筑文化中汲取智慧，夯實理論基礎(chǔ)[17]，使專業(yè)教育和思政教育有機結(jié)合，無疑是最好的方式之一。

三" 對材料力學的創(chuàng)新試驗和科研訓練項目設計的思考

材料力學課程的實踐環(huán)節(jié)也是課程建設和改革的重要環(huán)節(jié)，在目前已有的基礎(chǔ)實驗基礎(chǔ)上，結(jié)合科學前沿，設計一些新的，圍繞材料力學知識點的創(chuàng)新性實驗，或者在此基礎(chǔ)進一步拓展，設計出一些適合本科生科研創(chuàng)新項目的課題，也是非常必要的[17]。

在創(chuàng)新實驗方面：可以對已有的材料力學基礎(chǔ)實驗進一步地挖掘和拓展。一是從材料角度拓展，如：樹脂材料、硬磁軟材料、水凝膠材料、泡沫和玻璃材料等均可作為實驗對象。（圖4展示了作者在講授材料拉伸與壓縮行為時，設計的具有不同截面形狀的樹脂材料試樣的拉伸實驗。通過與教材中低碳鋼和鑄鐵拉伸液壓縮實驗的比較，讓學生了解樹脂材料的力學性能和采用標準試件的必要性等。）再就是從實驗條件和環(huán)境的改變?nèi)胧郑缭O計高低溫、強磁場、高電流超導材料的拉伸壓縮實驗，設計變溫和變磁場條件下的磁流變彈材料的拉伸、壓縮、剪切實驗等。

在創(chuàng)新實驗的基礎(chǔ)上，還可以圍繞材料力學知識點、設計一些獨具特色的本科生創(chuàng)新項目，一是可以依據(jù)指導教師的科研項目和研究方向設計本科生創(chuàng)新項目，如：結(jié)合學科的超導研究方向，設計類似“低溫環(huán)境下超導絲的力學行為測試”一類的創(chuàng)新課題，該類課題最大特點是緊密結(jié)合學科研究方向，充分利用所在學科的科研平臺，易于實施和完成。二是圍繞材料力學的新知識、新概念設計一些實驗。如：設計負泊松比材料、零泊松比材料，設計具有特殊功能的力學超材料結(jié)構(gòu)等。圖5展示了作者指導的蘭州大學本科創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學生利用3D打印技術(shù)制備的負泊松比材料結(jié)構(gòu)、五模力學超材料和海姆霍茨聲子晶體超材料結(jié)構(gòu)。

總之，通過材料力學的創(chuàng)新實驗和大學生科研創(chuàng)新項目的設計，要使學生夯實材料力學基礎(chǔ)知識的同時，能夠進一步開闊眼界，拓展思維，盡早了解科學研究的各個環(huán)節(jié)，培養(yǎng)其創(chuàng)新意識和質(zhì)疑精神等基本的科研素養(yǎng)。

四" 對革新教學模式與教學手段的思考和舉措

在課堂教學模式方面，要注重課前-課中-課后結(jié)合，改變“重教輕學”的教學模式，注重“教、學并重”，注重“啟發(fā)式”教學，注重將日常生活中的具體工程實例和材料力學知識的結(jié)合。工程實例選用有時候也要注意時效性和典型性。如在2021年秋季學期對學生授課時，趁2021年東京奧運會召開之際，作者以中國運動員獲得金牌的蹦床、體操、跳水項目等為例，給學生介紹彎曲應變能、動載荷、動應力問題。以這些具有時效性的、鮮活的實際工程案例為引導，學生的學習熱情高漲，參與度高，能夠主動思考，并舉一反三地將力學知識靈活到這些實際問題中，非常有助于培養(yǎng)其創(chuàng)新意識和精神及解決實際問題的能力。

要充分利用好網(wǎng)絡資源和多媒體技術(shù)。結(jié)合“線下”和“線上”不同的教學平臺特點和模式[18-19]，增強師生之間的互動，及時了解并幫助解決學生在學習過程中存在的問題。針對材料力學課程線上資源豐富的特點，可以給學生推薦一些優(yōu)秀的課程資料，使其能夠通過不同的渠道、不同的方式，全方位地、較為全面地掌握材料力學課程的知識要點。

在授課方式和手段方面，注重授課方式和手段的多樣化。一是注重板書、多媒體課件、教具等不同教學手段的充分結(jié)合。板書作為傳統(tǒng)的授課模式，有助于學生了解知識脈絡，引導學生的思路，使學生能夠較快地接受知識，提升技能等，特別在理工科基礎(chǔ)課程教學中仍是不可或缺的有效教學方式和手段之一。而多媒體電子教案PPT等用于授課則具有直觀、生動、信息量大等特點，也是目前課堂講授中常見的模式和手段之一;教具雖然目前使用較少，但可以使學生最直觀地了解相關(guān)的概念或相關(guān)結(jié)果，在教學過程中，適當使用教具可以起到事半功倍的作用。目前隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展和普及，按照授課內(nèi)容需要適當制作一些相應的教具，教學手段和方式的選取一定要符合教學特征和規(guī)律，要多樣化地使用教學手段，既不能過度使用多媒體數(shù)字技術(shù)，那樣不利用學生邏輯思維的培養(yǎng);也不能只單純的依賴板書，那樣可能會由于信息量不足造成學生對知識理解的寬度和深度不夠等。作者在長期的教學過程中，經(jīng)過嘗試和總結(jié)，依據(jù)材料力學的課程特點，在課堂教學中堅持采用以板書為主，多媒體課件、教具為輔的教學手段，注重授課實效，注重提高教學質(zhì)量。對于主要的知識點和習題講解，以板書講授為主，培養(yǎng)學生邏輯思維能力。對課程的概論、發(fā)展史和工程實例，以多媒體PPT講授為主，使學生能夠直觀地、快速地了解和掌握相關(guān)內(nèi)容和知識。對一些概念和結(jié)果的展示，則利用一些教具，如講解負泊松比效應，輔以3D打印的教具，可以使學生更加直觀、清晰地了解這一概念。

五" 結(jié)束語

總之，材料力學課程在理工科的課程體系中具有重要的地位，材料力學課程建設和改革對于新時期創(chuàng)新型理工科人才的培養(yǎng)具有重要作用。無論是課程內(nèi)容、教學模式、教學手段的探索革新，都要以提升教學質(zhì)量、培養(yǎng)具有質(zhì)疑精神有創(chuàng)新精神的創(chuàng)新人才為目標。要提高教學質(zhì)量，就需要深刻掌握教學規(guī)律，積累教學經(jīng)驗，通過科教融合，更新課程內(nèi)容;通過教學模式和手段的革新，激發(fā)學生的熱情，通過創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生的質(zhì)疑精神、創(chuàng)新意識、科研素養(yǎng)。在本文中，作者結(jié)合自己在材料力學課程的教學經(jīng)驗及對材料力學課程內(nèi)容更新、創(chuàng)新性實驗的設計，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)科研訓練項目設計等方面的個人見解和思考，提出了一些建議和舉措，以期對新時期材料力學的課程建設、教學質(zhì)量的提升提供一些借鑒和參考，進而為創(chuàng)新型力學人才的培養(yǎng)貢獻力量。

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基金項目：國家自然科學基金項目“非線性磁敏感聲子晶體彈性波傳播特征及其帶隙調(diào)控研究”（11872194）;蘭州大學本科教學團隊建設項目（無編號）

作者簡介：高原文（1974-），男，漢族，甘肅臨洮人，博士，教授，博士研究生導師。研究方向為電磁固體力學，超材料波動力學。