仿真賦能《材料力學》教學改革與創新探索

摘 要：文章聚焦《材料力學》課程教學改革，針對課程現存問題，將課程思政、虛擬仿真技術與現代教學工具融入教學中，從教學內容、教學模式多維度展開探索，旨在提升教學質量，培養創新應用型人才。通過在教學內容中融入思政元素及運用 Python、CAE 軟件優化教學過程，構建多元化教學模式，有效激發學生的學習興趣，增強學生實踐與創新能力，從而為工科專業人才培養提供有力支撐。

關鍵詞：“材料力學” 教學改革 課程思政 虛擬仿真

1 緒論

材料力學是一門研究構件在荷載作用下的強度、剛度和穩定性問題的課程，與工程實際緊密相連，是機械、土建、交通、航空航天等專業的核心課程，在高校教學培養方案中占重要地位[1-2]。然而，隨著就業市場對人才需求的不斷變化，高校課程體系日益豐富，材料力學作為專業基礎課，逐漸暴露出諸多問題[3-5]。

1.1 教學內容與課時矛盾突出

材料力學內容涵蓋多種基本變形、組合變形、強度理論、壓桿穩定性等眾多知識模塊，每種變形又涉及內力、應力、變形等多方面內容。豐富的教學內容在有限的課時內難以充分展開，教師教學任務繁重，學生學習壓力大，知識吸收效果不佳。

1.2 教學內容抽象，與實踐脫節

課程涉及大量抽象概念和理論。當前教學仍以多媒體講授為主，側重于理論分析和公式推導，而關于實際工程案例分析不足。大多數學生缺乏工程經驗，單憑記憶公式和概念，易喪失學習興趣，教學效果不理想。

1.3 教學模式單一，實驗教學受限

材料力學教學主要有理論講授和實驗教學，教學方法較為單一。實驗教學雖重要，但受時間和資源限制，學生動手實踐機會有限。傳統實驗教學多以教師演示為主，學生被動觀摩，難以有效培養學生的動手實踐和創新能力。

1.4 現代仿真技術融合不足

目前，多數材料力學課程仍局限于傳統理論教學，對現代仿真技術的介紹和應用較少。學生缺乏對工程實踐的了解和適應能力，所學理論知識難以應用于解決實際工程問題。虛擬仿真技術雖在工程中廣泛應用，但在教學中尚未普及，僅在部分研究型高校開展，且多處于教師演示階段，缺乏理論與軟件操作的深度融合[6-7]。

中央人才工作會議強調培養大批卓越工程師的重要性，而課程作為人才培養核心要素，其質量直接關乎人才培養成效[8]。虛擬仿真技術在工程領域廣泛應用，為材料力學教學改革提供了新契機。基于此，本研究秉持“強基礎、重實踐、融模擬、促創新”的理念，從教學內容和教學模式兩個維度，探索材料力學課程教學改革路徑，融入工程案例、課程思政和虛擬仿真技術，以適應新時代工科人才培養需求。

2 教學內容改革

對材料力學課程內容進行優化整合，突出重點核心章節，精簡復雜且實用性較低的部分。將工程案例和思政元素融入課程知識體系，構建“融工程、融思政”的教學內容。

2.1 優化教學內容，融入思政與工程案例

課程思政是落實立德樹人根本任務的關鍵舉措。在材料力學課程教學改革中，融入課程思政元素，有助于引領知識傳授與價值的有機統一。

在教學過程中，從日常生活到重大工程，逐步引入力學知識應用案例，加深學生對理論知識的理解，激發學習興趣。同時，深入挖掘思政元素，從愛國奉獻、文化自信、職業責任等多方面出發，將課程思政與力學原理、工程案例緊密結合，使思政教育自然融入教學過程，增強課程的思想性與親和力。

2.2 課程思政知識點示例

以桿的拉壓知識點為例，結合殲20、C919大飛機起落架等工程實例，介紹羅陽同志為我國航空事業奉獻的事跡，培養學生愛國奉獻精神。在講解材料力學特性時，提及斜拉橋鋼索與鋼筋混凝土橋塔受力特點，以及趙州橋用石頭打造的歷史等，引導學生樹立人盡其才、物盡其用的價值觀，增強文化自信。講述壓桿穩定知識點時，引入加拿大魁北克大橋坍塌案例，強化學生職業責任意識。通過這些具體案例，將思政教育貫穿于材料力學教學全過程，讓學生在學習專業知識的同時，受到思想政治教育的熏陶。（表1）

3 教學模式改革

3.1 工程具象化教學

以引入生活實例與工程案例為向導，闡釋材料力學的概念及研究方法。

在講解軸向拉伸與壓縮概念時，以橋梁拉索為實例，展示拉索承載橋面重量時軸向受力導致長度變化的現象，使學生直觀感受拉力作用下構件的變形特征，從而引出軸向拉伸概念。在講解軸向拉壓桿問題求解時，引出飛機起落架相關知識，激發學生的探索欲。圍繞該問題，引導學生建立力學模型，確定合適的計算方法，讓學生逐步理解從實際問題到理論分析的轉化過程，培養學生解決實際工程問題的思維方式。

3.2 融合工程軟件與實踐教學

3.2.1 借助數值計算工具

在材料力學理論教學中，傳統板書推導公式計算模式較為繁瑣，且不利于學生理解抽象概念。引入現代技術工具Python語言和Matlab軟件，可使理論計算更加簡便有趣，極大地提高學生的學習積極性。

以梁的彎曲內力求解章節為例，先深入講解彎矩、剪力與荷載集度間微分關系推導，這是繪制內力圖的理論基礎。隨后引入Python代碼，以簡支梁受集中力、均布荷載情況為實例，詳細展示如何運用Matplotlib庫繪制彎矩圖和剪力圖。

在這個過程中，學生不僅掌握了先進的工具，還簡化了傳統手動計算的繁雜性。以往手動計算內力圖，需要進行大量復雜的公式運算，過程繁瑣且容易出錯，學生往往會因計算的復雜性而對課程產生畏難情緒。而采用Python繪制內力圖，學生通過編寫簡單的代碼就能快速得到準確的結果，并直觀地看到彎矩圖和剪力圖的變化趨勢。這不僅讓學生從繁瑣的計算中解脫出來，更讓他們感受到現代技術工具的便捷與強大，從而激發他們主動學習的熱情，提高學習積極性。

3.2.2 引入CAE虛擬仿真輔助教學

將CAE（Computer-Aided Engineering）軟件，如ANSYS、ABAQUS等引入《材料力學》教學，為學生開啟通往工程實踐的新窗口。采用虛擬仿真技術可輔助模擬部分實驗，如金屬材料扭轉變形、純彎曲正應力測定及壓桿穩定性等實驗[9-10]。借助ANSYS友好的可視化界面，能夠直觀、動態地展示材料復雜的變形、屈曲等過程，把抽象的概念通過GUI圖形形象化表達，讓學生更易于理解。

例如在講解強度理論時，針對鍋爐強度校核問題時，可以采用理論計算和數值模擬對比的方式進行。給學生提供了計算新思路，學生可以通過軟件直觀看到鍋爐在壓力作用下的應力分布情況，原本抽象的應力概念變得清晰可見，極大地降低了理解難度。（圖4）

同時，CAE軟件還能讓學生掌握解決實際工程問題的方法和手段。課后，組織學生分組利用ANSYS對類似小型建筑結構進行力學分析，撰寫分析報告并探討結構優化方案。從開始以工程案例提出問題，建立力學模型和計算方法，到最后解決實際工程問題，學生不僅能掌握材料力學基本原理，還能熟悉現代工程設計流程，提升解決復雜工程問題的能力，實現理論知識與工程實踐的深度融合。這種從實際問題出發，借助CAE軟件進行分析求解的過程，讓學生切實體會到材料力學知識在工程中的具體應用，增強了學生對課程的理解和應用能力，為他們未來的職業發展奠定了堅實的基礎。

4 結語

通過基于仿真的教學改革探索，在《材料力學》教學中融入課程思政元素，豐富教學內涵；在教學模式上引入現代工程軟件和虛擬仿真技術，增強教學趣味性和實踐性。這些改革措施有效提高了學生的學習熱情，增強了學生的實踐能力和創新能力，為培養新時代需求的創新應用型人才奠定了堅實的基礎。然而，教學改革是一個持續發展的過程，未來仍需不斷探索和完善，以適應工程教育發展的新要求。

參考文獻：

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