新工科背景下“材料力學(xué)”改革與實(shí)踐研究

吳坤銘

（皖西學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院，安徽 六安 237012）

“材料力學(xué)”課程是土木類專業(yè)課程，課程緊密聯(lián)系工程實(shí)際，通過(guò)理論、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，解決構(gòu)件受力后的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生分析、解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，提升學(xué)生創(chuàng)新思維能力，為土木工程等相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)和計(jì)算方法，養(yǎng)成科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度和理論結(jié)合實(shí)際的學(xué)習(xí)意識(shí)。本文結(jié)合皖西學(xué)院土木工程省級(jí)一流專業(yè)建設(shè)，以“材料力學(xué)”課程為例，圍繞土木類人才實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)，優(yōu)化“材料力學(xué)”課程內(nèi)容，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，探索新工科背景下面向土木類人才培養(yǎng)的“材料力學(xué)”課程改革與實(shí)踐并加以總結(jié)。

1 新工科背景下對(duì)土木類人才培養(yǎng)的要求

1.1 改革人才培養(yǎng)模式，加強(qiáng)實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)

改革人才培養(yǎng)模式，修訂專業(yè)人才培養(yǎng)方案，理論與實(shí)踐并重，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，探索“3+1”人才培養(yǎng)模式，即3年在校內(nèi)開(kāi)展理論和實(shí)踐教學(xué)，1年在校外基地開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)，以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力[1]為主線，設(shè)置課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)模塊，探索人才培養(yǎng)新途徑。

1.2 深化校企合作方式，不斷提升師資隊(duì)伍水平

為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)土木類人才培養(yǎng)的要求，緊密依托地方產(chǎn)業(yè)發(fā)展深化校企合作，組織教師深入生產(chǎn)一線服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，參與研究和解決制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵共性技術(shù)問(wèn)題，將解決產(chǎn)業(yè)發(fā)展的科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，不斷豐富教學(xué)內(nèi)容，不斷創(chuàng)新教學(xué)方式，增強(qiáng)教師掌握新技術(shù)和應(yīng)用新技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，不斷提升師資隊(duì)伍水平，不斷提高人才的培養(yǎng)質(zhì)量和社會(huì)服務(wù)能力。

1.3 依托校企合作平臺(tái)，實(shí)施實(shí)踐課程培養(yǎng)模塊

依托校企合作平臺(tái)，將實(shí)踐類課程與生產(chǎn)實(shí)際緊密結(jié)合，生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)等實(shí)踐環(huán)節(jié)在校外基地開(kāi)展，由校內(nèi)、外教師聯(lián)合指導(dǎo)，實(shí)習(xí)內(nèi)容融入土木工程生產(chǎn)主要過(guò)程；課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)選題來(lái)源于實(shí)際工程，真題真做，將工程案例轉(zhuǎn)化為專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)校企協(xié)同育人；鼓勵(lì)學(xué)生積極參加學(xué)科競(jìng)賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，在比賽中鍛煉學(xué)生的綜合素質(zhì)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，探索培養(yǎng)土木類人才實(shí)踐創(chuàng)新能力的新途徑。

2 “材料力學(xué)”課程改革措施

2.1 改革課程內(nèi)容

不斷優(yōu)化課程內(nèi)容，使傳統(tǒng)經(jīng)典內(nèi)容與現(xiàn)代科技發(fā)展有機(jī)結(jié)合，基礎(chǔ)知識(shí)與工程問(wèn)題相結(jié)合[3]，重視實(shí)踐教學(xué)，圍繞人才培養(yǎng)持續(xù)優(yōu)化課程內(nèi)容。力學(xué)問(wèn)題源于工程實(shí)踐，服務(wù)于生產(chǎn)建設(shè)，“材料力學(xué)”課程的基本概念、內(nèi)容和方法貫穿于工程問(wèn)題[2]的解決和學(xué)科發(fā)展。因此，講解“材料力學(xué)”課程知識(shí)，應(yīng)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)基本概念的理解和掌握，注重學(xué)生對(duì)分析和解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生對(duì)力學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)介紹典型建筑工程、橋梁工程、水利工程等重大基礎(chǔ)設(shè)施，使學(xué)生堅(jiān)定中國(guó)特色社會(huì)主義道路自信、理論自信、制度自信和文化自信，肩負(fù)起民族復(fù)興的時(shí)代責(zé)任。

“材料力學(xué)”是土木類專業(yè)課程，通過(guò)定性分析和定量計(jì)算，研究構(gòu)件受荷載作用后的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問(wèn)題，為工程應(yīng)用提供依據(jù)，確保構(gòu)件在工程使用中滿足既安全又經(jīng)濟(jì)的條件。如在講解壓桿穩(wěn)定性時(shí)，以“雪災(zāi)導(dǎo)致的輸電塔倒塌事件”為案例，從材料的低溫冷脆、導(dǎo)線冷縮產(chǎn)生的溫度應(yīng)力、覆冰導(dǎo)致桿件內(nèi)力變化等方面分析高壓線塔倒塌的原因，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，根據(jù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求，改革課程內(nèi)容，知識(shí)點(diǎn)緊密圍繞工程實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力[4]。

2.2 改革實(shí)踐教學(xué)

改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容增加綜合性、設(shè)計(jì)性項(xiàng)目，實(shí)行分層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)，改變傳統(tǒng)單一的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，使學(xué)生掌握儀器設(shè)備使用、實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法及數(shù)據(jù)處理方法，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)材料的力學(xué)性能，加深對(duì)“材料力學(xué)”知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力。

實(shí)踐教學(xué)是課程教學(xué)的重要組成部分，是保證課程教學(xué)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)?！安牧狭W(xué)”實(shí)驗(yàn)是以材料力學(xué)理論為基礎(chǔ)，通過(guò)拉伸、壓縮等試驗(yàn)測(cè)定構(gòu)件的屈服極限、強(qiáng)度極限、延伸率和截面收縮率等力學(xué)性能參數(shù)；運(yùn)用電測(cè)理論和方法測(cè)定構(gòu)件在荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變，分析構(gòu)件的強(qiáng)度、變形和安全穩(wěn)定性，確定研究方案的可行性，為工程設(shè)計(jì)提供方法和依據(jù)。

2.3 改革教學(xué)內(nèi)容組織方式

改革課程教學(xué)內(nèi)容組織方式，一方面，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)基本概念、基本理論、基本方法和基本計(jì)算能力的掌握；另一方面，運(yùn)用多媒體教學(xué)手段，教學(xué)過(guò)程引入典型工程案例，介紹材料力學(xué)在解決實(shí)際問(wèn)題中的應(yīng)用，注重學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。探索案例式教學(xué)，把課堂“搬進(jìn)”現(xiàn)場(chǎng)，結(jié)合實(shí)際工程講解“桁架、壓桿、牛腿、組合變形”等基本概念，培養(yǎng)學(xué)生建立力學(xué)模型解決工程問(wèn)題的能力，不斷提高課程教學(xué)效果。通過(guò)改革教學(xué)內(nèi)容組織方式，既教授學(xué)生求解具體力學(xué)問(wèn)題的方法，又培養(yǎng)學(xué)生將工程實(shí)際問(wèn)題提煉成力學(xué)問(wèn)題的能力。

2.4 改革課程評(píng)價(jià)

改革課程評(píng)價(jià)，一是課堂教學(xué)，二是實(shí)踐教學(xué)，三是卷面考核。全面、客觀、科學(xué)、合理地評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握課程知識(shí)點(diǎn)情況，是提高學(xué)生課程學(xué)習(xí)效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是學(xué)生反饋課程教學(xué)質(zhì)量、促進(jìn)教師改進(jìn)課程教學(xué)的重要步驟。課堂教學(xué)評(píng)價(jià)，包括課堂問(wèn)題回答情況、課堂作業(yè)完成情況、課后習(xí)題完成情況、課堂出勤情況等。實(shí)踐教學(xué)評(píng)價(jià)，包括實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)情況、實(shí)驗(yàn)操作情況、實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫情況、實(shí)驗(yàn)出勤情況，參與開(kāi)放性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)情況等。卷面考核評(píng)價(jià)，主要為課程知識(shí)點(diǎn)掌握的卷面考核。上述三部分課程評(píng)價(jià)占比分別為20%、20%、60%，提高過(guò)程考核占比，學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)課程的積極性得到進(jìn)一步提高，學(xué)習(xí)效果得到進(jìn)一步提升，課程考核不及格率顯著下降。

3 “材料力學(xué)”課程改革成果

3.1 制定了符合培養(yǎng)要求的課程教學(xué)大綱

圍繞人才培養(yǎng)要求，改革課程教學(xué)內(nèi)容，制定符合新工科背景下面向土木類人才培養(yǎng)的“材料力學(xué)”課程教學(xué)大綱[5]；將土木類專業(yè)人才培養(yǎng)方案要求的相關(guān)指標(biāo)點(diǎn)落實(shí)到“材料力學(xué)”課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、進(jìn)度安排和考核方式中；依據(jù)課程知識(shí)點(diǎn)要求，制定“材料力學(xué)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，加強(qiáng)對(duì)土木類人才的實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)；實(shí)行分層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)，增加類型多樣的選修實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，探索新工科背景下面向土木類人才培養(yǎng)的新途徑。

3.2 編制了滿足實(shí)踐教學(xué)需要的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

依據(jù)“材料力學(xué)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱編制滿足實(shí)踐教學(xué)需要的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，開(kāi)展分層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為：基本實(shí)驗(yàn)、提高實(shí)驗(yàn)、開(kāi)放實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?；緦?shí)驗(yàn)為必修實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，主要培養(yǎng)學(xué)生掌握金屬材料的基本力學(xué)性能測(cè)試和分析能力；提高實(shí)驗(yàn)、開(kāi)放實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)為選修實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，主要培養(yǎng)學(xué)生力學(xué)建模能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。

提高實(shí)驗(yàn)，以鋼梁或鋼筋混凝土梁為研究對(duì)象開(kāi)發(fā)梁的純彎曲實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，運(yùn)用電橋原理設(shè)置實(shí)驗(yàn)任務(wù)，掌握電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)、電阻應(yīng)變補(bǔ)償技術(shù)等；對(duì)照實(shí)驗(yàn)任務(wù)學(xué)生自主完成電阻應(yīng)變片粘貼、導(dǎo)線焊接、應(yīng)變片與電阻應(yīng)變采集儀連接等，制定實(shí)驗(yàn)加載方案、記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程和現(xiàn)象、對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理、完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

開(kāi)放實(shí)驗(yàn)，依托“材料力學(xué)”開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有：金屬材料基本變形實(shí)驗(yàn)，金屬材料彈性模量E及泊松比μ電測(cè)實(shí)驗(yàn)，金屬梁彎曲電測(cè)實(shí)驗(yàn)，金屬梁彎扭組合電測(cè)實(shí)驗(yàn)等；對(duì)照實(shí)驗(yàn)任務(wù)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)原理和方法，自主準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)、制定實(shí)驗(yàn)方案、開(kāi)展實(shí)驗(yàn)、分析和處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果、完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，依托工程力學(xué)創(chuàng)新平臺(tái)，運(yùn)用電阻應(yīng)變片工作原理開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有：門式剛架、門式排架的內(nèi)力測(cè)試等驗(yàn)證結(jié)點(diǎn)特性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自主制定實(shí)驗(yàn)方案，確定待測(cè)截面和位置，確定應(yīng)變片組合方式并粘貼，應(yīng)變片與采集儀的導(dǎo)線連接等，加載、采集和記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析和處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

通過(guò)開(kāi)展分層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)，開(kāi)設(shè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目并編制相應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)書(shū)為學(xué)生研究性學(xué)習(xí)、創(chuàng)新能力培養(yǎng)、土木類結(jié)構(gòu)檢測(cè)及研究方案制定等打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.3 改革教學(xué)內(nèi)容組織強(qiáng)化了創(chuàng)新能力培養(yǎng)

改革教學(xué)內(nèi)容組織，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)基本概念、基本理論、分析方法的理解和掌握，運(yùn)用多媒體等教學(xué)手段，在教學(xué)過(guò)程中引入與“材料力學(xué)”相關(guān)的工程案例，運(yùn)用啟發(fā)式等教學(xué)方法[6]，以“彎曲正應(yīng)力”為例，通過(guò)列舉工程中的彎曲現(xiàn)象或彎曲構(gòu)件，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)觀察彎曲現(xiàn)象把握彎曲變形的本質(zhì)特征，提出“梁橫截面上各層纖維變形不均勻”的問(wèn)題，根據(jù)純彎曲實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，綜合幾何關(guān)系、物理?xiàng)l件和靜力學(xué)方程，建立并推導(dǎo)彎曲正應(yīng)力計(jì)算公式，找出“梁橫截面上不均勻的應(yīng)力是導(dǎo)致橫截面上各層纖維變形不均勻”的原因。通過(guò)上述方式培養(yǎng)學(xué)生力學(xué)建模能力，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。將實(shí)驗(yàn)等實(shí)踐教學(xué)與生產(chǎn)實(shí)際緊密結(jié)合，將工程問(wèn)題轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，深化校企合作，協(xié)同育人，不斷提高課程教學(xué)效果。

3.4 改革完善了課程評(píng)價(jià)

實(shí)踐表明，逐步充實(shí)、完善“材料力學(xué)”課程綜合評(píng)價(jià)，強(qiáng)化過(guò)程考核，合理分配課堂教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、卷面考核等在綜合評(píng)價(jià)中所占比例，改變傳統(tǒng)單一的考核方式，更加科學(xué)、合理地評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)掌握，反饋教師課程教學(xué)情況，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量提升，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性得到進(jìn)一步提高。

4 “材料力學(xué)”課程改革效果

圍繞“材料力學(xué)”課程建設(shè)，課程組先后主持安徽省教育廳質(zhì)量工程項(xiàng)目3項(xiàng)和校級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目1項(xiàng)；近年來(lái)，通過(guò)不斷努力，“材料力學(xué)”課程建設(shè)水平得到不斷提升。通過(guò)課程改革，學(xué)生學(xué)習(xí)“材料力學(xué)”課程興趣得到很大提高，依托學(xué)校力學(xué)實(shí)驗(yàn)室、創(chuàng)新平臺(tái)、校企實(shí)踐基地開(kāi)展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)，圍繞每年一屆的安徽省大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽和基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗(yàn)團(tuán)體賽，組織課程組老師線上線下一對(duì)一加強(qiáng)對(duì)參賽學(xué)生的輔導(dǎo)，在安徽省大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽中取得了優(yōu)異成績(jī)，如2016年安徽省大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽皖西學(xué)院獲團(tuán)體省一等獎(jiǎng)、2017年安徽省大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗(yàn)團(tuán)體賽皖西學(xué)院獲省一等獎(jiǎng)。

5 結(jié)語(yǔ)

總之，“材料力學(xué)”課程通過(guò)改革和建設(shè)，不斷優(yōu)化課程內(nèi)容，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)等，將實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)融入到實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，充分利用實(shí)驗(yàn)室、實(shí)踐基地、創(chuàng)新平臺(tái)等，強(qiáng)化土木類人才實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)。通過(guò)課程改革豐富了教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)了學(xué)生對(duì)力學(xué)課程的學(xué)習(xí)熱情，同時(shí)也取得了一定的成績(jī)，今后將繼續(xù)結(jié)合新工科背景下對(duì)土木類人才培養(yǎng)的要求，進(jìn)一步改革和完善“材料力學(xué)”課程，對(duì)我校應(yīng)用型人才培養(yǎng)課程建設(shè)進(jìn)行有益探索和實(shí)踐。