面向新工科的材料力學(xué)理論教學(xué)和通識教育融合課程體系的探究

面向新工科的材料力學(xué)理論教學(xué)和通識教育交融課程體系的探究〔〕:

摘要：新工科是為主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐效勞創(chuàng)新驅(qū)動開展、"中國制造2025";等一系列國家戰(zhàn)略，由教育部提出的新一輪工程教育改革。新工科理念的出現(xiàn)對高等院校專業(yè)建立和人才培養(yǎng)提出了新的要求。如何發(fā)揮材料力學(xué)課在新工科建立中的作用，效勞于具有"家國情懷、全球視野、理論才能和創(chuàng)新精神";的將來領(lǐng)軍人才的培養(yǎng)，是當前材料力學(xué)教育教學(xué)改革面臨的一個新挑戰(zhàn)。通過分析目前材料力學(xué)課程構(gòu)造和教學(xué)理論中存在的問題，結(jié)合新工科的建立理念，討論材料力學(xué)理論教學(xué)和通識教育交融課程體系的構(gòu)建。

關(guān)鍵詞：新工科；材料力學(xué)；通識教育

本文引用格式：郭建剛.面向新工科的材料力學(xué)理論教學(xué)和通識教育交融課程體系的探究[J].教育現(xiàn)代化,2022,6(13):69-71.

TheExplorationsonCourseSystemsbiningMechanicsofMaterialsandGeneralEducationFacingNewEngineering

GUOJian-gang

〔SchoolofMechanicalEngineering,TianjinUniversity,Tianjin,China〕

Abstract:Newengineeringisanewroundofengineeringeducationreformproposedbytheministryofeducationtoactivelyrespondtoanewroundofscientificandtechnologicalrevolutionandindustrialtransformation,supportinnovation-drivendevelopment,"madeinChina2025";andothernationalstrategies.Theemergenceofnewengineeringideashasputforwardnewrequirementsforspecialtyconstructionandtalentcultivationincollegesanduniversities.Howtogivefullplaytotheroleofmaterialmechanicsintheconstructionofnewengineeringandservethecultivationoffutureleadingtalentswith"nationalfeelings,globalvision,practicalabilityandinnovativespirit";isanewchallengefacingteachingreformofmaterialmechanicsatpresent.Byanalyzingtheproblemsexistinginthecoursestructureandteachingprocessofmaterialmechanicsatpresent,biningtheideasofnewengineering,thispaperdiscussestheconstructionoftheintegrationcoursesystemsofmaterialmechanicstheoryteachingandgeneraleducation.

Keywords:Newengineering;Mechanicsofmaterials;Generaleducation

一引言

材料力學(xué)是工科專業(yè)必修的一門專業(yè)根底課程，是工科學(xué)生學(xué)習后繼專業(yè)課程的理論根底，在工科院校的本科教育中占有相當重要的地位。如何進步材料力學(xué)的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)出具備綜合素質(zhì)的工程人才一直是高校材料力學(xué)教師考慮的重要課題。針對目前材料力學(xué)教學(xué)中存在的一些問題，很多兄弟院校的材料力學(xué)教師都開展了大量的教學(xué)改革和理論，獲得了一些成果和經(jīng)歷[1-8]。

材料力學(xué)是一門理論性和邏輯性較強的學(xué)科，很多學(xué)生會覺得抽象難懂，為此一些教師嘗試把材料力學(xué)的開展歷史和人物事跡等穿插在材料力學(xué)的理論教學(xué)中[1,2]，一方面進步了學(xué)生的學(xué)習興趣，另一方面培養(yǎng)了學(xué)生的人文素質(zhì)，獲得了較好的效果，這也和新工科通識教育的理念是吻合的。材料力學(xué)是一門工程學(xué)科，是理論和理論的"橋梁";，工程理論無疑對于材料力學(xué)的學(xué)習是很重要的。然而在實際的教學(xué)當中，由于種種原因?qū)W生們面對的主要是抽象的力學(xué)模型，因此很多教師[3-5]都嘗試在教學(xué)過程中引入一些工程實例，通過工程案例的分析讓學(xué)生掌握力學(xué)模型的建立和分析方法。但這對授課教師提出了較高的要求，授課教師要能把一些工程案例或者科研問題轉(zhuǎn)化為學(xué)生可以承受的材料力學(xué)問題，并建立力學(xué)模型。針對一些工程問題讓學(xué)生開展討論，讓問題引導(dǎo)學(xué)習，開展基于問題學(xué)習的探究式教學(xué)方法是一種很好的教學(xué)方法，天津大學(xué)教學(xué)團隊曾經(jīng)在個別專業(yè)嘗試過這種改革【5】，但是這種方法會占用教師大量的時間和精力，在學(xué)時分配和考核機制上也存在一些問題。但這些問題在信息化和多媒體技術(shù)開展的今天，人們可以通過網(wǎng)絡(luò)在線課程得到很好的解決。目前，隨著互聯(lián)網(wǎng)速度的提升和網(wǎng)絡(luò)工具的普及，慕課已經(jīng)在國內(nèi)高校迅速的開展起來，線上教學(xué)、輔導(dǎo)、交流或展示已成為一種得到人們普遍認可的教學(xué)方式[6,7]。學(xué)生可以根據(jù)自己的時間自由學(xué)習課程內(nèi)容、在網(wǎng)上交流討論以及獲取更多資源，不再受到學(xué)時和上課時間的限制。這不僅可以充分調(diào)動學(xué)生積極性、主動性和創(chuàng)造性，還可以在有限的學(xué)時內(nèi)拓展課程的深度和廣度?；谀秸n的教學(xué)改革和理論在將來一段時間會成為材料力學(xué)教學(xué)改革的核心。

總之，傳統(tǒng)材料力學(xué)課程知識構(gòu)造和教學(xué)方式中存在一些缺乏，很多材料力學(xué)教師已經(jīng)開展了一些改革嘗試。在新工科背景下，如何在不增加學(xué)時的情況下進步材料力學(xué)的教學(xué)質(zhì)量是一個值得深化考慮的問題。

二材料力學(xué)課程構(gòu)造和教學(xué)的現(xiàn)狀

材料力學(xué)課程是工科專業(yè)的重要根底課，涉及力學(xué)、機械、土建、水利、港口、船舶、海洋、內(nèi)燃機、過控、材料、環(huán)境和精儀等相關(guān)專業(yè)。本課程的知識既可以直接應(yīng)用于工程設(shè)計，又為學(xué)習后繼專業(yè)課程的學(xué)習奠定了理論根底。目前材料力學(xué)課程的知識構(gòu)造和教學(xué)方式存在如下一些問題。

〔一〕課程知識構(gòu)造固化，缺乏新穎性

材料力學(xué)是一門較為成熟的學(xué)科，傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容以桿件為主線，研究其強度、剛度和穩(wěn)定性問題，分析桿件的內(nèi)力、應(yīng)力和變形，建立根底理論和計算方法。教學(xué)過程中展現(xiàn)給學(xué)生的主要是抽象的力學(xué)模型和嚴格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。即使有一些工程實例，也以傳統(tǒng)的機械和土木工程構(gòu)造為主，對一些新材料以及前沿科學(xué)問題很少涉及，缺乏新穎性、前瞻性。課程內(nèi)容也較為呆板，缺乏一些人文因素，引不起學(xué)生的學(xué)習興趣。

〔二〕理論知識和工程應(yīng)用脫節(jié)，缺乏理論性

材料力學(xué)是工程類專業(yè)的根底課，是理論和理論的橋梁。材料力學(xué)問題應(yīng)該來源于工程實際，根據(jù)工程實例建立力學(xué)模型，基于實驗觀察和根本假設(shè)，推導(dǎo)出理論公式，然后再應(yīng)用于工程實際。但是實際學(xué)習中，學(xué)生們面對的主要是抽象的力學(xué)模型，只會直接套用理論公式開展計算。面對詳細的工程問題時，卻不知道從哪里入手，缺乏把工程問題提煉成力學(xué)模型的才能。

〔三〕實驗課內(nèi)容和實驗技術(shù)落后，缺乏創(chuàng)新性

目前大多數(shù)高校的材料力學(xué)實驗課還是沿用上世紀的實驗，以天津大學(xué)為例，80學(xué)時的材料力學(xué)有12學(xué)時的實驗課，包括金屬拉伸/壓縮、改變、材料的彈性模量和泊松比測量、電測彎曲應(yīng)力、電測主應(yīng)力、壓桿穩(wěn)定、落錘沖擊動應(yīng)力以及電測動態(tài)應(yīng)力等實驗。這些傳統(tǒng)的實驗內(nèi)容和技術(shù)已經(jīng)適應(yīng)不了當前一流本科教育的要求，亟待革新。

〔四〕傳統(tǒng)教與學(xué)的形式單一，缺乏開放性

傳統(tǒng)的面對面教學(xué)方式已經(jīng)滿足不了信息化、個性化的學(xué)習需要?；ヂ?lián)網(wǎng)的迅猛開展和網(wǎng)絡(luò)工具的普及使得在線上進展教學(xué)、輔導(dǎo)、交流或展示成為可能，學(xué)生可以根據(jù)自己的時間自由學(xué)習課程內(nèi)容、在網(wǎng)上交流討論以及獲取更多資源。不僅可以充分調(diào)動學(xué)生積極性、主動性和創(chuàng)造性，還可以在有限的學(xué)時內(nèi)拓展課程的深度和廣度。

三材料力學(xué)課程和教學(xué)改革措施

新工科以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化、塑造將來為建立理念，以繼承與創(chuàng)新、穿插與交融、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，以培養(yǎng)將來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才為目的。按照這一改革思路，針對目前材料力學(xué)課程知識構(gòu)造和教學(xué)方式中存在的問題，應(yīng)該從如下這幾個方面開展改革與理論。

〔一〕構(gòu)建材料力學(xué)專業(yè)知識和通識教育的交融體系

傳統(tǒng)材料力學(xué)的教學(xué)主要以抽象的力學(xué)模型和嚴格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)為主。課程內(nèi)容呆板，缺乏人文因素，引不起學(xué)生的學(xué)習興趣。而實際上在材料力學(xué)學(xué)科的開展過程中，在力學(xué)人物、經(jīng)典工程案例以及我國古代對材料力學(xué)的奉獻等方面積累了大量的歷史素材和人文根底。把古今中外材料力學(xué)的開展歷史知識、力學(xué)名人事跡、經(jīng)典工程案例介紹等和材料力學(xué)專業(yè)知識相結(jié)合，不僅可以進步學(xué)生的學(xué)習興趣，而且可以培養(yǎng)了學(xué)生的人文素質(zhì)和綜合才能。

中科院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)校長包信和說："新工科理念應(yīng)該是科學(xué)、人文、工程的穿插交融，是培養(yǎng)復(fù)合型、綜合性人才，學(xué)生要具備整合才能、全球視野、指導(dǎo)才能、理論才能，促使工科學(xué)生成為一個人文科學(xué)和工程領(lǐng)域的領(lǐng)袖人物。";所以在材料力學(xué)的專業(yè)知識構(gòu)造中融入人文知識是符合新工科建立的理念的，是材料力學(xué)專業(yè)知識和通識教育的有機交融。

〔二〕傳統(tǒng)工程構(gòu)件與新材料相結(jié)合

材料力學(xué)顧名思義是研究材料力學(xué)性能的科學(xué)，目前材料力學(xué)課程通常只涉及常規(guī)材料。對于一些新材料，比方高分子材料、納米材料、生物材料、磁致/電致伸縮材料、壓電/鐵電材料等很少提及。而這些新材料往往具有優(yōu)異的力學(xué)性能和特殊的功能，在各個工程領(lǐng)域都有著潛在的應(yīng)用前景。因此可以綜合各個授課教師的科研方向，建立一個新材料的材料力學(xué)素材庫。結(jié)合在線課程的建立，在材料力學(xué)的教學(xué)過程中，適當介紹一些新材料的力學(xué)性能的新特性、新效應(yīng)，對于學(xué)生創(chuàng)新性、前瞻性思維的培養(yǎng)顯然有極大好處。

〔三〕根底理論知識與工程理論、前沿科學(xué)研究相結(jié)合

材料力學(xué)是工程類專業(yè)的根底課，是理論和理論的"橋梁";。材料力學(xué)問題應(yīng)該來源于工程實際，根據(jù)工程實例建立力學(xué)模型，開展理論計算，然后再應(yīng)用于工程實際。但是以往材料力學(xué)課程教學(xué)以理論嚴密、邏輯性強為特點，強調(diào)學(xué)生的理論根底和數(shù)理邏輯才能。結(jié)果導(dǎo)致學(xué)生在面對詳細的工程問題時，往往不知道從哪里入手，缺乏把工程問題提煉成力學(xué)模型的才能。近年來，隨著高校教育教學(xué)改革的不斷深化與廣闊教師的不斷理論，越來越重視學(xué)生的工程應(yīng)用才能和創(chuàng)新才能的培養(yǎng)。但在教學(xué)中如何將工程理論知識與學(xué)生動手才能和實際應(yīng)用才能相結(jié)合，仍需深化探究。

以天津大學(xué)材料力學(xué)授課教師團隊為例，每個教師都在從事著科學(xué)研究或工程工程，這里面很多都涉及到材料力學(xué)的知識和概念。假設(shè)能綜合這些授課教師的科研或工程實例，建立素材庫，再結(jié)合在線課程的建立，制作成一個個專題，就可以為學(xué)生提供豐富的工程實例學(xué)習資源。同時還可以選擇一些難度適當?shù)墓こ袒蚩蒲袑嵗?，引?dǎo)學(xué)生開展討論或動手理論。只有這樣才能培養(yǎng)出適應(yīng)經(jīng)濟社會開展需要的創(chuàng)新才能強的高質(zhì)量工程技術(shù)人才。

〔四〕傳統(tǒng)材料力學(xué)實驗和新測量技術(shù)相結(jié)合

實驗教學(xué)是材料力學(xué)教學(xué)中必不可少的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，通過實驗教學(xué)有助于進步學(xué)生對理論知識內(nèi)容的理解，有助于學(xué)生掌握實驗測試方法、設(shè)備和軟件等。目前很多高校的材料力學(xué)實驗課以演示型和驗證型實驗為主，缺乏綜合型實驗和設(shè)計型實驗。在實驗教學(xué)過程中，學(xué)生往往處于被動承受的狀態(tài)，實驗內(nèi)容、方案、步驟等都是教師事先準備好的，學(xué)生只是按照教師的指導(dǎo)機械地完成實驗操作，學(xué)生動腦很少，以致于學(xué)生做完試驗后對實驗的原理、測試方法都一知半解，不能到達實驗?zāi)康?。從實驗技術(shù)上，傳統(tǒng)的材料力學(xué)實驗以金屬拉壓和電測為主，對目前正在開展應(yīng)用的一些新技術(shù)很少涉及，已經(jīng)適應(yīng)不了當前一流本科教育的要求，亟待革新。事實上，一些現(xiàn)代測量技術(shù)，比方數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)、拉曼和紅外光譜技術(shù)、X射線衍射技術(shù)等完全可以用于材料力學(xué)中的桿件變形測量。這些新技術(shù)完全可以通過虛擬仿真技術(shù)制作成專題案例供學(xué)生學(xué)習，理解掌握最新的實驗測量技術(shù)和方法。

〔五〕傳統(tǒng)教學(xué)形式與信息化、虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合

互聯(lián)網(wǎng)速度的提升和網(wǎng)絡(luò)通訊工具的普及使得在線課程成為可能，學(xué)生可以根據(jù)自己的時間自由學(xué)習課程內(nèi)容、在網(wǎng)上交流討論以及獲取豐富教學(xué)資源。假設(shè)在材料力學(xué)的慕課建立中，把材料力學(xué)人文知識、新材料、工程和科研案例以及新測量技術(shù)的虛擬仿真視頻等和在線課程相結(jié)合，建立在線課程資源庫，再配套數(shù)字化教材，將會全方位提升材料力學(xué)課程的教學(xué)效果，在有限的學(xué)時內(nèi)開闊學(xué)生的視野、進步學(xué)生的自主學(xué)習意識、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新才能。

四結(jié)語

材料力學(xué)是連接根底科學(xué)與工程科學(xué)的橋梁，是工科學(xué)生重要的必修課。隨著時代的開展和科技的進步，材料力學(xué)的課程知識構(gòu)造和教學(xué)方式需要與時俱進、開拓創(chuàng)新。在新工科背景下，在不增加學(xué)時的