以工程应用为导向的“材料力学”教改探索

［摘 要］ “材料力学”是航空航天、土木工程、机械工程以及相关专业大学生的必修课程，是研究材料在不同载荷作用下所产生的应力和应变问题以及刚度和强度问题的学科。在当前国家重大需求的工程背景下，传统的教学内容、教学手段和考核模式难以发挥材料力学在工程应用领域的实用价值，亟须探索以工程应用为导向的“材料力学”教学改革策略。通过提出以工程应用为导向引出材料力学背景、以先进材料为导向关联材料力学要点、以工程软件为辅助再现材料力学问题、以理论结合实际的方式调整考核评价模式四项教学改革措施，激发大学生的科学探索兴趣和学术研究能力，大幅提升大学生的创新与实践水平，满足新时代创新型人才和应用型人才的培养需求。

［关键词］ 材料力学；工程应用；创新型人才；应用型人才

［基金项目］ 2020年度中央高校基本科研业务费专项资金资助项目“基于热阻塞效应的新型防隔热结构一体化设计方法”（2020RC009）

［作者简介］ 李玮洁（1989—），女，吉林榆树人，工学博士，北京交通大学土木建筑工程学院副教授，主要从事先进复合材料力学性能评价研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A［文章编号］ 1674-9324（2023）22-0049-05［收稿日期］ 2022-11-04

“材料力学”研究材料在各种力和力矩的作用下所产生的应力和应变问题以及刚度和强度的问题，是航空航天、土木工程、机械工程以及相关专业的必修基础课程。在教学过程中，要求学生掌握工程问题所需的材料力学的基本概念、基本假设、基本原理和分析求解方法，掌握复杂材料力学问题的基本模型、基本方程的建立技术及分析求解方法，为后续有关的专业课程打下理论基础。随着科学技术水平的不断发展，近年来航空航天、汽车工业、轨道交通、机械制造等领域的技术突飞猛进，我国提出了相关领域的一系列重大工程。面向新时代的工程应用需求，材料力学发挥着不可替代的作用。然而，传统的“材料力学”的教学内容、教学手段和考核模式难以使学生了解该学科内容在工程应用领域中的实用价值，亟须探索以工程应用为导向的“材料力学”教学改革策略。

一、“材料力学”课程教学中存在的问题

（一）应用目标模糊

在当前“材料力学”课程的教学过程中，各个章节的引言部分仍然通过简单的杆、轴、梁等研究对象的变形形式引入问题。例如，通过人在桥上行走的示例介绍并引入梁弯曲变形，将人在桥上站立视为集中载荷作用于桥梁之上，引起桥梁弯曲。然而，随着科学技术的发展和科研能力的提升，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》指出，我国将“瞄准人工智能、量子信息、集成电路、生命健康、脑科学、生物育种、空天科技、深地深海等前沿领域，实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目”［1］。引入传统的材料力学问题的方式与当前阶段热点工程的实际问题缺乏直接、显著的关联，同时，这样的问题引入方式对学生来说枯燥、乏味，导致学生难以体会到教师所讲授的内容与实际的联系，无法激发学生学习材料力学理论的热情。

（二）教学内容乏味

“材料力学”课程的讲授内容主要包括绪论及基本概念、轴向拉伸和压缩、剪切和连接、扭转、弯曲内力、弯曲应力、弯曲变形、应力状态和强度理论、组合变形等，课堂上一般采用书写数学公式、讲解公式中的符号含义以及求解数学公式的方法等方式进行上述内容的讲授［2-3］。例如，讲授扭转应力时，通过推导几何关系、物理关系（本构方程）和平衡关系获取轴应力的表达式，在教学过程中，讲授的内容全部为数学公式的推导过程。从学生在课堂上的表现来看，讲授前几个公式时，学生的注意力较为集中，能够掌握教师所讲的内容，随着公式的增加和课堂时间的延长，学生的注意力逐渐分散，对关键公式的掌握程度明显下降。由此可见，由于力学与数学关联性较强，导致“材料力学”课程的教学内容趋近于数学课程的教学内容，枯燥、乏味的教学内容造成学生听课的效果与效率低下，对学生深入掌握材料力学的研究方法和核心问题产生了消极影响。

（三）教学手段单一

“材料力学”的教学内容涉及大量数学公式的推导，当前该课程在教学过程中常常采用“满堂灌”的教学方式，教师从课堂开始到结束基本上在演“独角戏”［4-5］。例如，在讲授弯曲内力及内力图的做法时，教师首先会介绍弯曲内力的概念及定义，随后教授内力图（剪力图与弯矩图）的做法，接着通过讲解例题的方式对所授知识点进行应用，最后通过让学生做1～2道习题巩固并加强本节课所授的知识点。在“满堂灌”的教学模式下，尽管教师可以把控讲授进度，通过学生的课堂反应及时调整讲解速度，但是教师难以及时了解学生对各个知识点的理解和掌握程度，尤其是学生之间存在个体差异，课堂上表现积极的学生掌握了知识要点，然而在课堂上表现“沉默”的学生是否理解了知识要点有待商榷。此外，在“满堂灌”的教学模式下，部分学生逐渐丧失了对课堂内容的兴趣，导致与工程实际应用息息相关的“材料力学”被误解为只是公式推导和求解方程的老旧方法，对吸引广大学生从事力学研究造成了较大的困扰［6-7］。

（四）考核方式陈旧

目前，“材料力学”课程采用平时成绩（30%）+期末成绩（70%）的方式对学生进行最终考核。其中，平时成绩包括考勤、测验、期中成绩等；期末成绩包括期末考试卷面成绩。这种考核模式难以激发学生的学术热情、科学敏感性、学术创新性和实践能力。学生为了取得高分，往往花费大量精力研习往年“材料力學”的考试真题，学生只是掌握了考试时所出题目的解题方法，完成了“材料力学”课程的考核要求，难以将材料力学的理论知识运用到日后的工程实际中。采用上述的考核方式进行“材料力学”课程的考核评估，对我国培养创新型人才、建立科技强国、实现科技自强带来了一定的阻碍。

二、“材料力学”课程教学改革策略

（一）以工程应用为导向引出材料力学背景

为了解决“材料力学”课堂上对于引入力学概念时应用目标模糊的问题，通过以工程应用为导向引出材料力学背景对“材料力学”课程进行教学改革。通过摒弃老旧、过时的工程案例引出材料力学问题与概念的方式，采用介绍当前人工智能、量子信息、集成电路、脑科学、深空深地深海等领域的热点科技和工程问题进行材料力学概念与问题的引出。同时，在引出材料力学相关概念时，通过展示影视作品、工程设施图片、工程装置照片等，向学生直观、清晰地介绍材料力学相关知识点的应用场景，便于学生理解知识点的应用背景和定义，从而实现在将来从事的工作中能够快速联系并运用所学的材料力学知识。

例如，党的二十大报告中提出了加快建设航天强国的目标，中国航天正在以新的伟大奋斗开启新的征程。在讲授“材料力学”新章节的内容时，依托我国建设航天强国的背景需求，教师通过提出航天领域中相关的材料力学问题，引出该课堂讲授的知识点，激发学生对所引出的材料力学知识的兴趣。举例来说，当讲授材料力学中“扭矩”的概念时，借助科幻影视作品中空间站对接的图像资料，以绕轴线旋转的空间站为研究对象，引出令研究对象运动所施加的外载荷——扭矩。通过直观的影视画面，清晰明了地向学生介绍扭矩的定义以及其在航天领域中应用的场景，使学生更加深入地理解材料力学中扭矩的概念，同时明确这一概念的工程应用背景。如此一来，学生在进行课题研究时，能够将理论与实际进行关联。

再如，随着时代的进步，我国科技创新赋能交通运输实现了跨越式发展。在交通运输领域，我国的交通基础设施建设技术跻身世界前列，如港珠澳大桥、北京大兴国际机场等一批世界级工程已建成并投入使用。举例来说，当讲授材料力学中弯曲变形这一概念时，可以给学生展示世界规模最大的单体机场航站楼——北京大兴国际机场航站楼的图片，体现了我国科技实力的突飞猛进，提升学生的民族自豪感与使命感。然后，继续深入介绍航站楼所采用的支撑结构——空间桁架结构，以该结构为研究对象，介绍空间桁架的受力情况以及桁架在承受载荷的条件下，所产生的变形形式——弯曲。通过引入我国交通运输领域的重大工程，以图片的形式展示承受弯曲载荷的桁架这一研究对象，学生从感官上直接认知到弯曲变形发生的工程场景，使学生在自己的研究课题中遇到相关的实际问题时，能够快速联系到“材料力学”课堂中所举的工程实际案例，实现课本知识的学以致用。

通过以工程应用为导向引出材料力学背景的“材料力学”教学改革，明确材料力学知识的应用背景与场景，从工程实际问题出发，建立理论与实际的关联，使学生能够认识到书本中的材料力学知识是解决工程实际问题的有效手段，而不仅仅是理解枯燥的数学公式，让学生在将来的研究和工作中实现对材料力学知识的学以致用。

（二）以先进材料为导向关联材料力学的要点

为了解决“材料力学”课堂上教学内容乏味、枯燥的问题，通过以先进材料为导向关联材料力学要点进行“材料力学”教学改革。目前“材料力学”课堂所研究的对象局限于钢、铁等传统材料，例如在讲解模量、强度这些材料的本征性能的概念时，举例的材料仍然是早年的低碳钢与铸铁，教师在讲解过程中通常照本宣科，难以引起学生的共鸣和兴趣。众所周知，材料力学的研究对象是“材料”，随着科技的发展，各种先进材料已通过媒体报道被公众所认知，如果将“材料力学”课程的教学内容与先进材料进行关联，实现材料力学教学内容与前沿学术问题相结合，这样更加容易集中学生听课的注意力和激发学生的兴趣，有利于學生对课堂教学内容的理解和掌握。

例如，当前先进的复合材料被广泛用于航空航天、汽车工业、机械制造、医学、建筑等领域，在“材料力学”的教学内容中，引入以先进复合材料为研究对象的相关内容，可以更加贴近现阶段的科学前沿问题，激发学生的学术研究热情。比如，介绍“材料力学”绪论部分中“材料力学基本假设”中的“各向同性假设”时，可以引入航天领域当前广泛应用的碳纤维增强复合材料层合板这一研究对象，介绍这一广泛用于航天领域的复合材料的基本概念，通过介绍复合材料层合板的铺层方式，向学生展示实际工程应用的材料实际上是“各向异性”的，同时说明材料力学中做出“各向同性假设”的原因以及该假设对于简化计算的作用。这样一来，能够将绪论中“各向同性”这一概念与实际问题进行关联，而不是仅仅作为枯燥的一段语句灌输给学生。以当前热点领域所用的先进材料为研究对象，替代现有“材料力学”教学内容中的传统材料，使学生能够更加容易地将材料力学概念与当今科技发展的主流领域相关联，提升学生的学习热情，使学生认识到材料力学在当今工程领域中不可替代的作用，同时提升学生对从事力学学科相关研究工作的兴趣。

再例如，当讲授材料力学中“强度校核”这一内容时，目前的教学内容为列写强度条件公式，并通过不等式变换后的三种形式，向学生说明该不等式可以进行强度校核、尺寸设计、材料选取、载荷设计等工作。这样的教学内容，仅仅是从数学的角度说明强度条件不等式的含义，学生仍然难以理解实际工程中需要进行强度校核、尺寸设计、材料选取、载荷设计的原因。为此，在教学内容中可以引入与工程实际案例相关的强度校核教学内容。以“为什么进行材料选取”为例，在汽车领域，当汽车承受相同载荷时，金属和碳纤维增强树脂基复合材料同时满足汽车的强度条件，但是金属的质量远远大于碳纤维增强树脂基复合材料，为了减少汽车车体的质量，选取碳纤维增强树脂基复合材料明显优于选取金属材料。这样一来，学生可以深刻理解“进行材料选取”这一教学内容的“用武之地”，也向学生输出了轻量化材料这个先进材料的概念，将材料力学的教学内容向科学前沿问题进行引导。

通过以先进材料为导向关联材料力学要点的“材料力学”教学改革，将“材料力学”教学内容与学术前沿领域进行关联，学生在课堂上听到相关领域的研究内容时，能够与当下的热点进行联系，有利于学生理解材料力学的相关概念，激发学生的学习热情，了解材料力学的相关内容对解决前沿领域问题的重要作用，同时吸引更多的学生投身力学学科的研究中。

（三）以工程软件为辅助再现材料力学的问题

为了解决“材料力学”课程中学生听课兴趣缺乏、效率低下、教学效果不理想等问题，通过以工程软件为辅助再现材料力学的问题进行“材料力学”教学改革。在“材料力学”课堂中，教师所讲授的内容以理论公式居多，如果采用“满堂灌”的教学方式会使“材料力学”课堂变成数学公式的推导课堂，使得原本就晦涩难懂的力学知识更加难以激发学生的学习热情，使得学生的学习效果变差，学生对力学模型的理解仅仅停留在课本的数学公式上，因此亟须改善并调整教学手段，让学生从力学思维的角度理解教学内容，而不是死记硬背数学公式。为此，借助工程软件对材料力学问题进行可视化仿真分析，一方面吸引了学生的注意力，另一方面使“材料力学”课程的教学内容真正放在力学问题上。

例如，讲解拉伸与压缩变形、扭转变形和弯曲变形时，配合使用计算机辅助工程（Computer Aided Engineering， CAE）技术，实现不同加载形式的构件受力分析与变形可视化，使学生直观地认识到材料在受到载荷作用时的变形行为，使材料力学教学内容通过可视化手段深入学生的脑海。比如，讲解轴向拉伸变形时，采用CAE软件（如ABAQUS、ANSYS等）构建拉伸材料样品的几何模型与网格模型，通过对研究对象施加力或位移边界条件，模拟材料样品拉伸过程中的数值，最终给出材料在拉伸载荷加载下的应力场、变形场云图，通过可视化的方式向学生展示材料在受到拉伸载荷后的变形形式。在这个过程中，一方面，通过对CAE软件的一步步操作，能够吸引学生对未知事物的好奇心，激发其学习热情；另一方面，将材料力学的理论内容通过科研软件进行学习实践，解决了在教学中枯燥的数学公式推导造成的学生注意力不集中的问题。

再例如，在讲解组合变形问题时，通过CAE软件构建大型工程结构，例如桥梁、飞机、汽车等，通过对结构同时施加拉伸、扭矩、弯矩载荷，分析仿真工程结构的组合变形形式、可视化结构力、位移等信息，通过图片和动画展示结构受载过程中的组合变形过程。相较于“满堂灌”教学中书写方程到求解方程再到求解习题的模式，这种课堂教学的内容与方式更加生动有趣，可以使学生清晰明确地认识到材料的力学行为过程，而不是仅仅学会求解书本中的方程。

通过以工程软件为辅助再现材料力学问题的“材料力学”教学改革，将当前科学研究中使用的CAE软件引入教学内容，拓展教学手段，使枯燥的力学与数学知识能够通过可视化的手段展现在学生眼前，便于学生直观地了解材料力学中的知识要点。此外，结合工程软件的教学手段，能够激发学生探索新鲜事物的热情，提高学生通过多种研究手段学习材料力学知识的兴趣。

（四）以理论结合实际的方式调整考核评价模式

为了解决“材料力学”课程中学生的创新能力与实践能力较差等问题，通过以理论结合实际的方式调整考核评价模式进行“材料力学”课程的教学改革。一方面，提高平时成绩的占比，并且通过设置开放性研究题目的形式扩展平时成绩的考核方式。在讲授完“材料力学”每个章节的内容后，为了让学生巩固、加强对所学知识的理解与认知水平，通过设置该章节内容的开放性题目（如选取某工程实际结构为研究对象，描述该结构所受到的载荷形式，通过理论、仿真等多种研究手段，分析结构在相应加载条件下是否满足强度条件），对学生进行分组，以小组为单位对开放性题目进行探讨，并在下一节课堂上，分组展示每个小组的研究成果。教师根据每个小组研究过程的逻辑性和运用知识点的准确性进行打分，给出每个小组及小组成员的成绩，此成绩将作为平时成绩的一部分。这样，学生在学习完“材料力学”每章节的知识点后，能够及时地学以致用，可以面向工程实际提出并解决工程结构中面临的材料力学问题。另一方面，更新期末考试试卷的题型，通过将题目向工程实际案例靠拢，实现理论向实践与应用的转移。比如，增加多选题，以我国当前大型工程结构为例（给出相应图片/照片），通过分析工程结构中构件的受力情况，判断构件会发生哪种或哪几种变形形式；增加分析题，以我国当前的重大工程为背景，以照片的形式给出相应的工程结构，要求学生判断结构会发生何种变形，并对结构强度进行校核。以当前的重大工程为背景的考核题目，能够考核学生对材料力学知识点的理解和掌握程度，将学生的学习目标从求解正确的数学方程、通过期末考试变为解决工程实际问题，使学生真正做到学以致用。

通过以理论结合实际的方式调整考核评价模式的“材料力学”教学改革，摒棄了老旧的考核评估方法，促使学生主动思考，培养了学生的学术与科研思维。在平时考核和期末考核的过程中，提高面向工程实际的题目占比，提升学生解决实际问题的能力，使“材料力学”课程的教学内容真正应用到实践中，使学生培养真正向应用型人才、创新型人才的目标迈进。

结语

材料力学广泛应用于航空航天、汽车工业、轨道交通、机械制造等领域，因此，以工程应用为导向的“材料力学”教学改革探索势在必行。通过以工程应用为导向引出材料力学背景、以先进材料为导向关联材料力学要点、以工程软件为辅助再现材料力学问题、以理论结合实际的方式调整考核评价模式等四项“材料力学”教学改革措施，明确了“材料力学”教学内容的工程应用背景，在“材料力学”课堂中引入前沿性科学问题，在“材料力学”教学过程中融入工程软件的应用，拓展与实际工程相关的“材料力学”考核模式，满足了培养创新型、应用型人才的需求。

参考文献

［1］中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要［EB/OL］.（2021-03-13）［2022-10-12］.https：//www.gov.cn/xinwen/2021-03/13/content_5592681.htm.

［2］韩美东，何巍，王娜.基于“四维统一”模式的“材料力学”教学改革探索［J］.教育教学论坛，2021（45）：63-66.

［3］丁蘭，王敏容.基于云班课的混合式教学改革与实践研究：以材料力学为例［J］.教育教学论坛，2020（27）：166-167.

［4］魏晓刚，刘会丽，杨柳川，等.材料力学性能课程的教改探讨与实践［J］.砖瓦，2021（3）：193-194.

［5］盛鹰，贾彬，陈国平，等.材料力学课程加强学生力学建模能力培养的教改初探［J］.教育现代化，2019，6（70）：79-82.

［6］满田囡，沙桂英，王赫男，等.材料力学性能课程混合式教学［J］.中国冶金教育，2020（5）：1-4.

［7］张桂民，王贞硕，董纪伟，等.土木工程专业材料力学课程教学典型案例分析［J］.高等建筑教育，2020，29（1）：181-188.

Exploration of Teaching Reform for Mechanics of Materials Guided by Engineering Application

LI Wei-jie

（School of Civil Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China）

Abstract： Mechanics of materials is a course for college students majoring in aerospace， civil engineering， mechanical engineering and other related majors. It focuses on the stress and strain， stiffness and strength of materials under different loads. Under the engineering background of the current national major demand， the traditional teaching content， teaching means and assessment mode are difficult to give play to the practical value of mechanics of material in the field of engineering application. It is urgent to explore new teaching reform strategy oriented by engineering application. Four teaching reform measures are proposed， namely， “engineering application oriented to elicit the background， advanced materials oriented to associate the key points， engineering software assisted to reproduce the problems， and theory combined with practice to adjust the assessment mode”， to stimulate college students interest in scientific exploration and academic research ability， greatly improve their innovation and practice level， and meet the requirements of training the innovative talents and practical talents.

Key words： mechanics of materials; engineering application; innovative talents; practical talents