新工科背景下土木工程专业“材料力学”的教学改革与实践研究

1、新工科背景下土木工程专业“材料力学”的教学改革与实践研究摘要：“材料力学”是土木工程专业最重要的专业基础课之一，该课程具有理论性强、逻辑性强等特点，但 在传统的教学过程中存在一定的问题。随着新工科”的提出，文章分析了 材料力学”课程存在问题的原 因，并以提高学生创新能力和工程实践能力为出发点，从教学内容、教学手段两方面提出了解决方案，并应 用到东华理工大学土木与建筑工程学院土木工程专业，取得了良好的教学效果。关键词：新工科;教学内容“材料力学”；教学方法早在20世纪90年代，美国就大力推崇工程教 育“回归工程”。进入21世纪，美国又致力于培养 具有创新能力和领袖素质的高水平工程技术人才。 早在

2、19世纪末期,欧洲高校通过加强校际协作、学 生交流等方式促进工程人才培养走向国际化。20 世纪初期，日本、韩国、印度等亚洲国家也开始实行 产学合作、培养创新型工程科技人才工程教育改1,2在我国，为主动应对新一轮科技革命与产业变 革，支撑服务创新驱动发展、“中国制造2015 ”等一 系列国家策略。自2016年“新工科”被正式提出以 来，2017年相继形成“复旦共识“天大行动”和“北 京指南”，实现了新工科建设从概念到内涵、行动、 方向等多个方面的体系化，并于同年发布了关于 开展新工科研究与实践的通知及关于推荐新工 科研究与实践项目的通知，全力探索形成领跑全 球工程教育的中国模式、中国经验,助力高

3、等教育 强国建设，新工科建设也成为我国新时期高等工程 教育改革的指导方针。然而,随着计算机技术的发 展，专用软件分析和先进的数值计算方法在工程实 际中得到越来越广泛的应用，在此背景下,精确的 定量计算和求解能力已不再是一名优秀的土木工 程师所要追求的主要目标囱。掌握力学概念、具有 较强的工程性及结构创新意识成为评价优秀技术 人员的主要依据。换言之，企业需要的是能够将力 学概念与实际工程紧密联系、有效融合，进而在概 念分析基础上进行合理结构创新的适应新工科要 求的土木工程师因此，材料力学”作为工科专 业的基础，其教学目标主要是提高学习者新颖的工 业设计能力以及扎实的力学计算和分析能力。因 而，研

4、究新工科背景下“材料力学”课程体系的教学 改革势在必行。1“材料力学”课程特点及存在的问题“材料力学”是土木类专业学生最重要的学位课之一，也是工科类专业一门注重工程背景的技术 基础课程,具有理论严谨、逻辑缜密、工程应用灵活 多变的特点，是后续课程的基础。然而，随着“新 工科”的提出，目前“材料力学”课程的教学体系普 遍存在以下几个方面的问题。1.1教学内容相对陈旧落后目前，我国“材料力学”课程的教学内容与课程 体系大部分还是沿用苏联的传统模式，虽然经过几 代力学前辈们的不懈努力，已形成了一定风格，但 是随着现代科学技术的发展，新技术、新科学、新材 料和新工艺的不断涌现，原有“材料力学”的教学内

5、 容、课程体系不仅缺乏系统性和严密性，而且缺乏 对学生从实际工程结构向力学模型转化能力的培 养，难以适应“新工科”建设要求。1.2教学学时逐步减少“材料力学”的知识体系复杂，内容丰富,概念、 公式较多,如果学生学习之前不了解知识体系，盲 目学习会对课程知识“不真懂”，导致仅仅会解典型 的习题，遇到实际工程问题，就无从下手。然而, 在“新工科”建设背景下，“材料力学”课时减少，因 此须删除与其他课程重叠部分的内容，这样就忽视 了力学体系的整体性和综合性，过分强调和偏重单 门力学课程的系统性，导致力学课程间的相互脱 节,教学内容与其他力学课程的联系性、系统性差。 其不利于培养学生的综合能力和素质，

6、不利于多专 业、多层次人才的培养仆。1.3教学手段相对单一“材料力学”传统的教学方法基本上是教师完 全采用灌输式的方法将知识教授于学生。不可否 认，这一传统的教学方式具有学生与教师可以直接 沟通、知识传授快速高效的优势。但是在“新工科” 大环境下，材料力学”的课时一减再减,讨论课、实 践课将不得不取消,导致师生互动、生生互动的环 节也越来越少，学生在教学过程中参与度减少，难 以真正理解“材料力学”的知识内涵。因此,单纯依 靠传统的教学手段是远远不够的，不仅直接影响教 学效果，甚至抑制了学生自主创新学习的能 力 IB。2解决措施本文依据“新工科”背景下“材料力学”课程特 点及存在问题，从教学内容

7、、教学手段、成绩评定等 方面提出解决方案。2.1教学内容的改革“材料力学”知识点繁多且琐碎，与“理论力 学“结构力学“钢结构设计原理”的专业基础课 密切相关理论力学”重点讲述根据力的平衡条 件求解系统的约束力，刚体的运动和动力学问题; “结构力学”重点内容为超静定结构的内力及位移 计算“钢结构设计原理”要求掌握钢杆的压杆稳定 破坏。而“材料力学”要求重点掌握拉伸、压缩、扭 转和弯曲四种基本变形和组合变形条件下杆件的 内力、应力、应变、变形计算,并进行相应的强度和 刚度计算。传统“材料力学”是以钢杆为研究对象, 为了使得“材料力学”与“理论力学“结构力学” “钢结构设计原理”等专业基础课相结合，

8、本文突破 “材料力学”假设，在“材料力学”教学内容中引入 新材料、新结构来锻炼学生创建力学模型的能力， 提高学生创新思维能力。另外，为了加强“材料力 学”趣味性，在“材料力学”每一章节中增加一些具 有代表性的工程分析案例、实际生活经验来巩固学 生掌握“材料力学”知识点的能力，以此提高学生的 视野，达到学以致用的效果。2. 2 教学手段的改革“材料力学”的概念、理论和公式较多,学生在 学习中经常感觉枯燥，传统的灌输式教学不利于学 生学习积极性的提高。传统教学边讲边推导，利于 教与学的互动，但要求理想化理学模型,通过手算 完成，教学精力主要集中在求解方法和技巧上，但 不利于学生实际工程应用能力的提

9、升。然而,CAE 技术可进行仿真及优化,可视化精确建模,结果可 靠，并可在复杂的实际工程问题中应用。因此，在 课堂上，教师可以给定一个实际工程，借助CAE软 件辅助教学,模拟实际工程,虚拟试验作用,验证学 生想法，对学生的创新思维和工程实践能力的提高 具有一定推动作用。例如:讲授悬臂梁的内力时, 以阳台上悬挑的矩形梁为例，悬挑长度为 2 400 mm、 宽为300 mm、高为600 mm, 弹性模量E = 200 GPa,泊松比u =0.3,受均布荷载q =3 KN/m, 然后结合ANSYS有限元软件和MAPLE计算软件 求出梁的内力。这个例子不仅可以使学生深刻理 解求解内力的意义，还可以让学

10、生掌握内力的概 念、求解及检查，教学效果将达到事半功倍。因此，融入工程背景及典型案例分析,与企业 联合培养的模式，利用MATLAB、MAPLE等数值计 算软件及ANSYS仿真分析软件作为辅助教学手段，建立理论分析和数值分析相结合、定量和定性 分析相结合、理论教学和工程实践相结合的教学方 法，重点培养数值分析、定性分析、工程实践能力三 个方面，可达到理论知识与实践能力一体化教学的 效果。3教学效果将文中教学改革模式应用到东华理工大学土 木与建筑工程学院土木工程专业结果显示，学生的 自主能力及创新能力取得巨大进步,教师的业务水 平也得到较大提高，主要体现在以下方面。3.1学生学习的积极性、主动性得

11、到大幅度提高学生课上和课后学习的主动性得到提高，并取 得了一定的成绩。具体表现在:其一，学生上课积 极性得到提高，课堂出勤率、抬头率明显提升。近3 年来,学生的出勤率保持在95%以上，课堂上学生 会主动跟着任课教师的思路思考，抬头率也大幅度 提升，学生自主完成作业的能力也得到提升。其 二，学生期末成绩也在稳步提升。据统计数据分 析，发现学生近5年来“材料力学”挂科率逐年下 降，学生考研录取率由2010年的10.25%提升到 2020年的近40% #其三，学生在各类竞赛中取得 了优异的成绩。如“宝冶杯”第十三届全国大学生 结构设计竞赛一等奖建信杯”第四届江西省大学 生结构设计竞赛一等奖;第三届江

12、西省大学生结构 设计竞赛二等奖两项“周培源力学竞赛”三等奖多 项;全国大学生结构设计信息技术大赛特等奖一 项、一等奖一项;另外，在“挑战杯”中国大学生创业 计划赛“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品 赛“中国互联网+ ”大学生创新创业大赛等全国系 列竞赛中也取得优异成绩，主要获奖情况见表1。表1学生获奖情况获奖类型获奖情况授奖部门“宝冶杯”第十三届全国大学生结构设计竞赛一等奖江西省教育厅江西省大学生结构设计竞赛一等奖1项,二等奖3项，三等奖奖3项江西省教育厅全国周培源力学竞赛国家级三等奖1项，优秀奖20余项， 省级一等奖1项，省级二等奖2余项江西省力学学会“创青春”江西省大学生创业大赛省级金奖

13、2项，铜奖2项，国家级铜奖1项江西省教育厅“挑战杯”江西省大学生创业大赛省级铜奖1项江西省教育厅全国大学生结构设计信息技术大赛特等奖1项,二等奖2项，三等奖1项中国土木工程学会教育工作委员会“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛全国三等奖中国共产主义青年团中央委员会3.2教师的教学水平逐年提升近年来，东华理工大学力学专业教师积极参加各类教学竞赛并取得了丰硕的教学成果。例如，2016年获得全国第六届基础力学青年教师讲课比 赛二等奖一项,2017年获得第二届全国高校城市地 下空间工程专业青年教师授课大赛一等奖一项, 2019年获得“中国力学学会全国徐芝纶力学优秀 教师奖”，等等#主要获奖情况见表

14、2#表2教师获奖情况获奖时间获奖类型获奖情况授奖部门获奖中国力学学会获奖获奖中国力学学会获奖江西省教育厅获奖江西省力学学会二等奖江西省教育厅一等奖中国岩石力学与工程学会二等奖教育部高等学校基础力学 课程教学指导委员会一等奖2项,二等奖5项东华理工大学一等奖1项,二等奖2项东华理工大学三等奖1项东华理工大学江西省教育厅一等奖1项,二等奖2项，三等奖1项2020年江西省高校青年教师教学竞赛2019年中国力学学会全国徐芝纶力学优秀教师2019年江西省大学生科技创新与职业技能竞赛优秀指导老师2019作第十二届全国周培源大学生力学竞赛江西省赛区优秀2019年指导老师奖2019年江西省教学成果奖2017年第二届全国高校城市地下空间工程专业青年教师授课 大赛2016年全国第六届基础力学青年教师讲课比赛2017年东华理工大学青年教师讲课比赛2017年东华理