材料力学全英文教学的实践与体会

1、材料力学全英文教学的实践与体会摘要随着高等教育国际化的发展，来华留学生的总体规模不断扩大，留学生教育正逐渐成为我国高等教育的重要组成 部分。材料力学是机械工程、航空与宇航工程专业基础力学的必修课。北京理工大学对留学生的材料力学课程以全英文教学形 式开设。笔者以北京理工大学已开展6年的材料力学全英文教学实践为例，就教学大纲、教材选用、教学内容和目的、实验安排及 考核方式等方面进行探讨，通过与中文材料力学教学模式的对比，提出优化和改进方案。关键词材料力学；全英文教学;教学改革为达到国家对高等教育“卓越化、国际化、研究型” 的要求1，北京理工大学致力于培养具有国际视野和国 际竞争与合作能力，在全球政

2、治经济、文化教育和科学 技术领域具有卓越领导力的高层次国际化人才。全英 文教学模式已成为国际化人才培养的重要途径之一性 我校努力推进英文教学，已经初步构建了全英文教学体 系A3。经过6年的努力，北京理工大学来华留学事业取 得了很大进步，外国留学生规模已经从数百名迅速增长 到2400余名。材料力学是机械工程、航空与宇航工程专业的基础 力学的必修课，我校对留学生的材料力学以全英文教学 形式开设。本文以北京理工大学已开展6年的材料力学 全英文教学实践为例，就教学大纲、教材选用、教学内容 和目的、实验安排及考核方式等方面进行探讨，并通过 对比中文材料力学教学模式，提出优化和改进方案。一、全英文材料力学

3、教学模式材料力学是工科高等学校机械类专业的一门主干 技术基础课，是联系专业课和基础课的桥梁。材料力学 与生产及工程实际有着非常密切的关系。材料力学课 程开设的主要目的是培养学生掌握材料力学的基本理 论、计算技术与实验技能，能够解决工程领域中与强度 和变形相关的基本问题。全英文材料力学课程是大学 二年级上学期针对机械工程和航空与宇航工程专业的 国际留学生开设的专业基础必修课。面对来自于不同 国家的国际留学生，课程采用全英文小班授课模式，课 堂人数不多于32人。本课程课堂教学课时48学时，实 验课时8学时，合计3.5学分。教学采用全英文模式，包 括全英文教案、板书、课后作业、实验报告和考核。近6

4、年来，机械和航空与宇航工程专业共计42人次必修并通 过了全英文材料力学课程考核。（一）全英文材料力学的教学大纲、内容和目标参照欧美高校机械工程和航空航天等工程专业本 科的教学计划，全英文材料力学课程的教学大纲要求学 生理解材料力学与先修课理论力学，后续课弹性力学、 结构力学的区别和联系；掌握变形体的基本平衡方程、 相容方程和物理方程以及边界条件;要求学生掌握杆件 的强度、刚度及轴心受压杆件的稳定性的计算。要求学 生能运用强度、刚度及稳定性条件对杆件进行校核、截 面设计及载荷确定等简单分析计算工作;初步了解材料 的机械性能及材料力学实验的基本知识和操作技能。全英文材料力学的教学内容包括：内力、内

5、力图绘 制、应力、应变的基本概念，变形体应力-应变关系，掌握 拉、压杆件，受扭杆件，受弯杆件，受横向剪力杆件的应 力和变形分布特点以及受压杆件的稳定性条件。教学 目的：使留学生掌握基本杆件的应力和变形分析方法、 强度校核基本理论和方法以及提高结构强度和刚度的 设计理论，能够熟练掌握典型静不定杆件力法求解的基 本思想和求解过程。通过全英文材料力学课程的学习，要求学生具体达 到如下目标：1.能够掌握材料力学的基本概念、基本理 论和基本杆件分析方法。2.通过实验掌握材料力学的 基本实验方法（包括材料力学性能测定，用电测法测定 应变和应力）。3.能够熟练掌握材料力学中的全英文专 业术语，熟练阅读涉及固

6、体力学的英文文献，并能够采 用英文对材料力学中的基本知识点进行归纳、总结，并 较深刻理解材料力学与其他力学课程的关系。4.能够 与机械工程、航空航天以及力学专业领域的同行及社会 公众进行交流，并具备一定的国际视野，能够理解跨文 化背景下的工程设计，包含文化习惯和工程标准及语 言,并进行沟通和交流。（二）全英文材料力学的教材该课程针对攻读机械工程和航空航天工程专业本 科学位的国际留学生，由于学生的中文水平有限，全英 文材料力学课程采用了经高等教育出版社授权于2004 年影印出版的英文原版教材Mechanics of Materials（材料 力学），作者为R.C. HibbelerF。该教材作者

7、在工程力 学教育方面，做出了很大的贡献。他编著的教材在美国 和欧洲得到广泛的采用，在国际工程力学教育同行中也 得到了广泛的认可和好评。采用这本教材，可为学生后 续深造或与国际同行开展学术交流提供通用便利。该 书重视基本概念、理论与方法的讲述，思路清晰,层次分 明，同时英语语言简明易懂，论述严谨。书中每个重要 章节、概念后面,均安排了重点总结;提出每个重要的解 题方法后，都安排了解题步骤梳理，这些高度的概括小 节对学生理解把握概念和分析方法起到了重要的作用， 对学生学习掌握这门课程帮助很大9。该教材中例题 非常丰富，由浅至深,与工程实践联系紧密，提高了学生 理解和掌握解题方法与技巧的能力，另一方

8、面也生动地 揭示了材料力学这门基础课在工程中的应用。教学中还推荐采用James M. Gere和Stephen P. Timoshenko 编写的Mechanics of Materials （材料力学）第四 版作为课程的参考文献，该教材也是欧美普遍采用的材 料力学教材，书中有大量的工程实际结构照片，便于学 生理解材料力学课程对于工程设计的支撑作用。（三）全英文材料力学的课程实验实验课程为8个实验教学学时,4个实验包括韧性 材料、脆性材料、杆件在复杂载荷下的变形以及压杆稳 定性试验。实验指导手册采用全英文形式，并要求学生 提交全英文的实验报告和讨论。1.考核与教学效果评价该课程以考核学生分析、

9、评价和设计杆件的能力以 及基本实验能力达成为主要目的,考查学生对材料力学 思想体系、各个重要知识点的掌握和应用能力，包括课 堂提问、课后作业、实验报告和期末考试4项内容。总评 采用百分制，考核细则如下：全英文材料力学考核细则表考核 环节分值评价要求以及细则对应教 学目标课堂 提问10%（1）考查材料力学专业术语听、说能力；（2）考查学术交流能力；（3）考查材料力学基本概念的应用和应 变能力；（4）考查课堂参与程度；（5）每个学生人均参与回答问题的次数 为/次，满分10分。1、3、4课后 作业20%（1）材料力学专业术语读写能力；（2）基本分析计算能力；（3）综合分析和计算能力；（4）6次作业，

10、单次作业5分制，期末计算 总评成绩。1、3、4实验 及实 验报告20%（1）实验过程中考查基本操作能力和学 生合作能力；（2）单次实验满分10分，操作和实验报告 各5分，取各次实验成绩的平均值作为此 环节的成绩。1、2、3、4（续表）考核 环节分值评价要求以及细则对应教 学目标期末 考试50%（1）全面考查基本概念，基本理论和基本 分析能力；（2 ）材料力学专业术语的读、写能力；（3）选择题30分，填空题20分，计算题50 分，卷面满分100分，以卷面成绩乘以其 在总评成绩中所占比例计入课程总评成 绩。1、3、4二、全英文材料力学课程的教学特点全英文材料力学课程具有以下特点:对标欧美高校 机械

11、工程和航空航天等工程专业的本科教学计划；强调 工程应用和工程实践；为各种产业、产品、过程的设计、 计算与仿真、制造、试验等提供材料力学系统知识;强调 工程实践训练；尊崇中国文化和工程的交融与交流,学 习过程中要求北京理工大学的国际留学生持续增进对 中国文化的学习，增进跨文化交流能力；同时通过减少 课堂教学课时，强调学习者的自学习能力培养，不断学 习和适应机械工程、航空航天工程以及工程力学相关领 域技术和观念发展、变化。三、全英文材料力学课程实践体会针对国际留学生的全英文材料力学课程已经在北 京理工大学开设了 6年，笔者在这6年的授课实践中全 面比较了全英文授课模式和中文材料力学授课模式,充 分

12、挖掘了不同授课模式之间的优劣，得到了以下几点教 学实践体会：（1）从授课的课时数和教学内容比较，全英文材料 力学采用欧美工程专业本科教育的常用教材，实施过程 中课时数远低于中文材料力学的课时数（机械工程、航 空航天或工程力学专业的课时数勿2学时）。从教学内 容上比较，二者最显著的差别在于全英文材料力学教学 内容中对刚架结构不做要求，但组合杆件和薄壁杆件的 剪切应力、剪流分布是教学重点。而中文材料力学教学 中杆件在横向载荷下的剪切应力和剪流不作为教学重 点，但刚架结构的弯矩图和变形分析是教学重要内容。 通过对比不同的教学内容发现，刚架结构将是后续结构 力学中的重要教学内容，也是后续课结构力学中力

13、法和 位移法重点解决的内容,因此在前修课材料力学中不做 要求，可避免过度重复教学，在全英文教学中不做要求 更为科学合理。全英文材料力学将教学重点放在杆件 受横向载荷下的剪切应力分布、组合结构和薄壁结构的 剪流分布，对于剪切强度低的材料，如复合材料等前沿 材料以及夹芯梁结构等，剪切应力和剪流分布是其失效 的重要因素,因此将部分课堂教学课时和教学重点放在 剪切应力和剪流分布是必要的。（2）全英文材料力学教材中每节后有小结、每章后 有重点回顾，例题前有典型分析流程总结（如图1所 示回）,这些回顾和总结对于学生梳理思路，把握要点和 总结提高有积极的作用，可为材料力学中文教材和教案 的编写提供借鉴。IM

14、PORTANT POINTS.Loads will cause all material bodies to deform and, as a result, points in the body w山 undergo displacement or changes in position.-Normal strain is a measure of the elongation or contraction of a small line segment in the body, whereas shear strain is a measure of the change in angle

15、 that occurs between two small line segments that are originally perpendicular to one another.”The state of strain at a point is characterized by six strain components： three normal strain ex, Ey, ez an|d three sheari strain yy2, yzx. These componets depend upon the orientation of the line segments

16、and their location in the body./小节总结CHAPTER REVIEW. Internal loaitings. The internal loadings in a body consistent of a normal foece, shear force, bending moment I and torsional moment. They represent the resultant of a normal or shear stress distribution that acts over the cross section. To obtain

17、these resultants, use the method of sections and the equations of equilibrium. A ergage Normal Stress. If a bar is made from homogenous isotropic material and it is subjected to a series of external axial loads that pass through the centroid of the cross section, then a unifdnn normal stress distrib

18、ution will act over the cross section. This average normal stress can be determined from o = P/A, where P is the internal axial load at the section. “章节重点回顾PROCEDURE FOR ANALYSISWhen solving problems using the average nromal and shear stress equations, a careful consideration should first be made as

19、 to the section over which the I critical stress is acting. Once this seciton is made, the member must then be designed to have a sufficient area at the section to resist the stress that acts on it. To determine this area, application requires the following steps.“Internal Shear. Section the member

20、through the area and draw a free-body diagram of a segment of the member. The internal resultant force at the section is then determined using the equations of equilibrium.。ReqiiriedArea. Provided the allowable stress is know or can be determined, the reqired area needed to sustain the load at the s

21、ection is then computed from A = P/baiiow or A = V/Taiiovr,分析过程总结梳理图1全英文材料力学教材典型示例全英文材料力学的教学强调分析、校核和结构 设计在工程中的应用，且绝大部分习题来自于工程实 践，对培养合格的工程师非常有帮助。全英文材料力学教材中有约1/4的教学内容为 提高性教学内容，不做必修要求，但又为具有学习潜力 和兴趣的学生提供了补充内容和资源，对挖掘学生的潜 力和提高学生的自主学习能动性具有非常重要的作用。全英文材料力学中对于固体力学中重要的能量 法教学内容安排少，层次低，不利于学生后续学习并掌 握有限元分析方法这些力学工具

22、,因此在后续的全英文 教学实践中建议在能量法章节中增加课堂教学学时数, 安排单位载荷法和图乘法等重要的教学模块。面对网络慕课等新兴教学模式的冲击，全英文 材料力学也可以将慕课1()-13和课堂教学、翻转课堂等教 学模式有机地结合起来，如要求学生课前通过慕课自 学，课中通过做习题或口试等灵活的教学形式开展翻转 课堂尝试。为了配合留学生的材料力学教学任务，我校 率先开始了全英文材料力学MOOC建设,课程先导片如 图2所示。图2材料力学全英文MOOC先导片实践过程中为了减少纯课堂授课课时，并强调学生 自学习能力的培养，尝试采用小班分组的教学形式，开 展讨论教学14-15o教学过程中充分鼓励学生和教师、学 生和学生之间进行互动，包括质疑，激发思想火花的碰 撞。如“杆件的设计(Design of Beams and Shafts)章节， 教学中未采用传统的课堂教学模式，不再单纯地灌输设 计理论和讲授教材中的例题，而是提出具体的设计要求 (如以竹材为梁结构主承载材料,设计承载能力高的桥 面板结构)，要求学生主动利用网络资源(如国内外高校 的在线开放课程或其他网络资源、论