面向新工科建设的材料力学课程内容优化设计

林远东 刘丹丹 卢小雨 张宏学

摘 要：材料力学以“四大基本变形”和“组合变形”的强度计算、变形计算及压杆的稳定性为目标内容。对比发现，传统教法中复杂应力状态下“基本变形”的强度条件和“强度理论”的强度条件不一致。基于新工科建设对通识课程的要求和理顺材料力学各章节内容的关联性，将材料力学授课内容进行优化设计：根据各个知识点的关联性安排授课内容及顺序，使章节和节次间的内容环环相扣、层层推进，符合一般到特殊的认知规律，形成一个具有严密逻辑的完整教学系统;将实验环节和理论教学合二为一，提高课时的利用率，为课程学时的精简提供了可能。由现象到本质、经逻辑演绎上升到理论高度而获得相关理论的教学模式，有助于培养和提高学生的科研素养，符合新经济条件下“新工科”建设的要求。

关键词：课程内容优化; 教学改革;材料力学;新工科

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 收稿日期：2019-04-08 文章编号：1674-120X（2019）23-0114-02

一、引言

我国在2016年成为《华盛顿协议》的第18个正式成员。2017年教育部启动了“新工科”发展研究工作，同年形成了“复旦共识”“天大行动”及“北京指南”，为新时期我国工程教育改革指明了方向。

新工科建设将目光聚焦在毕业生的基本素质上，要求毕业生基础宽厚、扎实，专业知识精、深，具有独立自主知识产权的设计和研发能力，这势必导致包括力学课程在内的基础课程学时受到削减。力学课程作为“新工科”的通识课程，要求工科从业人员具备扎实的力学计算和分析能力，以适应新经济对创新型人才的需要。力学教育工作者须以培养学生的力学思维和创新能力为目标，通过梳理课程的组织构架，提炼力学思维;以力学思维培养为导向构建新工科力学通识课程的教学体系，提高学生严密的逻辑思维能力和创新能力。这些目標的实现，需要力学教育工作者积极构建学时少而内容精练的教学内容。

二、材料力学传统教法及不足

材料力学课程内容常见的设置顺序为：“绪论”→“基本变形”→“应力与应变分析”→“强度理论”→“组合变形”→“压杆稳定”→“能量法”→“动载荷”→“交变应力”→“超静定结构”，本文称之为传统教法（如图1所示）。

由图1可见，传统教法涵盖内容较多，其中“基本变形”包括轴向拉（压）、剪切和挤压、扭转、弯曲四种变形，常称为“四大基本变形”。目前国内各高校根据各专业培养目标的不同，本课程学时安排不一，常见的有70学时和80学时（一般含实验6～10学时）。其中，动载荷、交变应力和超静定结构这些章节内容，可根据专业情况和学时安排选讲或不讲。

传统教法在内容的安排上，是一个由浅入深的渐进过程，符合认知规律的要求，但其逻辑性不强。在“绪论”中交代了基本假设和应力与应变的概念后，依次安排“轴向拉（压）”“剪切和挤压”“扭转”和“弯曲”这“四大基本变形”的应力和变形计算。在讲述“四大基本变形”的章节中进行强度计算时，若构件横截面上只有正应力而无切应力时，对应的强度条件为

若构件横截面上只有切应力时，对应的强度条件为

对构件的横截面上既有正应力也有切应力，在进行强度计算时则要求式（1）和式（2）同时满足。

然而，在传统教法的“强度理论”中，对单元体上既有正应力也有切应力的复杂应力状态，介绍的四个强度理论的强度条件如下：

通过前后内容的对比分析，发现“四大基本变形”中除了“轴向拉（压）”的应力状态为单向应力状态，其余变形情况往往是复杂的应力状态。对这些复杂应力状态，传统教法在“基本变形”部分进行强度计算时是按式（1）和式（2）来处理的，而“强度理论”部分却是按式（3）～（6）进行的，前后不一，无逻辑性可言。另外，在新形势下材料力学课程的学时数有可能还会被削减。因此，在新形势下面向新工科建设的要求，力学教育工作者应着手构建符合学时少、内容精练和具有严密逻辑性的系统教学内容。

三、材料力学内容的优化设计及其特点

（一）优化设计的材料力学教学内容

以已立项项目所拟定的目标为推力，比较目前在各高校材料力学教学中用量较大的教材内容，并根据新工科建设的内在要求，整合项目研究的阶段性成果，就材料力学的教学内容进行优化，为广大力学教育工作者在教学内容的安排上提供参考和借鉴（如图2所示）。

由图2可见，经优化设计后，拟定的材料力学教学内容及顺序为：“绪论”→“应力应变分析”→“强度理论”→“基本变形”→“组合变形”→“压杆稳定”→“专题”。“专题”部分可根据专业特性和学时情况选讲或不讲，以适用、够用为原则，仅设置能量法和动载荷内容;把重点放在“基本变形”“组合变形”及“压杆稳定”这些内容上。“绪论”“应力应变分析”及“强度理论”则为重点内容的理论铺垫;强调掌握基本概念、基本理论和基本方法。

（二）优化后材料力学授课内容的主要特点

1.优化设计的内容严格遵循一般到特殊的原理，各章节间具有严密的逻辑性和关联性

“绪论”介绍变形固体的基本假设及应力、应变的概念，在此基础上安排“应力应变分析”;“应力应变分析”又是“强度理论”的知识铺垫，且“应力应变分析”和“强度理论”又为“基本变形”和“组合变形”在进行强度计算时提供了理论基础。如此这般设置，不会出现传统教法中前后内容不一致性和逻辑性不强的情况;“压杆稳定”则论证了结构要正常、安全地工作，除了满足强度、刚度的要求外，还需满足稳定性方面的要求，形成了一个完整的系统。

2.优化设计的内容具有典型的行知合一性

材料力学课程设有实验环节。传统教法往往是先安排学生学习理论知识之后，再进入实验室完成相关实验，从功能的角度，实验具有验证性兼测试相关物理量的功能。然而，相当比重的理论知识是通过实验现象和系列假设的基础上提炼升华演绎而来。故传统教法不符合认知的一般规律，属本末倒置。优化设计的内容，摒除了传统教法在实验和理论教学环节脱节的现象，将实验环节和理论教学合二为一，大大提高了课时的利用率，为课程学时的精简提供了可能;将传统的验证性实验转换为探索（研究）性实验，即在“基本变形”部分先安排相关实验，用观察到的实验现象引导学生进行归纳总结，经逻辑演绎上升到理论高度而获得相关理论。这种由现象到本质的教学模式，有助于培养和提高学生的科研素养。

四、 结语

对材料力学课程的授课内容进行优化设计，根据各个知识点的关联性安排授课内容及顺序，使章节和节次间的内容环环相扣、层层推进，符合一般到特殊的认知规律，形成一个具有严密的完整教学系统;将实验环节和理论教学合二为一，提高了课时的利用率，为课程学时的精简提供了可能;由现象到本质、经逻辑演绎上升到理论高度而获得相关理论的教学模式，有助于培养和提高学生的科研素养，符合新经济条件下“新工科”建设的要求。

参考文献：

[1]中国正式成为《华盛顿协议》第 18 个正式成员[EB/OL].http：//www.Cankaoxiaoxi.com/edu /20160602/1179860.shtml.2016-06-02.

[2] 陈 涛，邵云飞.《华盛顿协议》：内涵阐释与中国实践——兼谈与“新工科”建设的实质等效性[J].重庆高教研究，2018（1）：56-64.

[3] 马宏伟，张伟伟.新工科力学课程体系的几点思考[J].高等工程教育研究，2018（3）：6-12.