以工程教育认证为导向的机制专业材料力学课程教学改革探索与实践

李智慧

0 引言

材料力学作为高等院校机械设计制造及其自动化专业的一门重要的核心课程，不仅为后续专业课程，如机械设计、机械原理、机械制造基础、机械制造装备设计和机械工程材料等的学习提供必备的基础理论支撑，而且在工程结构的设计与分析中有着重要的应用。在整个培养体系中，材料力学对学生工程意识与工程认知能力、实验设计与操作能力、人文社会科学素养的培养及分析解决实际工程问题能力的培养都起着重要的作用[1]。

工程教育认证“以学生为中心，以学习成果为导向，以持续改进”的基本理念与当前高等工科教育中以课程为导向的培养模式有很大不同，以课程为导向的大学工科培养模式培养出来的学生虽然基础扎实，但利用所学理论知识解决工程问题的能力不足，实践中缺乏团队协作能力和工程意识，职业素养和社会责任感不足，而这些正是工程教育认证所提倡和要求的。只有深入研究和挖掘每门课程的特点和各门课程对能力培养的联系，才有可能培养出符合工程教育认证理念要求的、能够在国际上获得认可的人才。本文从以成果为导向的工程教育认证的要求出发，根据我校材料力学教学模式的现状和师生的特点，研究了通过材料力学课程教学改革，对学生工程认知和力学建模能力、人文科学素养以及实验设计与操作这三个方面能力的培养中可起到的重要作用，并提出了相应的实施方案，从而为实现我校由以课程为导向的工程教育理念向以成果为导向的工程教育认证理念的转变提供一个切实可行的途径，而且这些方案对教学硬件设施要求不高，可为其他高校工科力学基础课程的教学改革提供参考。

1 学生工程认知和力学建模能力的培养

提高学生的力学建模能力和工程认知能力是工程教育认证的要求，也是为适应当今时代背景下的知识结构体系变化的需求。目前大多数材料力学教材中的实例都是抽象的力学模型，学生并不了解这些力学模型是如何从实际工程问题中转化而来的，这就导致了学生所学习的力学基础理论与实践认知环节的脱节问题。

针对上述力学基础理论与实践认知脱节的问题，我们着力从以下四个方面解决。第一，教师授课时增加了“如何抽象简化力学模型”的内容。与传统授课内容相比，我们在讲授课程时采用了如下内容：一是工程和生活实际的视频或图片，对工程问题进行描述和解释；二是力学模型的抽象与简化；三是基本理论的推导；四是利用导出的基本理论和公式对抽象得到的模型进行计算和分析。第二，教学中结合机械工程中常见工程实例进行讲授，例如，在讲述基本变形部分的内容时，分别以吊车的吊钩、电动推杆等为例分析轴向拉伸和轴向压缩变形杆件内的应力和应变；以铆钉连接件和螺栓连接件为例剖析剪切和挤压强度的工程近似计算方法；以机床传动的主轴和汽车方向盘的操纵杆等为例分析受扭圆轴内的应力和应变及强度条件和刚度条件在机械工程中的应用；以吊车大梁和汽车主轴为例分析弯曲变形杆件的强度和刚度；在讲述组合变形部分的内容时，以受到钻削力作用的钻床立柱为例，分析立柱的强度问题，以三轴数控铣床铣削平面和加工模具时的刀具主轴为例，分析主轴的强度和刚度问题；在讲述稳定性问题时，以螺旋千斤顶为例分析临界力、临界应力的计算及合理的稳定设计方案。这样将机械工程的常见实例渗透到材料力学教学中，不仅能建立学生对抽象的材料力学知识与直观的工程问题的关联，也能提高学生对机械专业学习的主观能动性。第三，将现行的大型有限元商用软件ANSYS 引入到材料力学的课堂教学和实验教学，教学过程中动态展示典型机械零件加载、变形直到破坏的全过程[2]。在讲授四种基本变形和组合变形杆件的强度计算时，利用ANSYS 软件显示各基本变形和组合变形下的应力应变分布云图，将理论与数值计算的结果进行比较，不仅加深了学生对理论推导过程中各种假设的理解，更能给予学生对解决工程问题形象而直观的认识。在讲解应力集中时，通过ANSYS 软件显示应力集中部位的应力应变值，让学生认识到机械零件设计过程中应力集中的重要性以及如何减缓应力集中。在实验教学中，利用ANSYS 软件进行模拟实验，可反复观察模拟实验过程中的各种现象及应力应变云图的变化，做到深入透彻、举一反三。第四，积极鼓励学生参加各种课外竞赛，应用所学的材料力学知识支撑设计论证。学院鼓励学生积极参加各种机械类和综合类的大型赛事和创新训练项目，例如，全国大学生机械创新设计大赛、机械测绘大赛、“互联网+”“挑战杯”和大学生创新训练项目等。学生参加比赛完成项目时，从对项目主题的分析、建模时材料力学知识的运用、到具体解决问题时每个细节的分析处理，在这整个过程中，其综合应用所学理论知识的能力、实践能力、协作能力和自主学习能力等都能获得有效的锻炼。力学模型的抽象与简化、工程实例的讲授、工程软件引入教学及综合应用材料力学知识进行设计论证，这四个方面四位一体，形成培养学生工程认知能力的有效机制。

2 学生实践能力的培养

目前材料力学实验课程中的常规实验项目如典型塑性材料低碳钢和典型脆性材料铸铁的单轴拉伸、单轴压缩和扭转及梁的弯曲正应力电测实验等，均为验证性实验，学生只需按照指导书完成实验和处理数据即可，这不利于提高学生的知识运用能力和工程分析能力[3]，也未能很好地体现学生自主设计实验的能力及协作精神。从工程教育专业认证的角度出发，我们在材料力学的实验部分，除了完成拉压、扭转、弯曲等常规实验项目外，还根据目前的实验硬件和学科的研究方向，增开一些基于科研项目和工程背景的开放性或创新性实验。如，当前出现的很多新型复合材料在机械工程中有着广泛的应用，其力学性能与常见金属材料差异很大，同时学科有相关研究项目的支持，因此开设了新型复合陶瓷材料、功能梯度材料等新材料的高低温拉伸强度、压缩强度实验。这些实验项目要求学生提前自学实验的原理、设备的性能和操作规程，根据需求设计试样尺寸形状和实验夹具卡具，制定实验计划，独立完成实验过程，处理数据，综合分析实验结果。这样既能使学生更深入地掌握材料力学知识，也能提升其实践能力，培养其创新意识。

机制专业课中的机械设计、机械原理、机械制造基础、机械制造装备设计和工程材料等都涉及材料力学知识，材料力学创新实验项目的设置不仅要基于科研项目和工程背景，更应注重与这些后续课程内容上的配合和衔接，例如，变截面轴的设计是机械设计课程中非常重要的内容，而变截面轴的强度和刚度计算的理论基础都应在材料力学课程中掌握理解透彻，实验课程中可以进行变截面圆轴实验设计的初步讲解和渗透，有意识地将材料力学与后续专业课联系，加强学生对材料力学基本理论的应用。

3 学生人文科学素养的培养

以成果为导向的工程教育认证理念强调学生人文科学素养的培养，为此，我们从材料力学发展史的角度，在掌握基本理论的基础上，提高学生的批判性思维能力和人文科学素养。教学过程中，引导学生查阅力学史资料，整理某些典型的基本理论诞生的时代背景、工程背景及当时的科学发展水平，体会对基本理论有过重大贡献的力学家的科学精神，寻找他们所采用的研究方法和所获得结论的不完善之处，探索导致不完善的因素。教学过程中给学生理清材料力学基本理论的发展脉络，结合学生阅读力学史相关资料的体会，激发他们的求知欲。通过增加力学前辈们探索理论的时代背景、工程背景、曲折过程、科学素养以及导致某些理论不完善甚至错误的原因等，以培养学生的科学素养及其勇于接受探索过程中出现挫折和失败的创新意识、职业道德和社会责任感等基本素养。在教学过程中重现理论的探索发现和发展的过程，能够从方法论的角度逐步引导学生提高创新思维能力，这也是当前以成果为导向的工程教育认证的要求之一。

4 结语

根据以成果为导向的工程教育专业认证要求，针对我校目前材料力学教学中存在的实际问题，在教学过程中通过力学模型的抽象与简化、工程实例的讲授、工程软件引入及综合应用材料力学知识进行设计论证，培养学生的工程认知能力和利用所学知识解决实际工程问题的能力；从力学史的角度，培养学生的社会责任感和工程职业道德等人文科学素养；通过基于科研项目和工程背景的开放性或创新性实验项目开设，培养学生的实践能力和创新意识。通过上述方案的实施，为实现我校由课程导向的工科人才培养模式向由成果导向的工程教育认证理念下的人才培养模式的转变提供一条可行的途径。