“三高四新”背景下土木工程专业《材料力学》教学改革探索

王力东，郝海霞，彭旭龙，韩艳

（长沙理工大学 土木工程学院，湖南长沙 410114）

2020年9月，习近平总书记在湖南考察时勉励湖南打造“三个高地”、践行“四新”使命，即着力打造国家重要先进制造业、具有核心竞争力的科技创新、内陆地区改革开放的高地，在推动高质量发展上闯出新路子，在构建新发展格局中展现新作为，在推动中部地区崛起和长江经济带发展中彰显新担当，奋力谱写新时代坚持和发展中国特色社会主义的湖南新篇章。“三高四新”使命，是习近平总书记从战略和全局高度对湖南发展做出的科学指引，构成了“十四五”乃至更长一个时期湖南发展的指导思想和行动纲领。土木工程作为长沙理工大学的优势学科之一，对省内土木工程人才的培养起着举足轻重的作用。在新形势下，开展《材料力学》教学改革，对培养符合“三高四新”战略要求的土木工程专业复合型人才具有时代意义。

本文旨在探索“三高四新”战略下土木工程专业《材料力学》课程的教学方法和手段。在《材料力学》的教学中融入新时代“三高四新”战略人才培养需求，不仅可以引导学生深刻理解所学专业的重要意义，产生专业自豪感，同时能更好地将理论知识与工程应用相联系，从而激发学生的学习积极性。这样既有利于学生树立正确目标，又能培养学生的社会使命感和责任感，从而使学生更好地掌握材料力学知识，提高教学质量。

1 教学改革现状

1.1 “三高四新”背景下教学改革现状

为服务湖南“三高四新”发展战略，顺应新时代人才培养需求，省内高校积极开展教学改革研究。湖南大学吴迪[1]认为，围绕长沙正在实施的“三高四新”战略目标，需通过教学改革、校企合作，加快培养适合企业需要的人才。南华大学[2]及时制定了《贯彻湖南“三高四新”战略行动方案》，提出将教育教学、人才培养等方面与“八大任务”“五大行动”紧密结合起来。湖南师范大学袁冬梅等[3]分析了“三高四新”背景下商科经贸类人才培养需求，提出了新形势下相应的改革建议。为更好地服务“三高四新”战略，湖南工业大学罗竹辉等[4]针对《工业机器人及其应用》课程，从教学内容与体系、教学方法、实践教学等方面提出了相应的改革措施。中南林业科技大学赵青等[5]针对“三高四新”和智慧农林背景下《机械原理》课程思政教学，提出了坚守课堂教学高地、打造网络教学高地、开拓实践教学高地等改革措施。湖南理工学院童耀南等[6]结合我省“三高四新”战略背景，以大工程观为指导，设计出符合该校实际情况的“4（4+1）”型电子信息类新工科人才培养模式。综上可知，积极响应“三高四新”战略需求，结合各高校人才培养特点和优势开展教学改革，已成为湖南省高校改革的一种趋势。

1.2 土木工程专业《材料力学》教学改革现状

《材料力学》作为土木工程专业的基础课程，一直是教学改革的热点。卢会芳和贺东青[7]从《材料力学》和后续课程的联系出发，着重探讨了材料力学与结构力学、混凝土结构原理及钢结构原理等后续课程的关系。倪振强等[8]从普通高校的土木工程专业实际教学情况出发，对《材料力学》课程教学模式的创新进行了研究和探索。闻磊等[9]结合石家庄铁道大学土木、机械、力学等专业人才培养方案、课外实践活动等环节，根据《材料力学》教学中存在的问题，提出了理论教学和实践教学相结合的改革举措。为提高土木工程专业《材料力学》的教学效果，于海丰等[10]针对教学过程中发现的一些问题，从教师队伍专业性、教学内容时效性、教学方法灵活性等方面进行了探索和尝试。齐宝欣等[11]探讨了将简单的实际工程问题简化成力学模型的《材料力学》课程教学模式，以提高土木工程专业学生学习《材料力学》的兴趣、积极性和主观能动性。张桂民等[12]根据《材料力学》课程安排，总结了与土木工程相关的几个典型案例，认为这些案例可以作为教学案例展示给土木工程专业的学生。尚伟等[13]结合土木类专业和《材料力学》课程的特点，在截面法的基础上总结出了轴向拉压、扭转和弯曲基本变形形式下构件内力求解的简便方法。杨凤等[14]针对《材料力学》课程在教学方法、教学内容等方面存在的不足，提出了新工科背景下提高土木工程专业学生实践能力的《材料力学》教学模式，并在教学实践当中取得了良好的教学效果。

以上研究针对土木工程专业《材料力学》教学，从教学方法、教学模式、教学内容、教学手段、评价方式等方面提出了不同的改革措施。因此，在现有措施的基础上，结合“三高四新”战略背景，提出符合新时代发展要求的《材料力学》教学改革方案，具有重要意义。

2 教学改革方案

根据新形势下土木工程专业人才需求，结合土木工程专业《材料力学》教学特点，提出以下改革方案。

（1）优化教学材料，在课程教学过程中适当增加土木工程相关案例。例如，在讲解轴向拉伸和压缩时，可以介绍土木工程结构当中经常出现的以轴向拉伸或者压缩为主要变形特征的杆件，如斜拉桥的拉索、房屋结构的立柱；在讲解梁的合理截面形状时，可以引入高速铁路简支箱梁或大跨度桥梁箱型截面梁设计作为讲解材料；在讲解组合变形时，可以引入大跨度桥梁的桥塔、工业厂房的立柱等素材。同时，在引入相关案例时，尽量选用我国近年来新建的大型土木工程结构，这样不仅可以使学生熟悉素材，而且能培养学生的专业自豪感。

（2）拓展教学内容，在课程教学过程中适当增加材料力学的最新研究成果。例如，在讲解提高材料力学性能时，可以介绍纤维增强复合材料的力学性能和研究进展。目前，纤维增强复合材料在轨道交通、航空航天、土木工程等领域实现了广泛应用。在课程讲授过程中，可以向学生介绍纤维增强复合材料的优点、制备工艺、力学行为、声和热等物理性能以及在高性能化和多功能化等方面的研究进展，以激发学生对材料力学的学习兴趣；同时，还可以在纤维增强复合材料的介绍中融入课堂思政，介绍该类材料在我国先进装备制造、土木工程等领域为实现碳中和、碳达峰所做的贡献。

（3）调整教学方法，提高学生分析问题和解决工程问题的能力。土木工程专业的学生学习《材料力学》，应在课程学习过程中锻炼他们运用材料力学解决实际工程问题的能力。为达到该目的，可以在课堂训练中增加关于实际工程案例的分析题。例如，在讲解梁的合理设计时，可以针对“无锡高架桥侧翻”等独柱墩桥梁侧翻问题展开讨论，让学生运用所学材料力学知识进行解释。除此之外，还应该增加学生解决工程问题的手段。目前ANSYS、MIDAS/Civil 是土木工程领域常用的有限元分析软件，借助有限元软件开展结构设计和分析是新时代土木工程领域工作者的必备技能。因此，在《材料力学》的学习过程中应锻炼学生使用有限元软件分析简单工程问题的能力。

（4）鼓励学生参加土木工程相关创新训练项目，锻炼学生的创新能力。一方面可以鼓励学生参加各类结构设计竞赛，以赛促学。长沙理工大学土木工程学院拥有省级“大学生创新创业教育平台”，在大学生结构设计竞赛方面拥有丰富的指导经验，目前已连续7 次获全国大学生结构设计竞赛一等奖。因此，可以充分利用学院的资源和优势锻炼学生的创新能力。另一方面，土木工程学院拥有一群高水平导师队伍，每年主持省级以上科研项目数十项，因此可以鼓励学生参与导师科研课题，在参与解决科学前沿问题中锻炼学生的创新能力。

（5）融入“湖南元素”，培养学生建设祖国、建设湖南的责任感和使命感。湖南拥有一批与材料力学紧密相关的行业龙头企业（如中建五局、中国中车），也建造了多项可称之为“湖南名片”的重大工程项目（如矮寨大桥、长沙磁浮线），因此可以将上述元素融入《材料力学》的讲解过程当中。例如，在讲解轴向拉伸时，可以矮寨大桥吊索的受力和变形特征作为课程导入；在讲解梁的位移时，可以长沙中低速磁浮线为例，与学生分享设计规范中关于轨道梁挠度和转角的相关规定。通过将上述元素融入《材料力学》课堂教学，一方面向学生展示朝气蓬勃、发展势头强劲的湖南，另一方面也为“三高四新”战略培养后备人才。

3 结语

“三高四新”使命，是习近平总书记从战略和全局高度对湖南发展做出的科学指引，构成了“十四五”乃至更长一个时期湖南发展的指导思想和行动纲领。本文以此为背景，根据新形势下人才培养需求提出了《材料力学》教学改革方案，包括优化教学材料、拓展教学内容、调整教学方法、鼓励学生参加土木工程相关创新训练项目和融入更多“湖南元素”。拟通过上述改革，在提高《材料力学》教学质量的同时，为“三高四新”战略培养符合时代要求的复合型土木工程人才。