工程化理念下复合材料力学课堂教学研究

夏晓东，袁亚军，罗建阳，肖厦子，陶勇

1.中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410075；2.长沙学院计划财务处，湖南 长沙 410022

随着“碳中和”“一带一路”“互联网+”等一系列重大战略的实施［1-2］，我国迫切需要一大批多样化、创新型卓越工程科技人才来支撑产业转型升级［3］。而人才培养离不开教育，高素质工程科技人才培养更加离不开高等教育。高等院校持续深化工程教育改革，全面提升工程教育质量势在必行，新工科建设应运而生。2017 年6 月12 日，教育部正式发布《新工科研究与实践项目指南》，明确提出新工科建设包含新理念、新结构、新模式、新质量、新体系五个方面的内容，囊括了理论研究、学科专业结构改革、人才培养模式改革、人才培养质量评价标准制定和人才分类培养体系结构等各个方面。

新兴工程科技人才的培养需要大力提升学生在工程实践应用方面的创新能力，这就要求高校在制定专业培养方案时以创新型工程教育思想及工程化理念为指导，将其渗透到教师的备课、上课和课后辅导中去，将工程化的教学理念贯穿每一位学生的学习，促使学生参加具体的工程实践活动，以满足国家对人才素质和创新能力的要求。基于工程化教学理念的新工科建设对我国工科高等教育的改革与创新起到了引领与示范作用［4-5］。新工科的核心是“创新”，在新经济和新产业背景下，高校既要根据新兴产业开设一批新的工科专业，也要求传统的工科专业进行改革创新，注入新的活力，为我国经济发展提供具有开拓精神、工程思维以及创新能力的新型工程人才［6］。

复合材料被广泛应用于新能源、航空航天等与国家安全密切相关的关键领域，准确预测先进功能复合材料的力学性能是在国家重大工程中合理使用复合材料的重要基础［7-8］。复合材料力学课程是国内外高等院校工程力学专业的一门重要专业课程，也是土木工程、交通运输、材料等工程专业的选修课程，大多在本科三年级或四年级开设［9］。通过课程学习，学生理解力学、数学基本理论，掌握对复合材料与结构进行力学分析的基本概念、基本原理和基本方法，具有了解决与复合材料力学有关的工程问题的基本能力，为后续专业课程的学习、今后从事复合材料的相关工作及科学研究等打下基础。

然而，科学技术和社会的发展对工程力学专业人才培养提出了更高的期待，原有的复合材料力学课程体系和教学内容已不能满足其要求。新工科工程化教育理念重在培养人才的工程思维，以工程实践自身的规律和本质指导，规范人才培养过程，依据工程实践活动的认知逻辑构建课程内容框架，将学生作为教学活动的主体，注重对学生实践能力、创新能力以及团队协作能力等方面的培养。进行复合材料力学教学改革，改革枯燥的传统授课模式，调动学生学习的灵活性、主动性和积极性，已成为提升课程教学和培养高素质人才的重要要求，是复合材料力学课程建设中值得探索的内容。通过把复合材料力学这门专业基础课与工程实际结合，培养学生的复合材料力学建模和解决工程实际问题的能力，进而提高学生的学习兴趣，是对授课教师的挑战。

目前，关于新工科工程化教学理念的研究大多集中于工程力学、结构力学和流体力学等基础力学课程［10-11］，而在复合材料力学课程翻转课堂中的教改研究较少。文章针对目前复合材料力学工程化课堂教学中存在的不足，结合国家重大工程及科技前沿，探索新工科工程化教学理念在复合材料力学课程教学中的研究与实践，以此弥补现有研究的不足。

1 复合材料力学课堂教学目前存在的问题

通过分析复合材料力学传统教学模式存在的各种弊端，发现目前存在的问题主要集中在以下四方面。

1.1 教学内容局限于传统教材，工程化不足

当前复合材料力学的教学内容偏重教材，对学生未来职业发展及升学作用小。并且教材及多媒体课件长时间未更新，教材中所使用的例题多为假想或人为设计的，缺乏实际工程实例。对学生而言，这样的例题和教材后面的习题大同小异，实际意义不足，难以激起他们学习的兴趣。例如，在完成相关课程学习后，学生并不能知道怎样将复合材料应用到具体的工程实例中去。因此，高校急需开展基于工程化教学理念的复合材料力学教学内容更新。

1.2 基于纯讲授的教学方法

现行的复合材料力学课堂教学方法主要以单一课堂讲授为主，着重演示复合材料力学基本理论的推导过程，对工程应用背景介绍偏少。当教师在课堂上讲到复合材料力学计算知识点时，学生往往因缺乏对实际工程中复合材料的感性认识而显得茫然。很大程度上，学生仍以“闭门学习”为主，只能机械地接受知识，很难体会到所学理论在解决工程问题中的重要性，故而缺乏学习的积极性和主动性。学生普遍反映该课程理论枯燥、学习难度大、很多知识点难以被消化和掌握，并且学生缺乏参与度，学到的知识不能用于解决工程中遇到的实际问题。因此，高校急需开展基于工程化思想的翻转课堂建设。

1.3 缺乏基于工程化的复合材料力学课程思政教育

高校的根本任务是立德树人，培养满足社会需要的高素质人才。课程思政教育通过在专业教学中融入思政教育，把专业知识传授与价值观的引导有机结合，提高学生专业技能的同时，增强学生的社会责任感、工程伦理意识以及职业担当，为中国特色社会主义建设输送高水平的复合型工程人才。但当前复合材料力学课程中教师往往专注于理论知识教学，忽视对意识形态的引导，课程思政教育推行难度较大。受传统“以教师为中心”的说教式教育影响，大部分教师在课堂上更多地专注于专业知识的传授和技能的培养，相对忽略结合具体工程实践的人文情怀熏陶和思想政治教育。相比单纯的思政课教育，在复合材料力学课程中合理设计思政点可以更强烈地唤起学生的兴趣和共鸣，发挥立德树人的作用。因此，高校急需在复合材料力学课程中引入课程思政设计，以润物细无声的方式提升课堂思政水平。

1.4 基于单一考试的线性评价方式

当前复合材料力学课程评价体系局限于基于单一考试的线性考核方式，即依据课堂理论授课内容和课本例题，开展具有固定答案的计算题期末考试。然而，在工程化背景下，上述考核方式仅能反映学生对复合材料计算习题的掌握情况，不能够反映学生实际参与工程化课堂教学的程度。因此，高校急需建立基于工程化教学理念的复合材料力学多维评价体系。

2 基于工程化教学理念的复合材料力学教改措施

针对国内高等院校复合材料力学课程的不足，本文探索基于工程化教学理念的复合材料力学教改体系，如图1 所示，具体包括：增加复合材料力学工程化教学内容；调整教学方法，实现工程化翻转课堂；引入课程思政，突出复合材料工程实例对社会的贡献；建立基于新工科工程化教学理念的多维评价体系等。

图1 新工科工程化教学理念下复合材料力学课程教学研究与实践体系

2.1 增加复合材料力学工程化教学内容

针对目前复合材料力学教学内容局限于传统教材、工程化不足的问题，我们提出增加复合材料力学工程化教学内容的措施。

首先，教师每年搜索新的世界重大工程实例，筛选出与复合材料力学相关的经典工程案例，并按照知识点分类，借助多媒体等现代技术手段建立与复合材料力学课程内容相关的结构素材库和工程案例库。例如，结构素材库可按照复合材料结构类型分为层合板复合材料、颗粒复合材料、纤维复合材料等，工程案例库可按照应用类型分为结构复合材料、功能复合材料、纳米复合材料、新型复合材料等。通过构建复合材料结构素材库和工程案例库，分类总结世界重大工程中复合材料的具体应用实例。

其次，通过上述结构素材库和工程案例库充实复合材料力学课程的多媒体课件，如电动汽车、高速动车组、船舶中复合材料的应用（见图2）。将工程实例中具体的复合材料实际构型展示在多媒体课件中，并在课堂讲解中简要介绍它们的设计过程，以及采用复合材料构型带来的性能优势。将复合材料实际工程结构搬到课堂中来，不但让学生有身临其境之感，提高学生的工程素质，也帮助学生通过直观的工程示例，加深对复合材料力学理论体系的理解和把握。

图2 复合材料力学课程工程化多媒体课件示例

最后，教师在基于新工科工程化理念的复合材料力学课程中，结合所选取的最新典型工程案例，编制对应的课程教案，并将工程实例与课堂讲授内容结合，设计典型章节讨论课。例如，针对层合板等效模量的计算章节，选取航空工业中大型客机实际采用的碳纤维复合材料实例，运用复合材料力学课程知识，计算其等效刚度，使学生能够做到理论联系工程，加深学生对复合材料力学在工程实际中应用的理解。

2.2 调整教学方法，实现工程化翻转课堂

针对目前复合材料力学课程纯讲授教学方法的不足，我们需要调整教学方法，进行工程化翻转课堂教学。

首先，复合材料力学中的基本概念要从工程中来，应用到工程中去。在复合材料力学课堂教学中，采用传统的板书与多媒体教学相结合的教学方式：一方面，通过板书可以很好地抓住学生的注意力，引导学生跟着老师的板书推导复合材料力学经典理论；另一方面，通过多媒体教学展示复合材料工程实例图片与动画，将抽象的复合材料力学概念生动地表述出来。传统教学形式要和现代教学手段有机结合，在课堂教学中鼓励学生主动去发现身边的复合材料力学规律，注重启发学生分析各种实际工程中复合材料力学的具体问题。

其次，引导学生通过Web of Science 或百度学术等学术搜索引擎，以3 到5 人小组为单位，依据事先分配的学科主题，搜索复合材料力学的最新科研成果及其在工程实例中的应用。例如，搜索主题按照复合材料类型可以分为复合材料的强度与刚度、功能复合材料、纳米复合材料等几个方面。每个小组根据所分配的主题内容，提前开展文献搜索，制作多媒体课堂展示课件；在课堂上自主介绍最新工程中的具体实例，以及学术论文中对其的理论分析；以小组为单位撰写复合材料工程实例的总结报告，最终实现复合材料力学工程化翻转课堂。

2.3 引入课程思政，突出复合材料工程实例对社会的贡献

针对目前基于工程化理念的复合材料力学课程思政教育的不足，教师需要充分发挥本课程的立德树人作用，突出复合材料工程实例对社会的贡献，实现“德育”和“知识”的共同培养。一方面，教师在课堂授课中适当介绍国家相关重大工程实例，增加学生的民族荣誉感和自豪感。例如，中国商飞公司大型客机C919，即将与波音B737 和空客A320 一同成为世界上“三足鼎立”的干线客机，在设计及制造过程中复合材料的采用比例为20%左右，相比铝合金构件，复合材料构件在保证机体强度的同时，大大减轻了C919 国产大飞机的机体重量。另一方面，教师在课堂授课中融入课程思政元素，结合复合材料结构运用在建造过程中的真人真事，选取可歌可泣的典型事迹在课堂上介绍。例如，将C919 国产大飞机制造过程中的团队合作和工匠精神等思政教育元素融入多媒体课件与教学方案中。

2.4 建立基于工程化教学理念的多维评价体系

针对目前复合材料力学基于单一考试的线性考核方式的不足，我们提出建立基于新工科工程化教学理念的多维评价体系，分别以“基础知识”和“工程化”作为两个独立的考核维度（见图3）。

图3 基于工程化教学理念的复合材料力学多维评价体系

首先，在基础知识考核维度方面，主要包括平时课堂提问与期末考试，侧重对学生复合材料力学基础知识掌握情况的考查。课堂提问主要对本节课所讲解的工程实例提出一些开放性问答题，引导学生培养发散性思维。期末考试则从闭卷形式改为开卷形式，降低期末考试中关于单纯记忆复合材料力学概念性知识的考核的比重，并减少基于“编造”的理想情形的计算题数量；同时强化工程化考核内容，在期末考试中增加关于工程实例的非理想情形的计算题，培养学生在工程实际中的工程计算能力。

其次，在工程化考核维度方面，将复合材料力学工程化翻转课堂作为考核重点，侧重对学生复合材料力学工程化应用的考查。对工程化翻转课堂的考查主要从课前准备、课堂展示和课后总结这三方面进行。其中，课前准备主要考查学生对给定主题的科研文献搜索能力，课堂展示主要考查学生的多媒体展示及口头汇报的能力，课后总结主要考查学生最终提交的科研报告文字撰写能力。依据复合材料力学翻转课堂上的小组表现及学生对小组的贡献，对每位同学分别进行打分，作为工程化实践部分的考核内容。

3 基于工程化教学理念的复合材料力学教学改革效果

基于上述复合材料力学工程化教改措施，我们在中南大学土木工程学院工程力学专业2020—2021 学年的教学班，围绕工程化教学理念开展复合材料力学课程翻转课堂教改实践，并与2019—2020 学年未开展教改的教学班对比，验证了工程化教改方案的有效性。

3.1 课堂上学生更加主动，参与度更高

通过基于工程化教学理念的复合材料力学教改方案的实施，教师单一讲授的形式逐步转变为工程化翻转课堂，教师发问逐渐转变为学生积极参与的主动讨论，学生在课堂上的主动性明显加强，参与度更高，自信心与表现欲都得到了培养。例如，针对“复合材料等效刚度”内容，教改前，教师板书公式推导35 min，师生互动5 min，总结5 min，共45 min；教改后，教师阐述复合材料等效刚度计算在工程中的实际应用10 min，讲解推导思路5 min，学生课堂推导15 min，课堂交流理论的工程化应用10 min，总结5 min，共45 min。学生参与课堂时间占比从22.2%增加至66.7%。学生在课后访谈中表示，复合材料力学课程的工程化教学理念使自己更加自信，更愿意参与到课堂活动中。

3.2 工程化教学内容更加实用

在基于工程化教学理念的培养体系下，学生可以更多地了解国家工程实例中复合材料构件的实际应用，从理论拓展到实践，从而对复合材料力学知识及应用具有更加直观的理解。学生在学习知识的同时，更加关注所对应的工程实际问题。例如，针对“复合材料等效刚度”内容，教改后，45 min课堂时间中，增加了10 min 去阐述计算复合材料等效刚度在大飞机设计中的应用以及工程化计算方法，课堂时间占比22.2%。学生在课后访谈中表示，复合材料力学的工程化教学内容更加实用，可以直观了解所学复合材料力学知识具体在我国航空工业中的应用价值，所学内容对未来就业十分有帮助。学生出勤率从82%增加至91%，学生满意度评分从51%增加至70%。

3.3 基于工程化的多维评价体系更加合理

在工程化多维评价体系下，同时对知识掌握以及工程化思维进行考核，可减少学生记忆公式所花的时间，使之将更多的精力放在对复合材料力学知识以及工程实例的思考上，并且最终成绩更能反映平时的努力。教改前，评价体系为：平时成绩20%，期末成绩80%。教改后，基于工程化的多维评价体系具体为：期末成绩60%，课后作业及出勤10%，课堂提问10%，开放性大作业20%，其中，开放性大作业以2 到3 人为小组，按照小组表现及个人分工进行打分。学生在课后访谈中表示，多维评价体系在期末考试及出勤之外，综合考虑了课后作业、课堂提问、开放性大作业的整体表现及个人分工，评价体系更加合理，可以更好地体现自身在复合材料力学课程中的各方面情况。学生平均期末成绩从90.14 分增加至93.10 分。