理论与实践相结合的“材料力学”课程教学改革与创新

徐腾 黄建彬 冉家琪 唐恒 龚峰

摘 要：“材料力學”课程是高等学校工科类专业的一门重要的核心基础课程，其支撑着大学生后续的课程学习，也对大学生知识体系的完善起着特别重要的作用。材料力学课程教学内容量大、公式推导多、理论性强、课程理论与实践脱节较为严重，对学生的抽象性理解力要求较高，因而开展该课程的教学改革以帮助学生加深对课程内容的理解、培养学生理论与实践结合的能力及创新能力是极其必要的。本文针对材料力学课程的教学现状，从教学内容、教学手段与方法和考核方式等环节入手，研究探讨该课程新的教学改革方向及思路。

关键词：材料力学；教学改革；教学内容

Teaching Reform and Innovation

of "Material Mechanics" Course Combining Theory and Practice

Xu Teng Huang Jianbin Ran Jiaqi Tang Heng Gong Feng*

Shenzhen Key Laboratory of High Performance Nontraditional Manufacturing，

College of Mechatronics and Control Engineering，Shenzhen University GuangdongShenzhen 518060

Abstract：The "Mechanics of Materials" course is an important core basic course for engineering majors in colleges and universities.It supports the followup course study of college students and plays a particularly important role in improving the knowledge system of college students.Mechanics of materials course has a large amount of teaching content，strong theoretical formula derivation，serious disconnection between course theory and practice，and higher requirements for students' abstract understanding.Therefore，the teaching reform of this course is carried out to help students deepen their understanding of the course content.It is extremely necessary to cultivate students' ability to combine theory with practice and innovation ability.This paper is mainly aimed at the teaching status of the material mechanics course，starting from the teaching content，teaching methods and methods，and assessment methods，and researches and discusses the direction and thinking of the new course teaching reform.

Keywords：mechanics of materials；teaching reform；teaching content

1 概述

1.1 本课程教改现状

当今社会，高层次工程技术人员都必须具备坚实的力学理论知识基础［1］，材料力学作为力学理论知识体系中的一门重要学科，在本科教育学生培养方案中被列为必修的基础学科。通过这门课程的学习，学生能获取材料力学的基本知识，掌握材料力学相关分析的基本方法，为简单的机器构件的合理性提出符合基本理论和简单计算方法［2］。在众多高校中，材料力学作为承前启后的课程被安排在大一或者大二学年学习，主要目的就是使学生确立基本的工程概念，了解实际的工程问题，发挥关键的启蒙作用。

然而，随着高等教育的改革与发展，高等教育体制和课程的设置及学分学时分配都已经发生了重大的变化，例如学分比重增大、学时被压缩等。如何让学生在短时间内掌握课程，比如复杂的基本概念的讲解，还有各种各样的公式，以及图形的绘制、公式的应用计算等，都需要对课程进行不断的更新完善。在如今的网络时代，材料力学课原有的教学内容、教学方法、教学手段都与如今的时间紧、教学任务重的形势不符，如教学内容与本学科的发展不能随时更新及调整；课程单一的教学方法落后，教学的实践环节薄弱，不能适应课上教学的理论知识；实验的课时分配不足，学生自己动手做实验的机会少等［23］。

1.2 本课程现存问题

材料力学是一门理论性极强、极富抽象性的课程，课程各个部分章节之间的连贯性较差。在教学期间，需综合考虑课程各章节之间内在的逻辑需要、实验实践的需要和课程后续安排等因素，这些都为课程的教学带来一定的困难。再者，学生基础水平参差不齐，教学的内容多且复杂，课时量少，且教学的方法单一枯燥，都直接影响了课程的教学效果。因此，如何在有限的学时内完成繁重复杂的教学任务，并且有效地积极调动学生学习的积极性和主动性，在夯实学生力学理论的基础上培养学生的工程思维和实践创新能力，激发学生的学习动力和专业志趣，建设有深度、有难度、有挑战度的课程，已成为新工科背景下工科院校打造材料力学课程亟待解决的问题［4］。

2 教学内容体系改革

传统教学内容往往基于课本上冷冰冰的文字及课本上死板的教学内容顺序来展开，往往容易给教师的授课带来一定的困难，容易让其拘泥于课程完整的系统性，以至于无法给学生带来足够的兴趣及充分发挥学生的创新力和想象力。

2.1 注重课程知识的连贯性和递进性

在本课程的授课过程中，需要注重课程系统知识的连贯性，采用讲授—实验—讨论相结合的方式进行教学，将知识点从易到难、从浅到深、一步步深入地进行讲解。首先，开展以讲授为主的材料力学概述，让学生大致了解工程实际中材料力学的整体框架，不至于对课程一无所知，同时以讨论为辅，让同学们通过讨论充分开展交流学习；然后，开展轴向的拉伸和压缩、剪切和挤压等知识内容的授课，以教师讲授课程为主、教师带领同学们进行创新性实验实践为辅，让学生对力学基础知识有一个初步的了解，同时还能让学生动手感受材料力学带来的魅力；再者，开展扭转、弯曲内力、弯曲应力、弯曲变形、应力状态分析、强度理论等知识点的教学，一环扣一环，将每一个知识点都以讲授到实验、再到讨论的过程展开教学。同时，结合思维训练、大胆演说以及结构力学数学建模大赛的视频介绍和学习培训等形式，充分激发学生对本课程的学习兴趣，使学生能将理论知识应用到实践中来，再通过思维训练创新进一步开拓学生的专业视野，从而一步步将以教师为中心的教学模式向以学生为中心的教学模式转移，实现学生的自主学习。

2.2 授课与创新性开放实验相结合

目前，学生对力学的了解大多都停留在课本以及教师的授课中，需通过实验实践来培养学生的动手能力和创新能力，材料力学实验在材料力学课程中发挥着重要作用。大多的高校实验室资源不足，常规的实验模式是教师进行实验演示，学生在一旁被动观看。针对这一不足之处，可以在教师讲述基础知识后，由教师带领学生进行相对应知识板块的创新性实验，建立开放式实验教学平台，即学生可以自行选择实验的时间和内容，缓解实验资源紧张的压力，由此来激发学生做实验的兴趣，由被动学习转变为主动学习［5］。

2.3 培养学生力学思维、增加课堂互动

经过课程授课和力学实验之后，学生掌握知识的程度会呈现出一定的差异化。对于理解能力较好的学生，可进一步进行培养；而对于理解能力一般的学生，需对其进行加强训练。此时，在材料力学教学课程体系中加入力学思维建模训练就显得尤为重要。学生在掌握一定的基础知识并参与实验后，会对力学的知识产生浓厚的兴趣，这时进行力学思维建模训练可以起到巩固知识、激发思维、培养创新能力的效果。在思维训练中，教师可以布置一定量的作业，让教师与学生充分进行交流讨论，相互学习，并在加强力学思维能力训练之后让学生进行作业演讲，不仅可以检验学生掌握知识的程度，还可以锻炼学生的思维表达能力。

教学团队通过多年教学积累和广泛的调研，结合时代变化、课程内容积累和学生反馈，最终确定该课程的主要教学内容及各教学环节学时分配如下表所示。

3 教学手段和教学方法改革

当前，本科高校的教学内容逐年增多，各门课程的学时均受到了不同程度的压缩，为了进一步提升学生的学习自主性、创新性及分析解决问题的能力，通过采取丰富的教学方法及手段来提高本课程的教学效果就显得更加重要。

3.1 坚持实践理论相结合、增强学生解决实际问题的能力

初入大学的学生对自己所选择的专业其实并不是特别了解，特别是工程学科类的学生，因此在材料力学教学过程中，不仅需要对课本的内容知识讲解透彻，还需要加强学生解决实际问题的能力。可以在课上多引用工程实际的问题，选择难度适中的工程實际例题进行讲解，提升学生的工程实践能力。同时，还可以在课后组织学生到工程基地参观学习，让学生对工程实际的应用有更深刻的认识，从而增强学生利用材料力学理论解决工程实际问题的能力，使学生能够更早地具备解决工程问题的意识和能力。

3.2 线上与线下混合式教学相结合的模式

在大环境的影响下，线上教学已经成为趋势，也成为不可缺少的一部分。材料力学课程任务繁重，理论知识多，理解难度较大，线上教学无疑是可以解决这一问题的方法之一。线上课程可以通过互联网中国大学MOOC平台进行简单理论的讲解［67］，不仅有助于教师有条不紊地清晰讲授课程，还方便学生课后通过回放来不断温习、巩固知识点，同时也可更好地将工程实践案例通过视频学习的方式展现在学生面前；线下依旧通过教师的授课为主，教师的授课内容则需要侧重于实验和培养学生的力学思维能力为主，而不是简单的理论知识讲解。

3.3 增加分析软件在本课程教学中的比重

在以往的材料力学教学过程中，教师基本上都是采用传统的教学方式，借助多媒体和板书进行课本知识的讲解，并没有很好地利用各类实用的分析软件。在本课程理论教学过程中应适当增加计算机应用辅助分析软件在教学中的比重，如借助Matlab强大的编程能力和可视化设计能力，可有效化简材料力学的复杂运算并高效地显示结构的内力图和变形图，教师可结合工程实例柴油机曲轴，利用Matlab编写软件，分析柴油机曲轴的强度问题和刚度问题以及疲劳问题［8］。

4 考核方式改革

在众多高校中，材料力学考核方式往往是期末考试成绩和平时成绩按配比计算的总和来进行课程考核，严重阻碍学生学习的积极性，不利于学生的发展。

本课程旨在让学生掌握材料力学的基础知识、掌握力学分析的能力、培养力学思维能力，提出从课程目标出发，一定程度地降低材料力学期末考试成绩的比重，适当提高平时成绩的比重，并将平时成绩进行精准细划。本课程建议按平时成绩40%（考勤10%+实验作业15%+平时作业演讲15%）和期末成绩60%（闭卷考试45%+期末大作业演讲15%）的成绩比重来进行考评，结合线上课程，同步增加比重考核。所有的考核并不是目的，学生能掌握知识才是目的，考核不是一成不变的，而应该结合不同的教学情境进行调整。

结语

随着社会的发展，高校水平的不断提高，因各类院校教学任务的不同及其他不确定因素的影响，材料力学作为一门经典的力学课程已经不能完全适应时代的需要，必须对其教学内容体系、教学手段和方法、考核方式进行改革创新。当然，教学改革还需要循序渐进，不能一蹴而就，同时还需要结合各种因素的影响，教师教学需要及时做出调整，寻找合适学生掌握理论知识和实践能力的教学方法。

参考文献：

［1］刘鸿文.材料力学（第6版）［M］.北京：高等教育出版社，2017.

［2］王开宝，孙丽霞，王向东，等.基于能力培养的材料力学教学改革［J］.山西科技，2010，25（05）：124125.

［3］李继生，李远略.材料力学课程教学改革探讨［J］.天中学刊，2011，26（05）：9899.

［4］徐锋，范劍，许晨光.新工科背景下地方高校材料力学金课建设路径与探索［J］.力学与实践，2020，42（02）：226231.

［5］张伟丽，丁兰，陈宗武.材料力学实验开放式教学实践［J］.中国多媒体与网络教学学报（上旬刊），2021（01）：108110.

［6］赵佳宁，张大伟，霍鹏飞.材料力学课程线上线下结合教学改革探索［J］.广东化工，2022，49（02）：161163.

［7］张波，蒋红.新工科背景下基于“互联网+科研”的材料力学课程教学改革［J］.西部素质教育，2021，7（23）：132133.

［8］李锋，周立明，魏媛.基于Matlab的材料力学教学改革探索［J］.科技视界，2021（28）：57.

基金项目：本文系深圳大学教学改革与研究青年教师教改项目JG2021061；深圳大学教学改革与研究创新创业项目JG2021098研究成果

作者简介：徐腾（1988— ），男，汉族，湖北天门人，博士，副研究员，研究方向：板材冲压。

*通讯作者：龚峰（1982— ），男，汉族，湖南常德人，博士，教授，研究方向：材料成形。