工程教育下冶金工程“工程力学”课程创新探索

郭亚雄，权变利，金会心

（贵州大学 材料与冶金学院，贵州 贵阳 550025）

随着高科技产业的不断崛起和改革开放的不断深化，我国的本土商品在全球市场逐渐打开局面，导致我国工程师与国际工程技术人员之间的接触更加密切。然而，不同国家之间的技术人员因教育方式的差异而水平参差不齐。另外，不同的教育方式和背景对学生的出国进修也有不利影响。针对以上问题，1989年欧美等发达国家民间工程协会签署了本科工程教育的国际通行协议——《华盛顿协议》，2013年中国科协也成为该协议的会员。工程教育认证是目前全球互认度最高的学生教育质量保障制度，是我国本科生教学水平和质量与国际接轨的重要桥梁，是促进现阶段我国高校工科专业改革和创新的重要举措［1-3］。早在2018年，贵州大学冶金工程专业在学校等上级领导机构的关怀和指导下，在本科生培养方案修订、课程教学方案制订等方面开展了大量的工作。2020年5月，为推进新时代中国特色社会主义人才培养工作，教育部决定培育建设新工科专业，以面对未来科技对我国经济体系和人才的考验［4］。“工程力学”课程是冶金工程专业的基础课程，对学生的工程、材料等领域的思维能力培养起铺垫作用。笔者基于多年从事金属力学性能的研究及承担冶金专业“工程力学”课程的教学工作，通过分析冶金专业在课程教学中存在的问题，以工程教育为导向，以冶金工程专业知识为指引，对现有“工程力学”课程的教学内容和方法进行了创新性探索。

一、工程教育背景下的冶金工程专业“工程力学”教学方式现状

“工程力学”课程的主要内容是教导学生如何利用经典牛顿力学的普遍定理和规律，将建筑及土木工程、机械工程及材料科学与工程等专业的实际工程问题中遇到的平衡与稳定问题进行受力分析，运用材料力学的授课内容，求解出工程构件的受力情况，进而实现工程构件的经济性、合理性设计。在后续的专业课学习中，许多专业均会在此基础上增设结构力学、材料力学性能等课程，“工程力学”已成为中国高校工科专业必修的专业基础课程之一［5-6］。因此，“工程力学”课程的教学质量直接影响到冶金专业本科生科学分析并解决冶金化工行业实际问题的能力。经过多年来的教学经验和学生问卷分析，笔者发现大部分学生无法深刻理解“工程力学”课程开设的意义及其对今后专业课的影响，致使教学效果不尽如人意，主要归因于以下两点。

（一）学生基础薄弱，目标涣散

学习该课程的学生早在高中阶段就深刻学习过“高中物理”，并掌握了牛顿经典力学及力系平衡等基础性知识。同时，高考压力下的题海战术也使学生加强了对该方面知识的理解；并且在大学一年级的课程中，又学习了“大学物理”（上下两册）课程，学生的力学功底应该有了极大的提升。然而，本校部分学生理科基本功较弱，“高等数学”和“大学物理”两门基础课程挂科率偏高，并且大部分学生认为大学是学习的终点，并无继续深造的目标。再者，学生已经适应了大学多样化的学习和生活方式，面对大学多姿多彩的生活，大部分学生无法全身心地投入理论课的学习中。通常大部分学生每周的学习时间仅为学院强制的两次两个小时的自习时间，并且该时间段内学生还有其他课程需要复习。另外，“工程力学”课程公式定理较多，理论性较强，很多知识点学生在课堂上无法完全领悟，前期静力学基础不牢，导致后期材料力学的内容学习难上加难。而且部分学生心理上总是抱着“六十分万岁，多一分浪费”的学习思想，在心理上和学习态度上完全是为了应付考试而被迫学习的状态。以上这些均导致学生无法深刻领会工程力学解决工程实际问题的重要作用，自然也无法实现学生该方面能力的培养［7］。

（二）教师冶金知识欠缺，工程实践匮乏

在新时代工程教育和新工科高等教育背景下，学生的教学培养需要以工程问题为主要牵引，以增强学生的工程实践能力为核心目标，以教师科研项目为载体向学生逐步渗透相关专业工程知识、拓展学生学识，突出专业特色优势，灵活拓展专业课程模块。因此，任课教师的专业水平、教学能力、知识储备和工程实践经验深刻影响着教学质量。然而，目前冶金专业学生学习的“工程力学”课程为土木学院结构力学专业教师所授。本校冶金专业的学生主修专业课程为“物理化学”“冶金热工基础”和“金属学”，学生对冶金专业相关知识认识不多，对冶金专业的发展趋势和前沿问题也没有任何了解。例如，经笔者调查，大多数冶金专业学习过“工程力学”的学生不清楚钢牌号的含义及其拉伸变形曲线，仅知道低碳钢和铸铁，冶金专业方面知识并未涉及。另外，考核方式上也非常单一，基本上分数以期末考试成绩为主，致使多数学生采取临时抱佛脚的应试式学习方式，知识掌握不全面、不熟练。学生也很难从该课程上获得关于专业知识方面的了解和启蒙。另外，冶金专业所学习的教材大多为机械类和土木类专业教师所编写，讲授的内容和冶金专业知识关系不大，并且课程理论性强容易导致学生自信心被挫伤，无法将该课程内容融会贯通。

二、冶金专业“工程力学”创新式教学改革与优化

（一）优化和修订教学内容与成绩评价体系

课程目标的设定是课程教学的引路标，也是专业人才培养方案总目标的具体化。在以往的课程分配中，“工程力学”4个学分，共计64个学时。教学内容主要由静力学和材料力学两部分组成，其中静力学内容占教学内容的30%，材料力学内容占70%。在课程开始阶段，绪论部分会单独拿出1课时着重讲述工程力学中的问题、与我国近年科学技术发展相关的力学科学家（钱学森、郭永怀、钱伟长等）的事迹、我国特大工程（港珠澳特大桥、贵州高桥博物馆、“蛟龙”号载人潜水器、大兴机场等）及其内部与冶金专业方面有关的知识（绳索的材质成分及其强度、深海潜水器的难点等），将思政元素中的爱国、敬业等价值观有机地融入课程，拓展学生的知识面，实现冶金专业的启蒙，培养专业兴趣，搭建大类必修课和后期专业课的桥梁。在讲授静力学部分时，根据学生的高中物理水平，合理地调节授课的难度，强化公式定理的推导，而非结论的强制性灌输。在介绍工程上的约束类型时，拓展冶金工业中涉及的同类型，例如：高炉上的上料车车轮与钢轨之间的光滑面约束、连铸连轧工序上的滚轴、导辊属于轴承约束等。在讲授重点难点内容静力学平衡问题时，从寻找二（三）力杆、整体和隔离体受力分析及平衡方程的选取和构建三个方面逐个突破，重点关注学生举一反三的能力，利用2～3个课时进行习题讲解和课后作业，让学生充分掌握该方面知识。另外由于冶金工程专业的特殊性，学生在后期专业课学习过程中，只学习到金属学相关知识，对金属和合金的力学行为学习不深入，但很多冶金专业毕业生均从事与该方面相关的工作，因此，还应拓展合金材料的几种力学性能（磨损、高温强度、疲劳等），并通过视频教学和实验教学相结合，让学生了解合金材料力学性能的测试方法。

在课程考核目标优化方面，结合工程教育背景下人才专业能力强、知识面广、综合素质高的目标，将之前“一考定乾坤”的考核方式进行了修改和优化，从根本上改变学生为了考试而学、平时上课不积极、临考突击复习的现状。通过增加课堂提问和奖励性问答环节，将枯燥无味的工程问题与学生欠缺的工程实践能力相结合，拓展学生工程意识，增加学生学习热情。通过添设期中考试环节把控学生学习状态，降低期末考试失利的风险。另外，通过每堂课布置课后作业，将考核指标和比重模块化，实现课程学习全过程把控和评估。

（二）专业前沿牵引学生自主探索

秉承我校最新本科教学政策：鼓励教师把国际前沿学术发展、最新研究成果和实践经验融入课堂教学，注重观念引导、知识传授与技能培养的有机结合，培养德才兼备、全面发展的社会主义建设者和接班人。面向新时代冶金学科前沿，增强学生学术创新水平，以实际工程问题为背景，着重培养学生的专业兴趣和研究性学习意识。本科阶段课本上的内容主要强调基本概念、定理和方法及其应用，注重培养学生领悟和传承理论知识，并不能将力学与冶金工程学科前沿联系在一起。在讲解材料力学中关于杆件轴类件的拉伸和压缩过程中塑性材料的拉伸曲线时，为了增强学生对合金材料的力学性能的理解，笔者从学术论文中下载关于合金材料原位拉伸的视频，拓展讲解合金拉伸过程中表面孔洞、浮凸和断裂前颈缩等缺陷的形成原因，并在此提出晶界、位错等概念，对学生的专业知识进行启蒙。另外额外讲解合金牌号的相关知识，让学生了解日常生活中的各类工具。在讲解应力集中时，笔者会借鉴冶金专业教师关于夹杂物对合金力学性能的研究论文，并通过查阅相关原位拉伸过程中夹杂物周围位错增殖情况的相关视频，让学生深刻领会应力集中的概念及其对力学性能的影响。在讲解材料力学中弯曲变形过程中，拓展讲解陶瓷材料的弯曲变形曲线和万能电子试验机，以及弯曲试样的国家标准。根据三点弯曲曲线，灵活利用弯曲视频和动画，帮助学生理解三点弯曲，教导学生如何在中国知网下载学术论文，引导学生查阅相关学术文献，计算出弯曲强度和弯曲模量。将学生的学习热情从工程力学的知识引导到冶金专业知识的探索中来，拓展冶金专业研究现状和发展趋势，启蒙学生的专业兴趣。在此基础上，引导学生主动与专业教师沟通，申报校级大学生创新创业计划，主动进入实验室。学生根据教师设定的实验目标，阅读相关学术文献，结合本专业实验中心的条件，学生自行设计方案、选择合适的仪器、熟悉仪器操作流程，获得相关实验结果，并进行分析处理。逐渐培养学生科学研究问题的方法和素养，体验研究性学习和科研的艰苦与乐趣，激发学生的创造欲望和对未知领域的探索精神，同时增强学生对工程力学的理解，实现多元化学习和考核。

（三）建立课程考核总结和学生反馈机制

为了直接且客观地知晓课程学习过程中各章、各知识点学生的学习情况及存在的问题，我们进行了课程考核总结和学生反馈。课程反馈是教学环节中至关重要的一个环节，也是教学管理中的核心内容之一［8-9］，核心功效是引导教学内容和方法的革新，以保证教学质量的合理性和先进性。

由于本课程学生人数近百人，往往坐在前排成绩较好的学生可以很好地领悟教师的授课内容，而坐在后排的学生往往容易分神，对许多知识点似懂非懂。在随堂反馈中，前排学生的反馈往往掩盖后排学生的真实情况，造成知识传授的不全面。因此，在讲解随堂练习时，笔者都会在教室进行巡课，重点关注坐在后排学生的学习情况，关心上课分神的同学，通过言语上的鼓励，将他们拉回到课堂，增强师生间的知识互动和情感交流。另外在每部分知识点结束后，笔者都会布置相关作业，并让学生在作业后，写出对本部分内容的疑惑点，通过统计学生反馈情况，着重讲解多数学生不懂的知识点和难点，并利用课堂随机提问和点名的方式，抽查学生对难点问题的掌握情况，帮助学生找回学习的方向，也帮助教师获得反馈信息，把控教学内容和学生的理论水平是否契合，努力实现每个教学知识点步步为营、稳扎稳打。为了更好地实现过程化教学考核，设立期中考试环节，摸底学生的学习情况，给学生敲响警钟，督促学生对前期知识的复习。并且根据考试情况，分析学生对知识点的掌握情况。对于测评较差的学生，在后期学习中重点关注，给予更多关心，端正其学习态度。同时，这也帮助教师对教学方法进行总结，不断改进自身的教学方式和方法。在期末考试试题上充分体现各部分重要知识点，兼顾新工科背景下专业发展要求，突出冶金学科的专业特点，为学生今后的专业课程学习打下思想启蒙基础。另外，在课程学习结束之后，在遵循以学生为中心的基本原则基础上进行全员性的问卷调查，问卷主要包含学生对教师的教学态度和方法满意度评价、学生对教材的评价、学生对班级学习态度的评价及学生对教师教学改革的评价等。以调查结果为依据，建立教师自我发展的评价机制，不断增强教师教学方法，逐步实现“考—教”相互监督、相互促进的良好协作机制，不断提高教师的教学能力和水平，实现工程教育背景下的冶金专业学生培养要求。

结语

“工程力学”课程建设是新时代新工科建设中不可忽略的重要一环。从思想上让学生将以前所学习的理论知识实现工程思维的转变和升级，对今后的专业课程学习起到重要的启蒙作用。针对工程教育背景下的冶金工程专业“工程力学”课程改革，不仅引导学生自主学习，培养学生解决工程实际问题的能力，还鼓励学生进行学术研究探索，为今后的专业学习打下坚实的基础。通过课程效果反馈，让教师时刻以“四有”好老师的标准严格要求自己，不断反思进步，认真对待每一节课、每个知识点、每一位学生，培养出新时代合格的追梦人。