卓越工程师培养计划下的材料力学课程教学改革实践

　　摘要：学生工程实践能力和创新意识是卓越工程师培养计划的核心目标。在材料力学课程教学现状的基础上，探讨强化工程认知、分层次实验教学和课程论文三方面的教学改革实践，对卓越工程师的培养具有重要的意义。该教学改革实践在学生拓宽知识领域、巩固理论知识，以及培养学生实践能力和创新意识等方面都具有重要的作用和价值。
　　关键词：材料力学课程；卓越工程师计划；教学改革实践；实践能力；创新意识
　　2010年6月，教育部启动卓越工程师培养计划试点。卓越工程师培养计划是贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》和《国家中长期人才发展规划纲要（2010-2020年）》的重大改革项目，通过以实际工程为背景，以工程技术为主线，着力培养学生的工程意识、工程素质和工程实践能力。卓越工程师培养计划的目的是培养一批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量的各类型工程技术人才。面向卓越工程师培养计划与目标的教学，不仅要培养学生熟练掌握专业基础理论知识的能力，而且要将培养学生实践能力和创新意识置于核心地位。
　　在材料力学的课程教学中，关于如何培养大学生实践能力和创新意识的教学模式已经有了很多研究。而在卓越工程师培养计划下，如何让学生在掌握好材料力学理论知识的基础上，得到实践能力和创新意识的培养呢？笔者在材料力学教学现状的基础上，对材料力学课程的强化工程实践认知、分层次实验教学和课程论文三种教学方式进行改革探索，以期培养大学生的实践能力和创新意识。
　　一、教学现状
　　针对卓越工程师培养计划对课程的要求，现阶段材料力学课程在授课过程中主要面临以下三个问题：
　　（一）材料力学课程的知识体系与工程实际结合不够紧密
　　材料力学作为工科专业的经典基础课程，课程整体内容体系、理论框架已经相对成熟，而且课程中用于推导计算的力学模型一般为理想化、满足假定条件的抽象简化模型。在学生学习的过程中，这种抽象的力学模型与实际脱节的情况将导致学生无法对材料力学课程的实际应用做出直观的判断，从而直接导致学习兴趣的缺乏。
　　（二）与后续专业课的学科交叉不能融为一体
　　随着教学改革的不断深化和调整，社会的发展也需要学生知识面不断拓宽，需要学科不断地交叉融合。而在有限的学时内，教师往往仅能讲授本门课程的理论知识，没有形成各门课程紧密衔接而又各自独立的教学体系。材料力学课程作为工科专业的基础课程，对专业课起着重要的支撑作用。如果材料力学的课程内容与后续专业课的内容交叉而又不能融为一体，将导致学生无法正确运用所学的材料力学知识去解决专业课程中的问题。
　　（三）授课方式灵活性不够及课程缺乏实践环节
　　课堂灌输式教学在现有的材料力学课程授课中仍然普遍存在，教师与学生之间缺乏交互式的讨论沟通。教师讲，学生听，学生长期处于被动地接受理论知识的状态，导致学生学习兴趣逐渐下降，学习效果也越来越差。而且在材料力学的课程中，教师往往重理论而轻实践，常规的拉伸、压缩、扭转、弯曲等实验也仅仅是理论验证性实验，直接工程实践应用性不强，这不利于对学生的实践能力和创新意识的培养。
　　二、培养学生实践能力与创新意识的三种教学改革实践
　　（一）强化学生工程认知
　　材料力学课程的一个重要特征就是：教材中给出的大都是简化了的抽象力学模型。学生在学习过程中，并不了解这些简化的力学模型是如何从实际工程问题中转化而来的。在学生后续的工程实习、生产实习以及毕业设计过程中，接触到工程问题时就容易感到茫然，与基础力学理论知识难以建立联系，缺少从实践向理论、从理论向实践转化的工程认知环节。
　　学生工程实践认知能力的培养是一个渐进的过程，需要不断地引导、激发，使他们逐渐认识到力学课程学习是解决实际工程问题的理论基础。目前，国内诸多高校已经将工程问题的认知广泛引入到材料力学的课程学习中。直观的工程认知不仅能够提高学生的学习兴趣，引导学生对理论的深层次的理解和掌握，而且通过对学生的工程与科研意识的启蒙，可以挖掘其潜在的创新能力。
　　笔者在卓越工程师过程装备专业材料力学的教学过程中，对学生进行化工过程装备及其力学问题介绍，使学生对本专业工程领域与材料力学的关系有一个初步的了解和感性认识，激发其将理论知识与工程课题结合起来学习的兴趣。另外，在课程教学过程中，进行一到两个学时的化工过程装备领域专题学术报告，通过对某工程课题（包括工程背景、科学问题、研究所涉及的理论基础与过程）进行系统的介绍，达到良好的工程认知和科研启蒙作用。例如：在给卓越工程师过程装备专业学生讲解《压杆稳定》章节时，结合学校科研团队进行的“地震作用下大型球罐结构的桩腿失稳问题研究”课题中的工程背景、科学问题及研究理论进行了较为全面的介绍。这不仅加深了学生对压杆稳定理论的理解，而且将理论知识与重大工程问题紧密联系，使学生学有所用，对材料力学理论知识学习产生浓厚兴趣，又培养了学生的社会责任感，这也是创新人才培养所具备的一个重要品质。
　　实践表明，材料力学教学中的工程认知强化将理论知识与工程实践相结合的培养模式，对形成完整的实践教学、素质教育和创新教育方面都有很大的促进作用。同时，这种培养模式也对学生的专业知识、创新能力和科学素质的协调培养起到了重要的促进作用。
　　（二）分层次开展实验教学
　　目前，在大多数高校中，常规的力学实验在卓越工程师培养计划中为必做实验，包括拉伸、压缩、扭转、纯弯曲和冲击实验等。这些实验内容和方法有较为成熟的实验大纲指导，以理论验证性实验为主，其目的是提高学生的动手能力，加深学生对基础知识的理解，但缺乏一定的探索性，不利于对学生创新意识的培养。为此，学生可以在必做实验的基础上，开展更高层次的独立设计力学实验，将材料力学理论和实际工程实例有机结合，进行独立的选题、实验设计、测试及分析讨论，以培养独立的探索、研究及创新能力。
　　笔者在卓越工程师过程装备专业的材料力学的教学中，利用力学开放实验室，依据其专业背景和实验室科研情况，鼓励、支持学生独立完成力学实验设计，并进行探索性的科学研究工作，使学生尽早具有工程意识和学以致用的思维。学生也提出了一些新颖的实验构思，设计了初步的实验方案。例如：针对化工装备中输油管道的振动疲劳问题，学生提出了不同的振动测量方法以及解决振动疲劳问题的措施。实践表明，分层次实验教学将工程实践背景与力学理论有机结合，在加深学生对理论知识理解和掌握的同时，对培养学生发现问题、解决问题、实践创新能力等方面都起着很大的帮助作用。
　　（三）布置课程论文
　　在各专业的课程设置中，课程论文作为一种理论联系实践的教学环节得到了较为广泛的认可。然而，大多数高校的材料力学课程中往往缺乏课程论文教学环节。课程论文起着材料力学课程与工程实际联系起来的桥梁作用。课程论文可由教师启发，让学生自主选题，通过详细的力学问题分析、实验设计或建模分析、数据及结论讨论等环节，最后以科技论文的模式来完成，从而使学生的工程实践认知、创新能力及科研素质等得到提高。
　　在卓越工程师过程装备专业材料力学的教学中，笔者结合每一阶段所学的理论知识，以小组或个人的形式，引导学生自行搜索相关的实际工程问题材料并获取相关信息。然后根据自己的分析，建立力学模型，再进行实验测试或计算机辅助计算，最后以科技论文的形式进行书面整理并在课堂上汇报和讨论。从学生完成情况来看，一些课程论文具有内容新颖和创新性特征，起到了学生对所学理论知识分析、思考并应用于实际工程问题的作用，提高了学生自主探索学习与实践的应用能力。
　　三、结语
　　基于卓越工程师的大学生培养机制和目标，在材料力学课程教学改革实践过程中，通过强化工程认知、分层次实验教学和课程论文训练等三种不同的教学模式，学生由被动的继承性学习转向主动的创造性学习，在深入理解掌握理论基础的同时，提高了学生的实践能力和创新意识。当然，以上三方面的教学实践并不是互相孤立的，只有它们与课程教学有机地融为一体，才能更好地有导向性地激发学生进行探索性自主学习。

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