“工程材料力学性能”课程教学改革探索

摘要：“工程材料力学性能”是材料科学与工程专业本科生的学科基础课程。积极推进该课程的教学改革，提高教学水平，对培养学生有效掌握本门课程知识，使其成为具有动手能力、协作意识、创新意识和工程素养的社会实用人才有重要意义。依托学科专业特色，从结合专业特点和需求优化教学内容、革新教学模式提升教学效率和效果、充分发挥实验教学作用培养学生综合素养、调整考核评定模式改善教学实效等方面对“工程材料力学性能”课程进行了教学改革探索。

关键词：工程材料力学性能；实验教学；建构主义

作者简介：孙小华（1976-），男，湖北汉川人，三峡大学机械与材料学院，副教授；余海洲（1978-），男，湖北荆门人，三峡大学机械与材料学院，讲师。（湖北 宜昌 443002）

基金项目：本文系三峡大学教学研究项目（项目编号：J2012051）的研究成果。

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）10-0086-02

工程材料的力学性能是材料在不同环境（温度、介质、湿度）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征，是材料科学与工程四大基本要素——材料性能的重要组成部分，是各类材料在实际应用中都必须涉及的共性问题，[1]因此“工程材料力学性能”课程成为材料类专业的学位课程。一方面该课程中一些基本概念和定理是由材料科学基础、工程力学等课程内容衍生而来，另一方面该课程中的一些基本概念和定理是失效分析等课程的前导课，也可直接用来解决工程实际问题，成为联系学生基础课和专业课的桥梁，起着承上启下的作用。所以结合“工程材料力学性能”课程的自身特点及人才培养目标与要求，优化教学内容、革新教学方式和手段、充分发挥实验教学培养学生综合素养作用、调整考核评定模式改善教学实效，对促进学生学好专业知识、提高大学生的全面素质、培养学生灵活运用知识、分析、解决工程问题的能力和创新能力都十分重要。为此，笔者结合数年对材料力学性能课程的教学实践，对本课程的教改进行了初步探索。

一、结合专业特点和需求优化教学内容

1.优化基础内容，注意前后课程衔接

为让学生在上课之初对本课程有一个基本的认识和兴趣，增加了课程绪论的内容。该部分主要介绍材料力学性能的定义、研究内容和方法、材料的力学性能课程的前导和后期课程及其关系、材料的力学性能在材料科学与工程中的地位和作用、所用教材的结构和内容、学习本课程要注意的事项、考核模式、实验安排、学习要求等。这样学生对材料的力学性能有一个整体的了解，更加清楚“工程材料力学性能”课程的脉络，明确学习目的，顺利地完成整个学习过程。课程的主体内容分为三个部分：第一部分（1～4章）讲述材料在一次加载条件下的形变和断裂过程，所测定的力学性能指标用于评价零件在服役过程中抗过载失效的能力或安全性；第二部分（第5～8章）论述疲劳、蠕变、磨损和环境效应四种常见的与时间相关的失效形式，材料对这四种形式失效的抗力将决定零件的寿命；第三部分（第9～11章）介绍陶瓷材料、高分子材料和复合材料的力学性能，[2]该部分中的一些重要概念、定律从“工程力学”、“材料科学基础”衍生而来，有些内容也为“失效分析”等课程奠定基础。所以讲解这些内容的时候要注意前后课程的衔接和内容侧重及任务划分。

2.结合专业特色与需求，强/弱化相关内容

“工程材料力学性能”课程主要面向金属材料工程和材料成型及控制工程两个专业授课。三峡大学这两个专业在电建、电厂金属、水工结构等方面具有明显的电力行业特色，结合行业工作需求，该课程在金属材料静荷载下的力学性能、金属的应力腐蚀和氢脆断裂、金属高温力学性能等章节的内容予以了强化，列举了一些行业相关工程实例。另外，因课程内容繁多、课时有限，教师将这两个专业涉及相对较少的陶瓷、高分子等材料力学性能予以了弱化，留出学生自学的空间。

3.注重理论联系实际，教学与科研相结合

在课程讲授中始终坚持理论联系实际的原则。例如在讲授材料理论断裂强度和实际断裂强度存在约3个数量级的差异时，一方面利用双原子模型推导出理论断裂强度，另一方面指出实验测试的断裂强度与之巨大的差距，由此指出这一现象是催生位错理论的原动力。当人们认识到材料中存在缺陷之后，利用断裂力学中的格雷菲斯理论可以较好地算出材料的实际断裂强度。在讲到材料的低温脆性时，列举二战中苏-德战争由于严寒使得坦克履带断裂等低温因素对战争的巨大影响，更真实地让学生了解材料低温性能的变化情况；在讲磨损的影响因素时，与人穿鞋的磨损过程类比，使学生贴近自身更好地理解磨损的影响因素和危害；在讲裂纹的河流花样时与长江的形态（源头、支流、主流、流向、宽度等）相类比，让学生形象、牢固、准确地掌握了裂纹的源头和走向。这种方式把理论与实际、实践联系起来，促进了学生对知识的理解、消化和应用。

“工程材料力学性能”是工程材料的四要素之一，是工程材料研究开发不可缺少的一部分。本课程中讲到的很多概念、现象和定律经常在科研中用到。例如研究生将不同角度的接头通过有机物连接起来，研究最佳的连接方式和破坏形式。如果学生能较好地掌握了微孔聚集断裂的微观断口特征（等轴韧窝，拉长韧窝，撕裂韧窝），结合连接断口的显微形貌与受力状况能很好地揭示接头的破坏形式和内在机理。将教学与科研相结合，在教学中引入科研经验与成果，将教学的基础性和科研的前沿性、时代性结合起来引导学生学以致用。

二、革新教学模式，提升教学效率和效果

1.采用构建主义教学方法

“工程材料力学性能”课程知识点繁多，很多与前导课程“工程力学”、“材料科学基础”相联系，较难理解。为改善本课程的教学效果，采用了构建主义教学方法。建构主义认为“学习不应该被看成是对于教师授予知识的被动接受，而是学习者以自身已有的知识和经验为基础主动的建构活动”。[3]它主张学习是学习者主动建构自己知识经验的过程，是通过新经验与原有知识经验的相互作用而不断充实、丰富和改造自己已有知识经验的过程。[4]为营造建构知识的学习环境，上课时一般先回顾上次的课程内容，从熟悉的内容导入。对于一些与前导课程有关的知识点往往结合前导课程内容展开，使学生借助已有的知识和经验，主动探索，积极交流，从而建立新的认知结构，丰富学生对本课程的知识。此外，在教学中教师与学生建立平等的师生关系，充分尊重学生的人格和自主意识，相信每个学生的智慧潜能和创造能力，倡导“基于问题”的学习模式，[5]根据教学内容在课堂教学中间穿插一些提问，激发学生思维的积极性，培养学生的问题意识，并引导、培养学生从不同的角度去思考、判断和解决问题，从而在问题的解决中学会学习、学会创新。

2.采用多媒体辅助教学

“工程材料力学性能”课程内容多、知识点零散、图表较多，书中许多抽象的内容很难通过语言的表述来讲清楚。[6]教师在教学过程中运用多媒体教学手段，将图片、文字、动画、声音和影像等多种媒体运用到课堂教学中，这样可以增强表现力，使内容更加形象、生动，使得材料力学的一些抽象概念易于理解，丰富了学生的感性认识，有利于激发学生的学习兴趣，丰富和活跃教学过程，充分调动了学生的学习积极性，提高了教学质量和效率。

3.加强网络教学，增加沟通改进渠道

计算机网络给工作和生活带来巨大便利。在本课程的教学中也将相应多媒体课件、部分习题、教案等内容放到学校建设的教学网页上，一方面可以让学生在空余时间浏览课件和相关资料，便于复习和总结，另一方面也可通过该教学网页和老师互动、探讨课程问题，也可提出一些改进的意见，便于教师改进、提升满足学生需求的教学效果。

三、充分发挥实验教学作用培养学生综合素养

材料的力学性能是建立在实验基础上，在特定实验环境、条件、测试步骤下获得的，因此实验是本课程重要的组成部分。如何通过实验环节提升学生的动手能力，加大对课程内容的认识深度，培养学生协作意识、工程素养是本课程实验部分仔细考虑的问题。在实验内容的开设上兼顾了基础实验与综合训练，同时注重与工程材料力学性能相关的理化检验工程师岗位能力培训相结合，[7]既保证学生能掌握特定的力学特征曲线（如应力应变曲线）或性能指标（如硬度、耐磨性、冲击韧性等）的测试方法、步骤和标准，加强对学生的基本专业技能，如文献检索、实验设备及相关工具的应用、实验数据处理及误差分析、报告总结等的训练，[8]又通过小组综合实验加强工程师岗位能力培养，让小组成员分工协作、设计、实施实验、分析数据、总结实验结果，[9]达到以实验为载体，培养学生动手能力、团队协作意识、沟通交流能力、工程素养的目的。

四、调整考核评定模式改善教学实效

课程的考核评定模式和最终成绩是调动学生学习积极性、培养学生综合素质的重要途径，也是反映老师教学实效的一面镜子。结合往届课程教学经验调整考核模式、命题形式、内容和成绩评定方法，努力做到从终结性课程考核模式向形成性评价方式转变，将理论考试与实践考核相结合、期中考试与平时评价相结合，实现过程控制，形成综合考核评定的方法。最终成绩由期末考试成绩、平时成绩和实验成绩三部分组成，各占70%、20%、10%。其中期末考试出题形式由填空、判断、选择、名词解释、力学性能指标说明、综合题构成，其内容覆盖每个章节，做到考核全面，力争反映出本课程对学生的基本学习要求：了解力学性能参数的物理意义，掌握基本概念；了解力学性能的测试原理，掌握测试技术，进一步理解所测的力学性能指标的物理意义与实用意义；掌握力学性能的宏观规律，并能用微观机理解释宏观力学性能的变化规律（以掌握宏观力学性能规律为主）；实验成绩单独考核、自成体系，由每次实验的分成绩组成。如果实验成绩不合格，课程总成绩就不合格（突出实验的重要性）；如果合格，其10%的分值成为总成绩的组成部分。平时成绩包括到课率、课堂表现、作业和课后小论文等。这种综合性考核评定模式减缓了学生对期末考试的压力，使学生能把更多精力投入到创造性学习和锻炼知识的综合运用中去，[10]也培养了学生信息资料收集、数据分析和科技论文撰写的能力。此外，成绩出来后，教师通过对卷面成绩、实验成绩和平时成绩予以分析，得出在哪些方面还存在不足，提出改进途径，以利改善后续教学实效。

五、结语

“工程材料力学性能”课程的教学必须依托学科专业特色，围绕教学内容、教学模式和手段、实验教学、考核与评定等展开全面多层次的教学改革，并在教学实践中不断地研究、完善、推陈出新，摸索出一条能充分调动学生主观能动性、培养出具有动手能力、协作意识、创新意识和高工程素养的社会实用人才新途径，使学生能有效地掌握本门课程知识并能在工程和科研中灵活运用。同时，该课程的教学改革也促进了教师教学水平的提高，完善了教师综合素养。

参考文献：

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[9]陈少军，陈仕国，陈大柱.高分子材料力学性能测试综合实验教学改革初探[J].实验室研究与探索，2011，30（8）：353-355.

[10]罗剑平，董明会，薛纭，等.材料力学课程教学方法改革探讨[J].白城师范学院学报，2012，26（3）：110-112.

（责任编辑：宋秀丽）