基于工程问题驱动的“材料力学”教学改革实践与探索

［摘 要］ 新工科教育的目的是培养具有创新创业能力和高素质的交叉复合型工程技术型卓越人才，以适应未来产业的发展变化，更加注重的是教改实际成效。在此背景下，培养学生运用力学思想解决复杂工程问题的能力变得越来越重要。在“材料力学”的教学过程中，基于工程问题驱动的教学理念和设计模式，从实验教学、课堂讲授、学科竞赛、研究训练计划项目和本科毕业设计论文等几个层面，论证了相关的教学示范案例，培养了学生对力学课程的学习兴趣和自主学习能力，培养了学生的建模能力和力学思维，有效提高了力学课程的教学效果。

［关键词］ 工程问题；材料力学；能力培养；力学思维

［基金项目］ 2021年度北京石油化工学院教学改革和研究项目“基于工程问题驱动模式的《材料力学》课程教学改革实践与探索”（ZDFSGG202102006）

［作者简介］ 汪道兵（1985—），男，安徽桐城人，博士，北京石油化工学院机械工程学院讲师，主要从事新能源科学研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）10-0097-04 ［收稿日期］ 2022-05-16

引言

近几年，新工科工程教育理念已在全国理工科院校如火如荼展开，新工科教育的目的是培养具有创新创业能力和高素质的交叉复合型工程技术型卓越人才，以适应未来产业的发展变化，更加注重的是教改实际成效［1］。随着大数据、人工智能和云计算等技术的快速发展，IT技术已渗透到各行各业中，不断出现工程的新业态，从而给未来技术和产业发展带来了新机遇与新挑战［2］。在这一背景下，让学生运用工程力学思维去解决各行各业复杂工程问题的能力显得越来越重要。“材料力学”是研究物体变形规律的一门科学，研究结构构件和机械零件承载能力，是机械工程类专业主干技术基础课，对提高学生工程概念有重要作用。然而，目前“材料力学”课程教学以满堂灌输式教学为主，学生处于被动接受知识的状态。加之“材料力学”涉及内容繁多，力学原理和力学概念比较抽象，理论公式推导过程十分复杂，为保证讲授过程理论知识的完整性，易使教师陷入照本宣科式教学的误区。加上课程多媒体PPT翻页速度较快，学生对一些关键知识理解程度不足，因此使学生对本门课程缺乏学习兴趣与动力，学习效果往往不够理想。如此课程授课方式，导致学生力学知识掌握不牢，脑中建立的知识体系单一，从而偏离了以学生为中心的教学理念与培养目标。

问题驱动式教学法将抛弃传统的以传授知识为主、示例讲解为辅的教学方式，注重以发现问题、解决问题、思维培养为主的多维协同教学模式［3］。问题驱动教学法可显著提高学生对力学课程学习的能动性和积极性，大幅提高学生授课过程中的参与度，激发学习热情与求知欲，培养与活跃学生的力学工程思维。基于问题驱动的探究式“五步式教学法”以“导（导入）—学（自学）—讲（精讲点拨）—练（课堂课下训练）—总（思维导图总结）”为主要教学环节，旨在使教师上课思路清晰，教法得当，学生学习指向明确，知识记忆有载体，课下巩固有针对性，课后复习有条理。充分体现“以学生为中心”的现代教育思想，从而打造高效学习课程。本论文主要研究通过基于工程问题为驱动教学模式下的“材料力学”课程范式教学改革，实现具有较强工程实践能力和创新思维能力的高素质应用型人才的培养目标。在当前新工科大背景下，教改的重点是全面提升学生的自主学习能力、工程实践能力与创新思维能力，从而全面提升学生的综合素质，以实现培养跨学科、跨专业的复合型交叉人才的目标［4］。

一、基础力学实验，加强工程意识

在正式讲授拉伸、剪切、扭转等力学理论知识前，开展基础力学实验教学，首先以工程案例为切入点，引出实验教学相关内容，而非直接讲述力学实验内容，这样可让学生知道力学知识来源于工程实践，使得学生快速建立起力学理论与工程问题间的对应关系，增强学生的学习兴趣。实验教学环节分成实验原理讲解、实验操作、数据处理与分析、实验报告撰写和实验成绩评定几个部分。

北京石油化工学院机械工程基础实验中心建有工程力学基础实验室、材料力学性能测试实验室，包括万能拉伸实验机、压缩实验机、扭转仪等多台相关力学设备。除此之外，还有高温高压岩石力学三轴试验机、厚壁筒岩石膨胀致裂设备等力学相关的科研实验设备。实验教学采用分组模式进行，每组一般5～6名学生，有利于每名学生与老师互动，提高实验授课效果。课前要求预习并完成预习报告。课中进行活动包括：（1）引入与实验内容相关的工程力学问题，基于工程问题驱动学生进行思考，激发学习兴趣和了解相关学习情境，学生主动提出相关的问题；（2）对于设备操作及实验原理、实验步骤进行讲解；（3）学生分组实验，完成原始数据的测量，实验数据的记录。课后学生撰写实验报告，对实验数据进行分析和比较。为巩固学生对力学实验中相关概念和知识的理解，还设置了相关的思考题，加强巩固学生的工程意识。对于学有余力的学生，鼓励参与“岩石压缩变形与破坏”“干热岩水力压裂”等相关实验，进一步拓展学生的工程意识和力学思维能力。

在实验成绩评定方面：（1）实验实施前。指导教师根据学生预习报告完成情况和质疑，了解学生是否达到实验实施要求，学生达到要求后，教师在报告上签字，可以给定预习成绩，学生方可进行实验；没有达到预习要求的学生本次不能进行实验；学生有两次预习实验机会，如第二次仍然没有达到预习要求，本实验需要重修，预习占总成绩的20%。（2）实验操作。教师根据学生实验操作过程、数据采集情况、实验结果记录等评定学生成绩，并在原始数据上签字，可以给定实验操作成绩。实验操作占总成绩的20%。（3）实验结果分析与实验报告撰写。教师根据学生实验数据（结果）的分析情况、报告撰写情况，评定学生成绩。实验结果分析与实验报告撰写占总成绩的60%。

二、课堂工程案例引导，培养力学思维与建模能力

以石油工程中水力压裂问题为案例，创设力学问题的工程实践情境，从而有效引导学生以真实的任务进入学习情境，使学习过程更加形象化，体会过程更加深刻。水力压裂过程包括岩石的拉伸、压缩、剪切等变形与破坏过程，还涉及力学强度准则与材料失效问题，是一个较好的展示“材料力学”所有相关力学理论与知识的综合性案例，完全来源于石油工程现场实践。

在创建的工程问题情境下，选择将拉压变形与破坏形态这一主题作为工程问题驱动的学习中心内容，提出“水力压裂是流体驱使裂纹尖端向前扩展的过程，属于拉伸破坏还是剪切破坏？”这一问题，引导学生带着工程问题去解决相关的水力压裂力学问题。该力学问题的解决可使学生更积极主动地学习，有效激活学生的原有知识体系和学习经验，促使学生理解、分析并解决当前问题能力的提升，将解决问题过程变为搭建新旧知识衔接的理想平台。通过解决工程力学问题来建构相关的知识体系，这正是探索性自主学习的重要特征。

学生通过自主学习、协作配合等学习方式来解决力学问题，培养力学思维与建模能力。以学生为中心，教师向学生提供解决该问题的有关线索，主要通过压裂相关文献查阅、水力压裂物模实验和有限元软件ABAQUS数值模拟等几个方面，提供相关软件操作视频等信息资料，强调发展学生的自主学习能力。学生在实验或者力学建模过程中，思考如何将水力压裂问题转换为力学模型或者相似实验条件。同时，倡导学生之间充分讨论和交流意见，通过对不同观点的交锋、修正、补充和完善，加深每个学生对当前问题解决方案的认识和深刻理解。并要求学生以大作业形式，分组汇报，作业中明确每个学生在此过程中的贡献。

最后，对最终学习效果的评价包括两部分内容，一是评价学生是否完成当前问题的解决方案的过程和结果，即评价所学知识的意义；二是评价学生自主能力学习与协同配合的学习能力。

三、鼓励学生参加学科竞赛和URT项目，培养创新能力

北京石油化工学院设有北京市节能节水低碳减排大赛、全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛、全国周培源大学生力学竞赛和大学生研究训练计划项目（URT）等，通过让学生参加这些学科竞赛和URT项目，教师通过设置相关的力学问题，可培养学生在力学知识方面的应用与创新能力。

1.在学科竞赛方面，以干热岩新型能源为研究对象，干热岩储层内蕴含非常丰富的地热能资源，是21世纪最有前景的新型能源之一。目前提取干热岩热能的主要技术是水力压裂。传统的水力压裂以水为工作介质，存在消耗大量水资源的问题，且其所用的压裂液及返排液含有大量化学成分，极易造成水资源污染等难题。教师针对液氮压裂这一工程力学问题，引导学生思考背后的力学问题，教师提供相关的文献和参考书，带领学生开展相关实验与数值模拟分析，学生在此过程中锻炼了创新思维能力，提高了力学知识应用能力，极大激发了他们对“材料力学”这门课的学习兴趣，能够学有所用，用有所获。通过这项比赛，带领学生荣获北京市节能节水低碳减排大赛三等奖3次。

2.在URT项目方面，同样以部地热增强型地热系统为研究对象，让学生进行国内外文献调研，发现通过水力压裂改造形成人工热储裂隙系统是经济开采深层热能的有效方法。然而，由于干热岩埋藏较深，岩石塑性特征增强，使人工裂缝复杂性程度降低，易导致注水井和生产井之间形成短路，产生“热突破”现象，即换热面积和换热时间缩小，从而导致生产井井口温度过低而丧失利用价值。因此，如何增强缝网复杂程度是提高干热岩采热效率的关键问题之一。针对此地热高效取热这一工程问题，教师向学生提出，应该通过什么样的压裂技术可以克服上述瓶颈问题，最后借鉴传统油气暂堵转向压裂技术，应用于干热岩高效造缝，提高采热效率。但是与油气不同的是，干热岩需要考虑温度对裂缝暂堵转向的影响，由此指出了里面的力学问题，驱动学生就高温作用下岩石成缝能力、暂堵转向压裂裂缝扩展规律和裂缝参数优化设计等几个力学问题开展研究学习。针对每个学生的研究兴趣和特长，通过高温高压岩石力学实验、水力压裂大物模实验、有限元模拟和Meyer压裂软件优化计算参数等，拓宽了学生视野，与课堂所学知识互补。

四、指导学生本科毕业设计论文，培养综合应用力学能力和力学思维

教师以水力压裂中的工程力学问题为驱动，在正式选题前向学生讲解相关的压裂技术与流程，然后向学生提出该压裂技术里面的核心与关键所在，据此设计相关的毕业设计题目，学生可快速了解毕设内容的工程意义，有较强信心与兴趣开展相关的文献查阅工作，从而开展数值模拟与实验研究，3年以来共指导了十几名学生本科毕业设计论文，选取水力压裂过程中暂堵剂颗粒—颗粒间力学作用、不同起裂位置的裂缝扩展、水力裂缝中流动传热和薄互层穿层压裂等几个不同主题，使学生综合应用材料力学、岩石力学、流体力学和流固耦合算法等知识，综合应用力学能力和力学思维，培养了学生毕业后利用力学理论解决相关工程问题方面的能力，能更好地适应相关工作岗位。

以低渗透油气藏薄互层油气藏穿层压裂为主题，由于薄互层油藏渗透率较低，通过水力压裂形成人工裂缝以建立高渗透通道是提高薄互层油藏渗透率的关键技术。然而，由于薄互层油藏构造复杂，砂泥岩交替出现，很难将缝高控制在储层，导致压裂效果不理想。利用有限元分析软件ABAQUS，通过cohesive单元内聚力破坏模型，对水力压裂缝高扩展规律开展了数值模拟研究，分别建立了对称和非对称条件下的三层和五层薄互层压裂有限元模型，分析了岩石弹性模量、地应力差、注液排量和抗拉强度等因素对薄互层油藏水力压裂过程中缝高扩展的影响。通过对比对称与非对称压裂模型，分析以上因素对不同模型缝高扩展规律差异。此论文获得北京石油化工学院校级优秀毕业论文，该名学生进入石油石化相关部门工作，为以后从事相关问题研究工作奠定了良好基础。学生说通过完成此次毕业论文，第一次全面地研究、分析了一个课题，在整个模拟分析过程中，学会了如何独立地思考。可见，通过工程问题的驱动，对力学思维的培养起了很好的促进作用。