关于新时代材料力学课程教学的若干思考

摘  要：材料力学是理工科院校高等教育的重要课程之一，对于高校培养质量具有举足轻重的影响。新时代给我国人才培养提出更高的要求，现阶段材料力学课程存在的一系列问题需要引起重视。基于过去十多年教学经历，该文在教学内容、精确教学、项目式课程、多元化考核和课程思政等方面提出一些思考和措施，希望更好地培养学生富有层次感的力学思维和解决工程问题的能力。

关键词：阶梯式力学思维;项目式课程;多元化考核;课程思政;新时代

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2025）03-0014-04

Abstract： Mechanics of Material is a compulsory curriculum for students in universities of science and engineering， and significantly influences the quality of education of these schools. The more rigorous requirement was raised to us about how training students can be suitable for the development of the future challenge in the new era and new situations. Some serious problems existing in the present curriculum teaching of Mechanics of Material should be attracted attention and must be addressed. Based on the past 10 years' experience in teaching of this subject， this paper supplied some suggesting thoughts on subject content， precision instruction， project-based teaching， diversified assessment and values education through curriculum. The main objective is to promote the well training of mechanics thinking and improving the ability to solve the actual engineering problems for college students.

Keywords： step mechanical thinking; project-based courses; diversified assessment; curriculum ideologiy and politics; new era

材料力学是航空航天、机械、土木、材料、能源、交通、水利、化工和环境等工业的理论基础，同时对于生物工程、新材料和环境资源的综合利用起到十分重要的作用。材料力学是一门理论性和应用性兼顾的学科，该课程在高级工程技术人才的培养过程中，具有建立专业技术基础和培养开发创新能力的作用。材料力学作为南京航空航天大学众多学院专业的骨干课程，历史悠久，现在也是力学、航空宇航科学与技术和控制科学与工程等“双一流”专业建设的重要基础，对于建设国际知名的高水平研究型大学具有很大的支撑作用。近几年，材料力学是硕士招生考试考生选择最多的专业课程（超过1 600人），其重要性由此可见一斑。

习近平总书记在党的二十大报告指出，“教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑”“加快建设教育强国、科技强国、人才强国”“培养什么人、怎样培养人、为谁培养人是教育的根本问题”。加强基础学科建设，加快建设中国特色、世界一流的大学和优势学科，培养造就大批适应不同要求的高素质尖端人才。新时代新形势给高等教育培养提出了更高的要求，材料力学课程需要针对当前存在的问题进行必要的改进，以便更好地适应现代化课程建设。

当前材料力学课程教学存在以下不足。①教学内容陈旧：自1985年沿袭至今，达50年之久，这不符合国际科技水平的快速发展，需要与时俱进。②理论与实践脱节严重：“重理论轻实践”，导致学生对于一些基本概念不能准确理解。③缺乏动手操作过程，造成“纸上得来终觉浅”的普遍现象，因此需要“绝知此事要躬行”的训练过程。④教学任务繁重：课程由96学时压缩至64学时，教学内容并没有相应减少。⑤教学目的不明确：单一枯燥的讲授知识对于学生后续学习和研究活动带来障碍。这些问题给材料力学教学实效和培养质量带来很大挑战。

现有材料力学局限于经典力学理论，缺乏新颖性。我们需要从“注入式”转为“启发式”和“探讨式”教学，充分让学生了解现代科学前沿，培养学生的创新意识，更加注重科学思维的培养。新材料、新现象和新方法的不断涌现需要在课程内容中得到必要体现[1]。我们国家现代化建设需要培养应用型和研究型多层次和多级别的人才，需要解决“如何用”和“为什么这样”的问题[2]，需要制定相应的深度、广度和侧重点。引入实践性训练有助于学生加深认识，提高学习积极性，科学地设计实践环节，对提高教学质量有重要意义。突出学生学习的主体性，让学生按照自己的想法和知识，将力学知识的学习扩展到应用力学解决实际问题。

新时代材料力学的教学目标包括：提高学生运用材料力学解决实际工程问题的能力;在有限学时内建立高效的讲授和学习模式，及时修正改善现有教材中的逻辑关系和不足;积极探索更合理多元化的考核评价体系。

一  新逻辑结构

材料力学教材分为上下两册[3]，主要内容为13章，体系庞大，知识点琐碎，公式定理繁多，造成学生很难从全局上把握这门课程的脉络框架。因此我们重新构建逻辑体系如图1所示。材料力学主要研究等直杆和杆系结构的内力、应力和变形，发展关于强度、刚度和稳定性设计的评价理论和方法，建立安全性和经济性两者之间的平衡（图1中四面体结构清晰表明）。

教学目标是对于工程结构开展强度、刚度和稳定性分析。采用两种研究方法：第一种是物理法（几何法），主要针对简单杆系结构，核心思想为变形-内力之间的本质关系，由此列出基本变形的核心公式，这些公式具有统一的表达形式。采用叠加原理推导组合变形，压杆稳定作为轴向拉压向弯曲状态的平衡过渡，可以作为基本变形的一个衍伸，其核心公式中驱动力矩Fw也是与挠度w有关的物理量。基于几何法这一部分构成了材料力学上册内容。另一种研究方法是数学法，即采用功-能转化研究复杂杆系结构，可以把动载荷作为能量法的特例，超静定结构作为能量法的具体应用。基于数学法这一部分构成了材料力学下册内容。应力/应变分析与强度理论是基于单元微体从微观角度上分析复杂应力状态下的点应力、点应变和强度问题，与上面两部分并行。

经过重新整理后，课程逻辑性明显提高;章节衔接清楚;学习目的明确;条理简洁、清晰;层次感显著增强。与传统大纲相比，彻底改善以往知识点分散、琐碎，公式繁杂等严重问题，便于同学们在整体上把握材料力学的脉络，明晰学习思路合理有的放矢，有效提高学习效率。

二  课程精准教学

除经典教材之外还要有配套教材辅助，美国Beer教授和Callister教授分别编著的《Mechanicsof Materials》[4]和《Materials Science and Engineering： An Introduction》[5]对于学生的能力拓展很有帮助。基本概念和原理作为材料力学的构成要素，直接关系到教学效果的好坏程度。学生需要准确理解这些概念原理，建立严密的逻辑关系，形成富有层次感的材料力学思维。因此需要精准理解如下内容。

基于强度/刚度概念，引伸出比强度/比刚度等物理量。

扭转中关于纯剪切（pure shear）与简单剪切（simple shear）的联系和区别，建立扭转与剪切/挤压之间的联系。

关于梁在纵向对称面内和横截面内的弯曲变形完善描述。

关于四种基本变形的内力-变形之间的统一分析。

装配应力需要通过加载-卸载过程来解释外力-变形之间的对应关系（图2）。

变形能的新解释，能量法中的叠加原理说明，虚位移原理的深入理解。

动载荷章节在防撞吸能材料的最新发展。

采用有限元计算明确材料力学各种假设条件的使用范围。

外力功的计算过程以及广义功表达式的具体推导。

位移互等定理在复合材料力学中的应用：νij/Ei=νji/Ej（i，j=1，2，3）（图3）。

在压杆稳定中，关于临界应力总图参数a、b、σs、λ1和λ2之间的协调。

材料力学中存在大量近似，比如弯曲正应力和切应力的应用范围，拉压正应力公式在非等直杆上的应用等。这并不表明材料力学课程不严谨、不科学，恰恰是它的最大特点。因为工程结构往往非常复杂，运用这些近似分析方法往往很有效，符合抓住主要矛盾，解决关键问题的唯物主义思想。但是，对于这些理论公式的应用范围需要精准把握，建议同学们采用有限元开展数值仿真，准确理解其中近似的内在含义和确切界限。

三  项目式课程建设

（一）  课题案例设置

课题题目可以由教师制定和学生提出，要求学生就感兴趣的问题写具有一定学术水平的论文。教师可根据项目报告对学生的科研和思考能力进行评价。研究方式可以分为试验测量、编程模拟和两者结合。借鉴北航蒋持平教授的《材料力学趣话：从身边的事物到科学》专著[6]，适当开拓学生的选题思路，或者借助某个工程实际问题完成一个综合性分析方案。部分参考课题题目如下。

1）基于轴向拉压，设计制备纸吊车结构，开展制备和测试有效承载能力。可以加深关于比强度、比刚度和轻量化设计的理解。

2）采用打印纸设计制备负泊松比结构，开展试验测试。设计以负泊松比材料为代表的新型超材料，分析材料力学性能在不同尺度和环境下的转变。

3）基于压杆稳定理论，采用不同刚度的柔性材料设计试样，测试相应的临界失稳压力，对比总结柔性材料稳定性破坏规律，重点讨论欧拉公式的适用性。

4）基于动载荷理论，提出新型吸能结构和能量耗散机制，开展试验测试和验证工作。

5）采用能量法求解超静定结构，如果超静定次数高，需要编制相应的程序软件实现。

6）建立卡式定理、虚位移原理和功能原理等之间的统一数学模型。

7）结合新材料和柔性电子的变形破坏提炼力学问题，针对生活中的新颖材料微结构开展力学分析。

（二）  项目式课程流程

图4为项目式课程执行流程，首先筹划课题项目，鼓励学生挑战原创性的项目;制定可行性方案，检查方案路线;制定规范格式，整理分析数据，给出结论和不足之处;评价考核，基于科研报告进行评阅，并分析学生反馈信息，提出下一步的改善措施。课程结束后，选择优秀作品参加南京航空航天大学航空学院主办的每年一次的超材料力学大赛，鼓励学生积极参加国家/校级/院级等各种创新竞赛。尽量避免带有过多的功利性去选择问题，致力于有意义的探索式研究，从个人兴趣出发解决根本性问题;项目意义在于课程理解和专业应用，减少选题的盲目和重复性。旨在锻炼学生对于科学探索的严谨态度和一丝不苟的精神。