新材料前沿发展背景下材料力学课程教学改革探索

摘  要：当今材料科学处于一个日新月异的高速发展阶段。新工艺、新现象和新机制的不断涌现对于材料力学的传统理论框架和分析方法造成很大的挑战。因此，材料力学课程教学迫切需要契合新材料前沿发展趋势，做出及时合理的应对措施。针对当前课程教学存在的深层次问题，我们需要在课程内容、考核模式和教学方法等多个方面进行深入探讨和革新。旨在适应前沿科学发展要求，真正培养学生的层次感思维、创新性精神和实践性能力。同时也激励力学工作者保持积极开放的心态思考问题，避免僵化的培养模式。

关键词：新材料发展；多元化考核；课程教学改革；实践性能力；阶梯式思维

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2025）07-0019-04

Abstract： The present material science is in a new stage of highly developing speed and changing rapidly. An amount of advanced processing， novel phenomenon and new mechanisms strongly challenges the traditional theories and designing methods in Mechanics of Materials， and therefore some necessary procedures should be advanced to be suitable for the development of the future challenge in the new material era and new situation. Some serious problems existing in the present curriculum teaching of Mechanics of Materials should be attracted attention and must be addressed. This paper supplied some suggesting thoughts on subject content， testing modes， teaching style and diversified assessment 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： new materials; diversified assessment system; teaching reform; practical ability; hierarchy thinking

人类社会的发展与材料使用密切相关，可谓是“一种材料一个时代”。当前社会处于一个新材料日新月异急剧变化的时期，标志着人类对于自然的探索改造进入更高水平、更宽领域和更深层次的阶段。新材料的发展趋势要求轻质、节能、环保和可持续等特征要素，旨在促进人类生活水平的提升。作为材料基本性能之一，力学行为在很大程度上影响着它们的应用前景。这些新工艺、新现象和新机制不断突破传统经典力学的理论界限和认知水平。

材料力学是弹性体力学的重要基础分支之一，是学习杆及杆系结构设计的重要技术基础课。同时是大学生较早（大学二年级）接触到的力学课程，与实际工程联系密切。该课程既培养学生的理论思维能力，又训练学生的工程分析能力。材料力学课程不仅为后续储备必要的力学分析基础，其理论框架、计算手段和分析方法可直接应用于日常工程的结构设计。该力学课程在提高学生基本素质、开发创新思维、培养创新能力及分析能力等方面拥有其他课程不可替代的效应。当前新材料前沿的快速发展给材料力学理论和方法提出了新的挑战和要求，迫切需要我们在课程教学中做出及时有效的应对措施。

一  现有问题与改革意义

（一）  存在问题

①教材更新滞后，课程内容设置陈旧，习题多年未更新，学生对于作业的积极性不高，抄袭严重，根本无法起到促进学习的积极作用，久而久之觉得材料力学课程无用的错误认识[1]。②课程衔接不合理，不同课程存在内容重复，课程之间联系不够紧密等弊端，不利于学生对知识的综合利用与融会贯通。③学时少与内容多的矛盾突出，培养计划总学时不变，各种新理论/新技术/新方法随着前沿科学技术的发展不断出现，因此让学生了解前沿学科动态，拓宽视野，是大学教育的基本要务，这就造成教学时间的不断减少与课程内容逐渐增多的矛盾。④过分注重理论讲解，所用教材过分看重对理论的理解，由于学生对大量的数学公式存在畏难心态，同时学生对该课程目的理解不足，错误认为材料力学课程应用范围狭窄，导致学习兴趣不高。⑤思维方式不协调，当前大学教学中所面临的教育对象为“00后”的新一代学生，他们成长于多媒体互联网蓬勃发展的时代，更擅长于形象思维，而不喜欢僵硬死板的理论推导。⑥考核命题不科学，期末考试、研究生入学考试存在单一知识点的命题模式，无法考察各个知识点的综合运用和分析能力，实际结构中往往是若干变形、受力的交叉综合作用，因此需要加大相应的能力考核。⑦教学模式单一化，高等教育从精英教育向大众教育转化，教育质量成为一个突出问题，必须寻求更为积极有效的教学方式，给学生多元化、全方位的学习指导。⑧国际化衔接不够，高等教育应走向世界已是一个不争的事实，我国教育体系和国外院校的差别，构成国内学生留学或进修进修教育交流的障碍。⑨实践性能力不足，科学前沿着重各个知识点的综合运用，着重在于动手能力的培养。现有试验多为验证性试验，综合性、创新性、设计性实验较少，实验室尚不能对学生完全开放。

（二）  改革意义

高层次人才的培养是一项复杂的系统工程，科学的培养模式是高质量成才的关键。深化教育教学改革，必须推进人才培养模式、课程体系、教学内容和教学方法的改革。适应新材料前沿发展趋势的材料力学教学体系可以满足未来科学技术对工程人才的需求。创建自主选择式考核评价模式并进行实践，教学内容在广度和深度上有较大的拓宽和加深，工程概念得到明显增强，构建基础力学教学新体系。研究方案可以推广到其他课程建设和教学方案，根据教学需要，灵活设置教学内容，始终领先于或密切迎合企业的紧急需求。同时，基于本课程教学改革的教学成果有更大范围的普及应用。

二  课程改革措施

课程教学改革应该遵循“不应该老围着别人有什么，而应该想别人没有什么”这一思想展开，有效和多方位地开展材料力学课程的教学工作。本文将从如下7个方面进行探讨合理的改进措施和设计方案，整体框架如图1所示。

图1  课程教学改革整体方案

（一）  课程内容

教学内容新颖化：教学内容应及时反映新材料和结构工程领域的最新技术和成果，深入浅出地介绍当前学术前沿发展趋势。教师将本学科相关的材料前沿动态告诉学生，提出当前存在的不足，提出自己的思路或可供选择的方案，并进行细化设计。这样既提高了学生学习的兴趣，同时也培养了他们独立思考的能力以及主动创新的精神。同时在整个教学过程中，通过安排专家报告、专题讲座或阅读最新前沿专业书籍等方式，加强学生对学科课程最新发展的了解，拓宽知识面，具有本学科科学技术的前瞻性。

在正常教学过程中，除选定经典教材之外还要有配套教材供学生课外辅助，美国Beer教授和Callister教授分别编著的Mechanics of Materials[2]和Materials Science and Engineering： An Introduction[3]对于学生的能力拓展很有帮助。学生需要准确理解材料力学的基本概念（强度、应力、应变和应变能）、基本原理和分析方法，建立各个知识点之间的逻辑关系，最终形成富有层次感的材料力学框架和逻辑思维。适时补充材料力学发展史与力学文化的教育，以便窥探材料力学这一近代科学中最伟大科学成就的形成和发展概貌。推荐“材料力学之父”铁摩辛柯编著的《材料力学史》[4]有助于学生更清晰地了解这门课的来龙去脉。

教学内容实际化：在教学中融合实际工程案例，如南京长江大桥、各种吊桥结构、每两年一届的全国周培源力学竞赛等，使学生明确理解力学课程的学习重点和未来方向，增强学习兴趣和积极性。以经典材料力学理论为基础，重点掌握杆系结构的设计思路和新材料的开发，联系实际工程，培养分析解决问题的能力。授课过程中针对实际工程问题和新材料前沿科技，让学生充分发挥自己的能力，分析问题，解决问题。由简到繁，由易到难，循序渐进地设计典型项目和学习任务。任课教师采取问卷调查和随机访谈的形式对学生实际诉求开展深入调研和科学分析，着重了解学生的已有预备知识、学习困惑和前途需求。在组织设计课程内容时，结合听课学生的专业要求，实际工程问题和用人企业需求，设计制作更加符合新材料科学前沿发展的教学环境。

教学内容综合化：在讲授基本知识的基础上强调综合能力与科学素质的培养，培养学生自我汲取知识、分析和解决实际问题的能力，重点加强综合性力学问题的教学分析和训练周期。在理工科学习过程中充分体现学科交叉和融合，提高包括人文、社会、管理科学在内的综合素养和全面素质。至今为止，国际互联网上有大量的教育资源。很多欧美大学将授课内容、讲义以及完整的课程资料置于互联网上。我们完全可以参照他们的教学材料，予以综合整理，改革课程。发展符合国际潮流的教学参考资料和教学内容方法。哔哩哔哩网站上有英文授课（美国塞勒学院Kenneth Manning教授的全套授课录像），借鉴教学内容和讲授方式，取长补短。吸收国际流行的教学理念，在部分力学课程教学工作中采用美国大学现行的教材，使所培养的学生具有国际通行的知识结构和理解方法。适当更新课程教学内容，也是教学改革的一个重要方面。

（二）  讲授方式

材料力学课程中包含大量重要概念，需要简明深刻地阐明这些概念产生的历史背景及应用的总体思想。在课程学习中可以评注形式理解这些重要的定理、概念和计算公式，并给出进一步的简单总结。通过教师和学生切身评价，探讨和总结现代化教学手段所带来的收益和影响，以及传统教学手段中不宜替代，具有优异效果的教学模式。教学思路的跳跃容易导致学生思路的混乱，所以在讲授过程中需要由浅入深、循序渐进，注意各个知识点之间的逻辑性、互通性和条理性。所以教师需要采用最为简洁和直接的方式讲述一些重要理论和计算公式的推导过程。

教师需要采用了解学生的群体爱好，通过增强师生交流环节调动课堂气氛，鼓励学生主动思索，积极提出问题、分析问题，充分激发学生潜能。有序组织学有余力的学生以科技兴趣小组形式参加教师团队的科研工作，提高学生对于新材料开发的认识，培养学习兴趣，突破科学研究的神秘感，促进理论与实践相结合，提高主动参与意愿与独立开展科研工作的个人能力。以科研成果促进教学，教学与科研活动互动互助。

基于计算机互联网的仿真模拟技术是科学试验与理论研究之外认识自然规律的第三类研究方法。虚拟仿真课程是指利用计算机程序和实物共同塑造出实体情景，让学生在虚拟环境下进行浸入式的探索学习。该类栩栩如生的教学场景生动形象，非常接近真实的工程场景，有助于提高学生兴趣，加深他们对于一些深奥理论的理解学习。

（三）  实践训练

诺贝尔奖得主杨振宁先生曾经说过：21世纪应该是应用物理科学更为活跃的时代。因此需要告知学生更加注重力学理论在实际工程中的具体应用。为避免材料力学课程过分枯燥乏味的理论讲解，可以引入一些有趣的相关材料力学试验。基于《优雅的物理》[5]，我们可以设计如下简单试验：生物界的标度律（橡皮泥制作等比例的大小圆柱，对比压缩性能）；如何提高一张纸的抗弯强度（折叠成手风琴形状）；自行车车轮辐条（张拉结构）；精美的项链（悬链线引申到吊桥设计和奥林匹亚体育场入口的拱建筑）；两本书叠放的强度（摩擦力的强大）；一根意大利面弯曲折断问题；装配应力问题（纸条在水中的自然弯曲折叠现象）；捕蝇草叶面的特殊几何结构（双稳态力学）；厚塑料袋的撕裂断面表征（分形现象）；鸡蛋壳的拱形几何结构（抗压能力分析）；压杆稳定的应用（非互易材料制备，先进柔性电子结构的制备与能量收集器）。通过向学生演示这些简单力学试验，希望起到抛砖引玉的效果。