肖俊华 徐耀玲
［摘 要］文章总结了复合材料力学课程的定位和特点，指出了目前该课程教学中存在学生对课程内容难把握、学习兴趣不高等问题。基于此，文章通过制定适合学生的教学目标，从教学内容优化、教学方法设计、双语教学探索、课外知识训练、课程思政探索、课程考评方式等方面进行了教学创新思考和探索。教改实施方案符合学生的学习特点，有助于提高学生的学习兴趣和主动性，培养学生基于复合材料力学的思维能力，塑造学生积极向上的三观立场、创新精神和责任意识。
［关键词］复合材料力学；
教学改革；
思维能力；
责任意识
［中图分类号］ G642.1 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）04-0063-03
一、课程描述
（一）课程定位
复合材料是由两种或多种不同性质的材料通过物理和化学方法在宏观尺度上组成的具有新性能的材料[1]。复合材料力学主要研究复合材料的宏细观力学行为，是固体力学的一个重要分支，也是一个新兴的交叉学科研究方向。复合材料力学课程随着工程复合材料的发展和广泛应用而兴起。作为一门专业技术课，复合材料力学课程已形成独立的课程体系并蓬勃发展，该课程以材料力学、弹性力学和板壳力学等课程为先行学习基础，成为力学类专业学生培养体系中的重要专业技术课程[2]。
笔者所在的教学团队按照“夯实基础知识、训练思维能力、提升国际视野、培养责任意识”的人才培养原则，着眼于课程特点并结合学生特点以及教学中存在的问题，开展复合材料力学课程建设和教学方法研究，从教学内容优化、教学方法设计、双语教学探索、课外知识训练、课程思政探索、课程考评方式等方面进行教学创新思考和探索，以期提高学生对课程的学习兴趣和主动性，达到培养学生思维能力和责任意识的教学效果。
（二）课程特点
复合材料力学课程一般是力学专业本科四年级和硕士一年级的专业技术课，具有基础概念多、公式烦琐、逻辑性强、直观性弱等特点。课程以理论讲授为主，使得不少学生对该课程内容难以理解透彻，甚至部分学生对该课程丧失兴趣，从而缺乏学习课程的动力。实际上，力学专业的学生毕业后无论是继续升学深造还是从事技术和科研工作，所面临的复杂工程问题都离不开对复合材料力学内容的深刻理解和熟练掌握。随着复合材料的日益发展和广泛应用，在各领域中复合材料力学的研究范围也逐渐扩大，力学学科所面临的复杂工程问题，也都需要掌握复合材料力学的核心基础知识以及思维方式的人才予以解决。
（三）课程目标
高年级本科生和研究生普遍数学理论基础较好，逻辑能力较强，且普遍受过金工实习、生产实习和课程设计等实践教学训练，工程问题理解能力较强。一名合格的力学毕业生，应该具备扎实的数学理论和系统的力学专业知识，掌握力学学科的科学研究方法及基本的现代实验力学方法和计算力学方法。因此，复合材料力学课程要求学生同时在工程、数学和力学三个方面都具有良好的素养。
基于课程特点和学生特点，依据应用型力学专业课的教学思想，设定下列课程教学目标：一是掌握复合材料的基本概念、性质和工程应用，熟悉复合材料的结构特点、力学性能及需要解决的问题，充分理解复合材料力学性能的方向性，掌握各向异性线弹性力学理论。二是掌握典型层合复合材料的力学原理、基本公式、刚度/强度分析方法和计算方法，具备对常规复合材料及结构进行力学分析的能力。三是了解工程中复合材料力学问题的发展方向，具备基于复合材料力学的思维能力。
二、课程教改实施过程
（一）教学内容优化
参考书选择沈观林、胡更开和刘彬编写的《复合材料力学》（第2版，清华大学出版社），从中选取适合学生的核心课程内容并整理成教学讲义。以便在有限的学时内完成教学内容、达到教学效果，让学生掌握课程的基础理论和核心知识点。
1.优化教学内容。制定新的教学大纲和教学日历，遵循有利于训练高年级本科生和研究生科学研究方法和培养学术素养的原则，选择体现课程最基础、最核心的复合材料力学概念、建模和求解技巧。重点讲授与复合材料力学相关的概念、各向异性弹性力学基础、基本公式和基本求解方法，以单层复合材料和层合板的宏观力学分析为主，同时介绍复合材料的湿热效应和残余应力以及细观力学理论。通过系统教学，学生深刻理解复合材料力学的基本理论，系统掌握有关复合材料单层板和层合板的本构关系、刚度和强度、湿热效应和残余应力的基础理论和研究方法，基本具备分析和解决工程中復合材料力学问题的能力。
2.工程实例融入理论教学。工程实例的引入能使学生深刻理解复合材料力学知识的具体应用，如在讲解复合材料力学相关概念和定理时，引入风力发电机中复合材料叶片应力分析的数值模拟结果、纤维增强复合材料高延性混凝土结构的大变形实验结果、残余应力对于部件寿命疲劳损伤与断裂的影响等工程实例。
3.科研成果融入课堂教学。在严格执行教学大纲的基础上，向学生传播前沿的科研学术成果，如向学生介绍近几年关于层合板强度的最新文献，在学习通教学平台上传国内外最新的关于各类复合材料刚度和强度问题的综述性论文，向学生介绍课程理论的延伸——复合材料细观力学的基本理论和基本模型等[3]。
4.思政元素融入教学。从复合材料力学的专业内容和思维方法出发，探索思政教育融入教学过程的思路与方法。开展课程思政教学，既丰富了教学内容，又使学生在潜移默化中获得启示，有助于培养学生的创新精神和责任意识。
（二）教学方法设计
复合材料力学课程内容较为抽象，因此，在着重讲授基本知识及其工程应用的基础上，还应从解释生活和生产中的力学现象来加深对课程内容的理解，培养学生基于复合材料力学课程体系的科学逻辑思维。
1.讲授内容有详略主次。同常规材料的力学理论相比，复合材料力学涉及的范围更广，研究的课题更多。常规材料存在的力学问题，如在外力作用下结构的强度、刚度、稳定性和振动等，在复合材料力学中依然存在，同时复合材料力学还有许多常规材料中不存在的力学问题，如层间应力、边界效应以及纤维脱胶、纤维断裂、基体开裂等，研究内容非常广泛。鉴于学时有限，讲授内容应详略结合，重基本概念、公式、原理及其应用，轻公式演绎过程，并在课下布置题目让学生练习以加深理解。
2.采用启发式教学方法。通过引导和激励、课堂互动、讲评结合的手段，培养和提高学生的认知能力和创新性思维[4]。如，讲每个知识点之前引出工程背景，讲完知识点之后介绍其具体应用，从知识点出发引申到思维方法，从而启发学生，促进学生创新思维的提高和复合材料力学思维的建立。
3.利用信息化教学优化教学手段。授课采用PPT课件授课，并在学习通平台上传各类教學资料，包括课件、考核方式、教学大纲和日历、报告指导书和模板、力学名人传记以及课程相关研究前沿等，方便学生课下复习和自主学习。此外，还可向学生推荐课程的国内知名微信公众号，有利于学生实现从课程学习到课题研究的过渡。
（三）双语授课探索
当前，高等教育与国际接轨的理念已成为我国教育未来发展的重要方向之一；
各级院校须面对新形势下的教育环境，积极开展适应专业课的双语和全英语教学，培养理工科国际人才[5]。在“双一流”建设背景下，推行双语教学课程有利于从理念、资源配置等角度入手，提升本科生应用英语学习与掌握专业知识的能力，提高其国际视野，推动高校“双一流”建设，加快我国高校的国际化进程[6]。本教学团队对课程进行了双语授课探索，考虑到学生掌握英语的程度以及课程内容的难度，将课件提前发给学生，有利于学生课堂学习和课后及时复习，授课采用“课件中、英文共同展示、课堂中文讲授”的教学模式，并且在结课时用全英文试卷进行考试。同时在课程学习通平台为学生提供关于复合材料力学前沿学术研究的英语文献。
双语教学增强了学生对复合材料力学领域英语词汇的掌握和对科技论文表述的理解能力，激发了学生对课程的学习兴趣，提高了学生检索阅读复合材料力学领域英文文献以及写作英语学术论文的专业能力。
（四）课外知识训练
课外知识训练包括课外题目练习和课程结课报告。课下给学生布置相关的典型复合材料力学题目，让学生课外完成并作为课程考核依据之一。由于课程公式较多，鼓励学生利用Matlab或Mathematica软件进行辅助求解。让学生对课程的知识点做到从“能听懂”到“能应用”，同时激励学生至少掌握一种数学计算工具。课程报告是课程学习的一个重要组成部分，在这一过程中学生在掌握复合材料力学基本理论的基础上，通过自主学习和查阅资料，能够把握和理解复合材料力学的综合理论方法在实际工程中的应用，提高利用力学理论解决和解释工程实际问题的能力，更好地培养学生的专业技术能力和综合素质。通过撰写课程报告，学生进一步掌握复合材料力学的基本概念、重要公式、分析方法和解题思路，培养学生从复合材料力学角度对实际问题进行建模、分析、讨论和总结的能力。
（五）课程思政探索
教育的根本任务是立德树人，需要把教书和育人相结合[7]。目前专业课与思政元素相融合在专业课教学中形成思政教育思维，使专业课教学与思政教学同向而行，已成为大学教育的一个重要方向[8]。当代大学生不但要有广博精深的专业知识，更需要有较高的政治素质、强烈的社会责任感和务实的工作作风[9]。
1.结合课程概念开展课程思政。复合材料是一种宏观非均匀材料，它由两种或多种物理化学性能不同的材料构成而具有新性能的材料，这种“材-材联合”的微结构可设计性特点，使得人们能够巧妙地合成新型材料以实现不同材料之间的取长补短和功能互补。这种思维给予我们两点启示：一方面，对于学生个人，要争做“复合型”人才，一专多能，这样才能提高自身综合能力；
另一方面，对于团队和企业，要争做“人-人联合”，相互包容，这样才能实现合作共赢。基于此，授课中应引导学生既要不断提升个人技能，又要提高团队合作的能力。
2.结合课程应用开展课程思政。复合材料具有高比强度、高比刚度等优点，广泛应用于航空航天等领域。课程中介绍我国航天领域的成就，从东方红一号（1970年）到东方红五号（2020年），从嫦娥一号（2007年）到嫦娥五号（2020年），从神舟一号（1999年）到神舟十三号（2021年），几代航天人不懈奋斗使我国挺进世界航天大国之列。重点介绍我国著名力学家——哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所杜善义院士及其团队，他们瞄准国家国防重大需求，长期致力于力学和复合材料研究工作，用力学新理论、新方法解决新材料研制和应用中的问题。同时还可介绍我国目前航空领域复合材料的应用情况，做到正视发展和认识不足。号召同学们现在努力学习、将来爱岗敬业，积极从事祖国需要的行业，把家国情怀融入不懈的奋斗中。
3.结合课程内容开展课程思政。复合材料各种强度理论在实践中不断得到检验与验证，持续推进力学专业基础理论的发展。通过讲授正交各向异性单层板的二向强度理论的发展以及优缺点，强调实践是检验强度理论的标准，培养学生具有探求真理的使命感和严谨求实的科学创新精神，有助于学生提高辩证思维能力，坚持用发展的观点、联系的观点、矛盾的观点从事科学研究。计算细观力学主要研究复合材料组分间力的相互作用和定量描述细观结构与宏观性能间的关系。通过讲授代表性体积单元结构设计，引出计算机辅助设计复合材料胞元、3D打印复合材料/结构、机器学习分析复合材料性能等当前热门技术，激发学生的创新精神。向学生介绍目前我国的“卡脖子”技术领域从而认识到目前我国制造业大而不强，问题根本在于基础研究薄弱，缺乏核心和关键共性技术。号召学生具有创新意识，把美国“卡脖子”清单变成科研清单，增强学生勇于担当的责任意识。
4.结合学校历史开展课程思政。燕山大学建校至今已有一百多年，受“工业救国”和“教育兴国”的使命感召，两次搬迁、三次创业，发展之路非常坎坷。一代代燕大（东重）人上下求索、不懈奋进，涵育形成了自身独特的精神品格：不畏艰难、自强不息的奋斗基因，严谨专注、精益求精的工匠精神，敢于创新、善于创造的卓越品质，心系祖国、服务社会的家国情怀[10]。号召学生铭记校史校训，鼓励学生认真制定学习目标以及未来职业目标，并为实现这些目标做出行之有效的规划和行动。
将思政元素融入复合材料力学教学中，既能丰富教学内容，又能使学生在潜移默化中获得启示，有助于学生三观立场、创新精神和责任意识的培养。
（六）课程考评方式
课程考核采用期末笔试和平时考核（课外练习和课程报告）相结合的方式。课外练习有作业提示，课程报告有指导书。多样的考评方式减轻了学生的学习压力，可以让学生把精力重点放在掌握复合材料力学的思维方法方面。期末笔试的命题符合教学大纲基本要求，主要侧重考核学生对复合材料力学基本概念、基本定理和基本公式的理解和掌握。试卷覆盖了课程所要求的主要内容。课外题目练习由学生课下完成，侧重训练学生对复合材料层合板刚度公式的理解及其计算能力。课程报告要求学生深刻理解复合材料力学理论体系在实际工程中的应用，以及复合材料力学在后续学习和工作中的作用。
三、结语
基于复合材料力学课程的定位、特点和目标，教学团队制定了适合学生的课程改革实施方案，开展了课程建设和教学方法研究工作。教改的实施调动了学生的学习积极性，提高了学生的学习效果，基本达到了培养学生思维能力和责任意识的教学效果。
［ 参 考 文 献 ］
[1] 沈觀林，胡更开，刘彬.复合材料力学（第2版）[M].北京：清华大学出版社，2013.
[2] 教育部高等学校教学指导委员会.普通高等学校本科专业类教学质量国家标准[M].北京：高等教育出版社，2018.
[3] 肖俊华，徐耀玲.基于表面弹性理论的复合材料反平面问题细观力学[M].北京：机械工业出版社，2019.
[4] 李文峰，邱军，杨正龙.“复合材料力学与结构”课程启发式教学探索[J].中国建设教育，2015（3）：23-28.
[5] 古海云，任蕾.理工科专业课英语教学问题调查分析[J].教育教学论坛，2019（32）：209-211.
[6] 李文梅，姜杰，陈一祥，袁媛.“双一流”建设背景下高校理科专业课双语教学改革探索[J].改革与开放，2019（3）：97-100.
[7] 吕晓寅，吕敬，郭易圆，等.专业基础课程之课程育人的探索与实践[J].力学与实践，2020，42（3）：359-362.
[8] 任鹏，宋向荣.新形势下课程思政协同育人的基础力学课程实践研究[J].中国教育技术装备，2020（2）：90-91.
[9] 孟卓.基础力学课程思政教育的实践与探索[J].教育教学论坛，2020（13）：8-10.
[10] 赵险峰.弘扬燕大人精神品格、开启新百年奋斗征程[N].人民论坛网，2020-05-18.
［责任编辑：雷 艳］
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