材料力學(xué)全英文教學(xué)的實踐與體會

1、材料力學(xué)全英文教學(xué)的實踐與體會摘要隨著高等教育國際化的發(fā)展，來華留學(xué)生的總體規(guī)模不斷擴(kuò)大，留學(xué)生教育正逐漸成為我國高等教育的重要組成 部分。材料力學(xué)是機(jī)械工程、航空與宇航工程專業(yè)基礎(chǔ)力學(xué)的必修課。北京理工大學(xué)對留學(xué)生的材料力學(xué)課程以全英文教學(xué)形 式開設(shè)。筆者以北京理工大學(xué)已開展6年的材料力學(xué)全英文教學(xué)實踐為例，就教學(xué)大綱、教材選用、教學(xué)內(nèi)容和目的、實驗安排及 考核方式等方面進(jìn)行探討，通過與中文材料力學(xué)教學(xué)模式的對比，提出優(yōu)化和改進(jìn)方案。關(guān)鍵詞材料力學(xué)；全英文教學(xué);教學(xué)改革為達(dá)到國家對高等教育“卓越化、國際化、研究型” 的要求1，北京理工大學(xué)致力于培養(yǎng)具有國際視野和國 際競爭與合作能力，在全球政

2、治經(jīng)濟(jì)、文化教育和科學(xué) 技術(shù)領(lǐng)域具有卓越領(lǐng)導(dǎo)力的高層次國際化人才。全英 文教學(xué)模式已成為國際化人才培養(yǎng)的重要途徑之一性 我校努力推進(jìn)英文教學(xué)，已經(jīng)初步構(gòu)建了全英文教學(xué)體 系A(chǔ)3。經(jīng)過6年的努力，北京理工大學(xué)來華留學(xué)事業(yè)取 得了很大進(jìn)步，外國留學(xué)生規(guī)模已經(jīng)從數(shù)百名迅速增長 到2400余名。材料力學(xué)是機(jī)械工程、航空與宇航工程專業(yè)的基礎(chǔ) 力學(xué)的必修課，我校對留學(xué)生的材料力學(xué)以全英文教學(xué) 形式開設(shè)。本文以北京理工大學(xué)已開展6年的材料力學(xué) 全英文教學(xué)實踐為例，就教學(xué)大綱、教材選用、教學(xué)內(nèi)容 和目的、實驗安排及考核方式等方面進(jìn)行探討，并通過 對比中文材料力學(xué)教學(xué)模式，提出優(yōu)化和改進(jìn)方案。一、全英文材料力學(xué)

3、教學(xué)模式材料力學(xué)是工科高等學(xué)校機(jī)械類專業(yè)的一門主干 技術(shù)基礎(chǔ)課，是聯(lián)系專業(yè)課和基礎(chǔ)課的橋梁。材料力學(xué) 與生產(chǎn)及工程實際有著非常密切的關(guān)系。材料力學(xué)課 程開設(shè)的主要目的是培養(yǎng)學(xué)生掌握材料力學(xué)的基本理 論、計算技術(shù)與實驗技能，能夠解決工程領(lǐng)域中與強(qiáng)度 和變形相關(guān)的基本問題。全英文材料力學(xué)課程是大學(xué) 二年級上學(xué)期針對機(jī)械工程和航空與宇航工程專業(yè)的 國際留學(xué)生開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)必修課。面對來自于不同 國家的國際留學(xué)生，課程采用全英文小班授課模式，課 堂人數(shù)不多于32人。本課程課堂教學(xué)課時48學(xué)時，實 驗課時8學(xué)時，合計3.5學(xué)分。教學(xué)采用全英文模式，包 括全英文教案、板書、課后作業(yè)、實驗報告和考核。近6

4、年來，機(jī)械和航空與宇航工程專業(yè)共計42人次必修并通 過了全英文材料力學(xué)課程考核。（一）全英文材料力學(xué)的教學(xué)大綱、內(nèi)容和目標(biāo)參照歐美高校機(jī)械工程和航空航天等工程專業(yè)本 科的教學(xué)計劃，全英文材料力學(xué)課程的教學(xué)大綱要求學(xué) 生理解材料力學(xué)與先修課理論力學(xué)，后續(xù)課彈性力學(xué)、 結(jié)構(gòu)力學(xué)的區(qū)別和聯(lián)系；掌握變形體的基本平衡方程、 相容方程和物理方程以及邊界條件;要求學(xué)生掌握桿件 的強(qiáng)度、剛度及軸心受壓桿件的穩(wěn)定性的計算。要求學(xué) 生能運(yùn)用強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性條件對桿件進(jìn)行校核、截 面設(shè)計及載荷確定等簡單分析計算工作;初步了解材料 的機(jī)械性能及材料力學(xué)實驗的基本知識和操作技能。全英文材料力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容包括：內(nèi)力、內(nèi)

5、力圖繪 制、應(yīng)力、應(yīng)變的基本概念，變形體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，掌握 拉、壓桿件，受扭桿件，受彎桿件，受橫向剪力桿件的應(yīng) 力和變形分布特點以及受壓桿件的穩(wěn)定性條件。教學(xué) 目的：使留學(xué)生掌握基本桿件的應(yīng)力和變形分析方法、 強(qiáng)度校核基本理論和方法以及提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的 設(shè)計理論，能夠熟練掌握典型靜不定桿件力法求解的基 本思想和求解過程。通過全英文材料力學(xué)課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生具體達(dá) 到如下目標(biāo)：1.能夠掌握材料力學(xué)的基本概念、基本理 論和基本桿件分析方法。2.通過實驗掌握材料力學(xué)的 基本實驗方法（包括材料力學(xué)性能測定，用電測法測定 應(yīng)變和應(yīng)力）。3.能夠熟練掌握材料力學(xué)中的全英文專 業(yè)術(shù)語，熟練閱讀涉及固

6、體力學(xué)的英文文獻(xiàn)，并能夠采 用英文對材料力學(xué)中的基本知識點進(jìn)行歸納、總結(jié)，并 較深刻理解材料力學(xué)與其他力學(xué)課程的關(guān)系。4.能夠 與機(jī)械工程、航空航天以及力學(xué)專業(yè)領(lǐng)域的同行及社會 公眾進(jìn)行交流，并具備一定的國際視野，能夠理解跨文 化背景下的工程設(shè)計，包含文化習(xí)慣和工程標(biāo)準(zhǔn)及語 言,并進(jìn)行溝通和交流。（二）全英文材料力學(xué)的教材該課程針對攻讀機(jī)械工程和航空航天工程專業(yè)本 科學(xué)位的國際留學(xué)生，由于學(xué)生的中文水平有限，全英 文材料力學(xué)課程采用了經(jīng)高等教育出版社授權(quán)于2004 年影印出版的英文原版教材Mechanics of Materials（材料 力學(xué)），作者為R.C. HibbelerF。該教材作者

7、在工程力 學(xué)教育方面，做出了很大的貢獻(xiàn)。他編著的教材在美國 和歐洲得到廣泛的采用，在國際工程力學(xué)教育同行中也 得到了廣泛的認(rèn)可和好評。采用這本教材，可為學(xué)生后 續(xù)深造或與國際同行開展學(xué)術(shù)交流提供通用便利。該 書重視基本概念、理論與方法的講述，思路清晰,層次分 明，同時英語語言簡明易懂，論述嚴(yán)謹(jǐn)。書中每個重要 章節(jié)、概念后面,均安排了重點總結(jié);提出每個重要的解 題方法后，都安排了解題步驟梳理，這些高度的概括小 節(jié)對學(xué)生理解把握概念和分析方法起到了重要的作用， 對學(xué)生學(xué)習(xí)掌握這門課程幫助很大9。該教材中例題 非常豐富，由淺至深,與工程實踐聯(lián)系緊密，提高了學(xué)生 理解和掌握解題方法與技巧的能力，另一方

8、面也生動地 揭示了材料力學(xué)這門基礎(chǔ)課在工程中的應(yīng)用。教學(xué)中還推薦采用James M. Gere和Stephen P. Timoshenko 編寫的Mechanics of Materials （材料力學(xué)）第四 版作為課程的參考文獻(xiàn)，該教材也是歐美普遍采用的材 料力學(xué)教材，書中有大量的工程實際結(jié)構(gòu)照片，便于學(xué) 生理解材料力學(xué)課程對于工程設(shè)計的支撐作用。（三）全英文材料力學(xué)的課程實驗實驗課程為8個實驗教學(xué)學(xué)時,4個實驗包括韌性 材料、脆性材料、桿件在復(fù)雜載荷下的變形以及壓桿穩(wěn) 定性試驗。實驗指導(dǎo)手冊采用全英文形式，并要求學(xué)生 提交全英文的實驗報告和討論。1.考核與教學(xué)效果評價該課程以考核學(xué)生分析、

9、評價和設(shè)計桿件的能力以 及基本實驗?zāi)芰_(dá)成為主要目的,考查學(xué)生對材料力學(xué) 思想體系、各個重要知識點的掌握和應(yīng)用能力，包括課 堂提問、課后作業(yè)、實驗報告和期末考試4項內(nèi)容?？傇u 采用百分制，考核細(xì)則如下：全英文材料力學(xué)考核細(xì)則表考核 環(huán)節(jié)分值評價要求以及細(xì)則對應(yīng)教 學(xué)目標(biāo)課堂 提問10%（1）考查材料力學(xué)專業(yè)術(shù)語聽、說能力；（2）考查學(xué)術(shù)交流能力；（3）考查材料力學(xué)基本概念的應(yīng)用和應(yīng) 變能力；（4）考查課堂參與程度；（5）每個學(xué)生人均參與回答問題的次數(shù) 為/次，滿分10分。1、3、4課后 作業(yè)20%（1）材料力學(xué)專業(yè)術(shù)語讀寫能力；（2）基本分析計算能力；（3）綜合分析和計算能力；（4）6次作業(yè)，

10、單次作業(yè)5分制，期末計算 總評成績。1、3、4實驗 及實 驗報告20%（1）實驗過程中考查基本操作能力和學(xué) 生合作能力；（2）單次實驗滿分10分，操作和實驗報告 各5分，取各次實驗成績的平均值作為此 環(huán)節(jié)的成績。1、2、3、4（續(xù)表）考核 環(huán)節(jié)分值評價要求以及細(xì)則對應(yīng)教 學(xué)目標(biāo)期末 考試50%（1）全面考查基本概念，基本理論和基本 分析能力；（2 ）材料力學(xué)專業(yè)術(shù)語的讀、寫能力；（3）選擇題30分，填空題20分，計算題50 分，卷面滿分100分，以卷面成績乘以其 在總評成績中所占比例計入課程總評成 績。1、3、4二、全英文材料力學(xué)課程的教學(xué)特點全英文材料力學(xué)課程具有以下特點:對標(biāo)歐美高校 機(jī)械

11、工程和航空航天等工程專業(yè)的本科教學(xué)計劃；強(qiáng)調(diào) 工程應(yīng)用和工程實踐；為各種產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品、過程的設(shè)計、 計算與仿真、制造、試驗等提供材料力學(xué)系統(tǒng)知識;強(qiáng)調(diào) 工程實踐訓(xùn)練；尊崇中國文化和工程的交融與交流,學(xué) 習(xí)過程中要求北京理工大學(xué)的國際留學(xué)生持續(xù)增進(jìn)對 中國文化的學(xué)習(xí)，增進(jìn)跨文化交流能力；同時通過減少 課堂教學(xué)課時，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者的自學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)，不斷學(xué) 習(xí)和適應(yīng)機(jī)械工程、航空航天工程以及工程力學(xué)相關(guān)領(lǐng) 域技術(shù)和觀念發(fā)展、變化。三、全英文材料力學(xué)課程實踐體會針對國際留學(xué)生的全英文材料力學(xué)課程已經(jīng)在北 京理工大學(xué)開設(shè)了 6年，筆者在這6年的授課實踐中全 面比較了全英文授課模式和中文材料力學(xué)授課模式,充 分

12、挖掘了不同授課模式之間的優(yōu)劣，得到了以下幾點教 學(xué)實踐體會：（1）從授課的課時數(shù)和教學(xué)內(nèi)容比較，全英文材料 力學(xué)采用歐美工程專業(yè)本科教育的常用教材，實施過程 中課時數(shù)遠(yuǎn)低于中文材料力學(xué)的課時數(shù)（機(jī)械工程、航 空航天或工程力學(xué)專業(yè)的課時數(shù)勿2學(xué)時）。從教學(xué)內(nèi) 容上比較，二者最顯著的差別在于全英文材料力學(xué)教學(xué) 內(nèi)容中對剛架結(jié)構(gòu)不做要求，但組合桿件和薄壁桿件的 剪切應(yīng)力、剪流分布是教學(xué)重點。而中文材料力學(xué)教學(xué) 中桿件在橫向載荷下的剪切應(yīng)力和剪流不作為教學(xué)重 點，但剛架結(jié)構(gòu)的彎矩圖和變形分析是教學(xué)重要內(nèi)容。 通過對比不同的教學(xué)內(nèi)容發(fā)現(xiàn)，剛架結(jié)構(gòu)將是后續(xù)結(jié)構(gòu) 力學(xué)中的重要教學(xué)內(nèi)容，也是后續(xù)課結(jié)構(gòu)力學(xué)中力

13、法和 位移法重點解決的內(nèi)容,因此在前修課材料力學(xué)中不做 要求，可避免過度重復(fù)教學(xué)，在全英文教學(xué)中不做要求 更為科學(xué)合理。全英文材料力學(xué)將教學(xué)重點放在桿件 受橫向載荷下的剪切應(yīng)力分布、組合結(jié)構(gòu)和薄壁結(jié)構(gòu)的 剪流分布，對于剪切強(qiáng)度低的材料，如復(fù)合材料等前沿 材料以及夾芯梁結(jié)構(gòu)等，剪切應(yīng)力和剪流分布是其失效 的重要因素,因此將部分課堂教學(xué)課時和教學(xué)重點放在 剪切應(yīng)力和剪流分布是必要的。（2）全英文材料力學(xué)教材中每節(jié)后有小結(jié)、每章后 有重點回顧，例題前有典型分析流程總結(jié)（如圖1所 示回）,這些回顧和總結(jié)對于學(xué)生梳理思路，把握要點和 總結(jié)提高有積極的作用，可為材料力學(xué)中文教材和教案 的編寫提供借鑒。IM

14、PORTANT POINTS.Loads will cause all material bodies to deform and, as a result, points in the body w山 undergo displacement or changes in position.-Normal strain is a measure of the elongation or contraction of a small line segment in the body, whereas shear strain is a measure of the change in angle

15、 that occurs between two small line segments that are originally perpendicular to one another.”The state of strain at a point is characterized by six strain components： three normal strain ex, Ey, ez an|d three sheari strain yy2, yzx. These componets depend upon the orientation of the line segments

16、and their location in the body./小節(jié)總結(jié)CHAPTER REVIEW. Internal loaitings. The internal loadings in a body consistent of a normal foece, shear force, bending moment I and torsional moment. They represent the resultant of a normal or shear stress distribution that acts over the cross section. To obtain

17、these resultants, use the method of sections and the equations of equilibrium. A ergage Normal Stress. If a bar is made from homogenous isotropic material and it is subjected to a series of external axial loads that pass through the centroid of the cross section, then a unifdnn normal stress distrib

18、ution will act over the cross section. This average normal stress can be determined from o = P/A, where P is the internal axial load at the section. “章節(jié)重點回顧PROCEDURE FOR ANALYSISWhen solving problems using the average nromal and shear stress equations, a careful consideration should first be made as

19、 to the section over which the I critical stress is acting. Once this seciton is made, the member must then be designed to have a sufficient area at the section to resist the stress that acts on it. To determine this area, application requires the following steps.“Internal Shear. Section the member

20、through the area and draw a free-body diagram of a segment of the member. The internal resultant force at the section is then determined using the equations of equilibrium.。ReqiiriedArea. Provided the allowable stress is know or can be determined, the reqired area needed to sustain the load at the s

21、ection is then computed from A = P/baiiow or A = V/Taiiovr,分析過程總結(jié)梳理圖1全英文材料力學(xué)教材典型示例全英文材料力學(xué)的教學(xué)強(qiáng)調(diào)分析、校核和結(jié)構(gòu) 設(shè)計在工程中的應(yīng)用，且絕大部分習(xí)題來自于工程實 踐，對培養(yǎng)合格的工程師非常有幫助。全英文材料力學(xué)教材中有約1/4的教學(xué)內(nèi)容為 提高性教學(xué)內(nèi)容，不做必修要求，但又為具有學(xué)習(xí)潛力 和興趣的學(xué)生提供了補(bǔ)充內(nèi)容和資源，對挖掘?qū)W生的潛 力和提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能動性具有非常重要的作用。全英文材料力學(xué)中對于固體力學(xué)中重要的能量 法教學(xué)內(nèi)容安排少，層次低，不利于學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)并掌 握有限元分析方法這些力學(xué)工具

22、,因此在后續(xù)的全英文 教學(xué)實踐中建議在能量法章節(jié)中增加課堂教學(xué)學(xué)時數(shù), 安排單位載荷法和圖乘法等重要的教學(xué)模塊。面對網(wǎng)絡(luò)慕課等新興教學(xué)模式的沖擊，全英文 材料力學(xué)也可以將慕課1()-13和課堂教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂等教 學(xué)模式有機(jī)地結(jié)合起來，如要求學(xué)生課前通過慕課自 學(xué)，課中通過做習(xí)題或口試等靈活的教學(xué)形式開展翻轉(zhuǎn) 課堂嘗試。為了配合留學(xué)生的材料力學(xué)教學(xué)任務(wù)，我校 率先開始了全英文材料力學(xué)MOOC建設(shè),課程先導(dǎo)片如 圖2所示。圖2材料力學(xué)全英文MOOC先導(dǎo)片實踐過程中為了減少純課堂授課課時，并強(qiáng)調(diào)學(xué)生 自學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，嘗試采用小班分組的教學(xué)形式，開 展討論教學(xué)14-15o教學(xué)過程中充分鼓勵學(xué)生和教師、學(xué) 生和學(xué)生之間進(jìn)行互動，包括質(zhì)疑，激發(fā)思想火花的碰 撞。如“桿件的設(shè)計(Design of Beams and Shafts)章節(jié)， 教學(xué)中未采用傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式，不再單純地灌輸設(shè) 計理論和講授教材中的例題，而是提出具體的設(shè)計要求 (如以竹材為梁結(jié)構(gòu)主承載材料,設(shè)計承載能力高的橋 面板結(jié)構(gòu))，要求學(xué)生主動利用網(wǎng)絡(luò)資源(如國內(nèi)外高校 的在線開放課程或其他網(wǎng)絡(luò)資源、論