材料力学全英文教学的实践与体会
时间：2020-06-07 07:54:41 来源：达达文档网 本文已影响 人 
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[摘 要]随着高等教育国际化的发展，来华留学生的总体规模不断扩大，留学生教育正逐渐成为我国高等教育的重要组成部分。材料力学是机械工程、航空与宇航工程专业基础力学的必修课。北京理工大学对留学生的材料力学课程以全英文教学形式开设。笔者以北京理工大学已开展6年的材料力学全英文教学实践为例，就教学大纲、教材选用、教学内容和目的、实验安排及考核方式等方面进行探讨，通过与中文材料力学教学模式的对比，提出优化和改进方案。
[关键词]材料力学;全英文教学;教学改革
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）10-0054-04
为达到国家对高等教育“卓越化、国际化、研究型”的要求[1]，北京理工大学致力于培养具有国际视野和国际竞争与合作能力，在全球政治经济、文化教育和科学技术领域具有卓越领导力的高层次国际化人才。全英文教学模式已成为国际化人才培养的重要途径之一[4]。我校努力推进英文教学，已经初步构建了全英文教学体系[2-3]。经过6年的努力，北京理工大学来华留学事业取得了很大进步，外国留学生规模已经从数百名迅速增长到2400余名。
材料力学是机械工程、航空与宇航工程专业的基础力学的必修课，我校对留学生的材料力学以全英文教学形式开设。本文以北京理工大学已开展6年的材料力学全英文教学实践为例，就教学大纲、教材选用、教学内容和目的、实验安排及考核方式等方面进行探讨，并通过对比中文材料力学教学模式，提出优化和改进方案。
一、全英文材料力学教学模式
材料力学是工科高等学校机械类专业的一门主干技术基础课，是联系专业课和基础课的桥梁。材料力学与生产及工程实际有着非常密切的关系。材料力学课程开设的主要目的是培养学生掌握材料力学的基本理论、计算技术与实验技能，能够解决工程领域中与强度和变形相关的基本问题。全英文材料力学课程是大学二年级上学期针对机械工程和航空与宇航工程专业的国际留学生开设的专业基础必修课。面对来自于不同国家的国际留学生，课程采用全英文小班授课模式，课堂人数不多于32人。本课程课堂教学课时48学时，实验课时8学时，合计3.5学分。教学采用全英文模式，包括全英文教案、板书、课后作业、实验报告和考核。近6年来，机械和航空与宇航工程专业共计42人次必修并通过了全英文材料力学课程考核。
（一）全英文材料力学的教学大纲、内容和目标
参照欧美高校机械工程和航空航天等工程专业本科的教学计划，全英文材料力学课程的教学大纲要求学生理解材料力学与先修课理论力学，后续课弹性力学、结构力学的区别和联系;掌握变形体的基本平衡方程、相容方程和物理方程以及邊界条件;要求学生掌握杆件的强度、刚度及轴心受压杆件的稳定性的计算。要求学生能运用强度、刚度及稳定性条件对杆件进行校核、截面设计及载荷确定等简单分析计算工作;初步了解材料的机械性能及材料力学实验的基本知识和操作技能。
全英文材料力学的教学内容包括：内力、内力图绘制、应力、应变的基本概念，变形体应力-应变关系，掌握拉、压杆件，受扭杆件，受弯杆件，受横向剪力杆件的应力和变形分布特点以及受压杆件的稳定性条件。教学目的：使留学生掌握基本杆件的应力和变形分析方法、强度校核基本理论和方法以及提高结构强度和刚度的设计理论，能够熟练掌握典型静不定杆件力法求解的基本思想和求解过程。
通过全英文材料力学课程的学习，要求学生具体达到如下目标：1.能够掌握材料力学的基本概念、基本理论和基本杆件分析方法。2.通过实验掌握材料力学的基本实验方法（包括材料力学性能测定，用电测法测定应变和应力）。3.能够熟练掌握材料力学中的全英文专业术语，熟练阅读涉及固体力学的英文文献，并能够采用英文对材料力学中的基本知识点进行归纳、总结，并较深刻理解材料力学与其他力学课程的关系。4.能够与机械工程、航空航天以及力学专业领域的同行及社会公众进行交流，并具备一定的国际视野，能够理解跨文化背景下的工程设计，包含文化习惯和工程标准及语言，并进行沟通和交流。
（二）全英文材料力学的教材
该课程针对攻读机械工程和航空航天工程专业本科学位的国际留学生，由于学生的中文水平有限，全英文材料力学课程采用了经高等教育出版社授权于2004年影印出版的英文原版教材Mechanics of Materials（材料力学），作者为R.C. Hibbeler[5-6]。该教材作者在工程力学教育方面，做出了很大的贡献。他编著的教材在美国和欧洲得到广泛的采用，在国际工程力学教育同行中也得到了广泛的认可和好评。采用这本教材，可为学生后续深造或与国际同行开展学术交流提供通用便利。该书重视基本概念、理论与方法的讲述，思路清晰，层次分明，同时英语语言简明易懂，论述严谨。书中每个重要章节、概念后面，均安排了重点总结;提出每个重要的解题方法后，都安排了解题步骤梳理，这些高度的概括小节对学生理解把握概念和分析方法起到了重要的作用，对学生学习掌握这门课程帮助很大[7-9]。该教材中例题非常丰富，由浅至深，与工程实践联系紧密，提高了学生理解和掌握解题方法与技巧的能力，另一方面也生动地揭示了材料力学这门基础课在工程中的应用。
教学中还推荐采用James M. Gere和Stephen P. Timoshenko编写的Mechanics of Materials（材料力学）第四版作为课程的参考文献，该教材也是欧美普遍采用的材料力学教材，书中有大量的工程实际结构照片，便于学生理解材料力学课程对于工程设计的支撑作用。
（三）全英文材料力学的课程实验
实验课程为8个实验教学学时，4个实验包括韧性材料、脆性材料、杆件在复杂载荷下的变形以及压杆稳定性试验。实验指导手册采用全英文形式，并要求学生提交全英文的实验报告和讨论。
1.考核与教学效果评价
该课程以考核学生分析、评价和设计杆件的能力以及基本实验能力达成为主要目的，考查学生对材料力学思想体系、各个重要知识点的掌握和应用能力，包括课堂提问、课后作业、实验报告和期末考试4项内容。总评采用百分制，考核细则如下：
二、全英文材料力学课程的教学特点
全英文材料力学课程具有以下特点：对标欧美高校机械工程和航空航天等工程专业的本科教学计划;强调工程应用和工程实践;为各种产业、产品、过程的设计、计算与仿真、制造、试验等提供材料力学系统知识;强调工程实践训练;尊崇中国文化和工程的交融与交流，学习过程中要求北京理工大学的国际留学生持续增进对中国文化的学习，增进跨文化交流能力;同时通过减少课堂教学课时，强调学习者的自学习能力培养，不断学习和适应机械工程、航空航天工程以及工程力学相关领域技术和观念发展、变化。
三、全英文材料力学课程实践体会
针对国际留学生的全英文材料力学课程已经在北京理工大学开设了6年，笔者在这6年的授课实践中全面比较了全英文授课模式和中文材料力学授课模式，充分挖掘了不同授课模式之间的优劣，得到了以下几点教学实践体会：
（1）从授课的课时数和教学内容比较，全英文材料力学采用欧美工程专业本科教育的常用教材，实施过程中课时数远低于中文材料力学的课时数（机械工程、航空航天或工程力学专业的课时数≥72学时）。从教学内容上比较，二者最显著的差别在于全英文材料力学教学内容中对刚架结构不做要求，但组合杆件和薄壁杆件的剪切应力、剪流分布是教学重点。而中文材料力学教学中杆件在横向载荷下的剪切应力和剪流不作为教学重点，但刚架结构的弯矩图和变形分析是教学重要内容。通过对比不同的教学内容发现，刚架结构将是后续结构力学中的重要教学内容，也是后续课结构力学中力法和位移法重点解决的内容，因此在前修课材料力学中不做要求，可避免过度重复教学，在全英文教学中不做要求更为科学合理。全英文材料力学将教学重点放在杆件受横向载荷下的剪切应力分布、组合结构和薄壁结构的剪流分布，对于剪切强度低的材料，如复合材料等前沿材料以及夹芯梁结构等，剪切应力和剪流分布是其失效的重要因素，因此将部分课堂教学课时和教学重点放在剪切应力和剪流分布是必要的。
（2）全英文材料力学教材中每节后有小结、每章后有重点回顾，例题前有典型分析流程总结（如图1所示[6]），这些回顾和总结对于学生梳理思路，把握要点和总结提高有积极的作用，可为材料力学中文教材和教案的编写提供借鉴。
（3）全英文材料力学的教学强调分析、校核和结构设计在工程中的应用，且绝大部分习题来自于工程实践，对培养合格的工程师非常有帮助。
（4）全英文材料力学教材中有约1/4的教学内容为提高性教学内容，不做必修要求，但又为具有学习潜力和兴趣的学生提供了补充内容和资源，对挖掘学生的潜力和提高学生的自主学习能动性具有非常重要的作用。
（5）全英文材料力学中对于固体力学中重要的能量法教学内容安排少，层次低，不利于学生后续学习并掌握有限元分析方法这些力学工具，因此在后续的全英文教学实践中建议在能量法章节中增加课堂教学学时数，安排单位载荷法和图乘法等重要的教学模块。
（6）面对网络慕课等新兴教学模式的冲击，全英文材料力学也可以将慕课[10-13]和课堂教学、翻转课堂等教学模式有机地结合起来，如要求学生课前通过慕课自学，课中通过做习题或口试等灵活的教学形式开展翻转课堂尝试。为了配合留学生的材料力学教学任务，我校率先开始了全英文材料力学MOOC建设，课程先导片如图2所示。
实践过程中为了减少纯课堂授课课时，并强调学生自学习能力的培养，尝试采用小班分组的教学形式，开展讨论教学[14-15]。教学过程中充分鼓励学生和教师、学生和学生之间进行互动，包括质疑，激发思想火花的碰撞。如“杆件的设计（Design of Beams and Shafts）”章節，教学中未采用传统的课堂教学模式，不再单纯地灌输设计理论和讲授教材中的例题，而是提出具体的设计要求（如以竹材为梁结构主承载材料，设计承载能力高的桥面板结构），要求学生主动利用网络资源（如国内外高校的在线开放课程或其他网络资源、论文数据库等），主动寻找并研究竹材作为结构材料的力学性能，根据其力学性能特点，结合桥面板结构的受力特点，参考网络资源上现有的设计方案，提出自己的设计思想和方案。虽然在教学实践过程中，学生的方案通常采用现有的桥面板形式，未形成创新，但通过学生的分工协作以及积极充分利用网络资源的主动学习，在梁和杆件强度设计和刚度设计思想方面，学生的材料力学理论联系实践能力和知识点综合理解深度方面有所提高。这样的课堂形式更为活泼，学生和教师之间的互动更为频繁，对教师了解并掌握学生的对知识点的认知程度也有一定的正面作用。
（7）提高全英文材料力学教学实践中的实验环节，如新兴前沿演示实验的模块。另一方面，随着虚拟现实和仿真技术的迅猛发展，可充分利用我国在虚拟现实技术方面的优势，将学生眼中“枯燥”的材料力学实验，结合虚拟现实和仿真技术，转化为佩戴虚拟现实眼镜即可操纵的“虚拟材料力学实验”。针对不同材料的力学性能，可结合仿真技术，使得学生在有限的空间和时间中可开展不同材料在不同载荷形式下的力学实验，这对提高学生的学习兴趣以及提升学校的科研和教学国际影响力将有显著的帮助[16-20]。
四、结束语
大学国际化是当前各国大学办学的重要课题。大学国际化强调大学应与国际一流大学接轨，包括建立交流与合作关系，开拓学校和学生的国际视野，拓宽大学的事业与境界，进而积累与提升国际学术声望，获得竞争优势，为学生提供更广阔的学习机会。全英文授课是大学国际化教育的必要手段。本文以北京理工大学已开展6年的材料力学全英文教学实践为例，就教学大纲、教学内容和目的实验安排、教材选用及考核方式等方面进行梳理和探讨，通过与中文材料力学教学模式的广泛和全面的对比，提出全英文材料力学教学模式的优化和改进方案。
