對材料力學課程教學改革的幾點思考

【摘要】材料力學課程內(nèi)容多，理論性強，部分內(nèi)容抽象、難理解。針對這一特點，本文就材料力學課程在新形勢下的教學內(nèi)容、教學方法、教學手段和考核模式等方面進行探討，以期激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)新能力。

【關鍵詞】材料力學；教學內(nèi)容；教學方法；教學手段；考核模式

《材料力學》是工科學生重要的專業(yè)基礎課之一，是學習后續(xù)課程的重要基礎，是解決工程實際問題的重要方法和手段。我校有公路、汽車、機械、建工、環(huán)工、建筑和材料等7個學院近28個專業(yè)開設了材料力學課程，涉及學生3 000多人。但無論是從教學內(nèi)容上，還是從教學手段和教學方法上，都有許多地方不能適應當前高等教育教學改革的要求。就教學內(nèi)容而言，多年來一直沒有重大變化，由此造成教學內(nèi)容陳舊而缺乏創(chuàng)新。并且，在教學方法上，也保留了過去那種講得過多、過細、過全的傾向，使得學生缺乏學習的主動性和積極性。在教學手段上，仍以傳統(tǒng)的板書教學模式為主，而與教材內(nèi)容相配套的多媒體課件使用不夠。為提高材料力學課程的教學質(zhì)量，培養(yǎng)出適應21世紀社會經(jīng)濟發(fā)展的合格人才，筆者結(jié)合多年的教學實踐經(jīng)驗，從教學內(nèi)容、教學方法、教學手段和考核模式等方面，作了若干的探索和嘗試。

一教學內(nèi)容的改革

1．優(yōu)化教學內(nèi)容。我校材料力學課程基本上還是沿襲以“拉伸→剪切→扭轉(zhuǎn)→彎曲”為主線的內(nèi)容體系，且每種基本變形都按“外力→內(nèi)力→應力→變形→……”的次序進行研究，各種基本變形又都采用“平面假設→變形幾何關系→物理關系→靜力平衡條件→應力公式”這一相同的推導過程。顯然，這種按基本變形進行多重循環(huán)的內(nèi)容體系，內(nèi)容重復多、學時量大，從第二種基本變形開始教學過程就缺乏新意，難以激發(fā)學生的興趣。針對這一現(xiàn)狀，我們應從重視學生能力與素質(zhì)培養(yǎng)的要求出發(fā)，采用模塊式教學結(jié)構(gòu)，將課程內(nèi)容分為“桿件內(nèi)力、應力與強度計算、變形與剛度計算、能量方法與超靜定問題、壓桿穩(wěn)定”等模塊，把各種基本變形的共性問題（如內(nèi)力、應力、變形等）集中起來討論；同時對教材進行合理地取舍，比如刪除與《大學物理》和《理論力學》內(nèi)容重合的部分以及一些過時的內(nèi)容。這樣既減少了不必要的重復，節(jié)省教學學時，又便于教師組織課堂教學，提高教學效率，保證教學質(zhì)量。

另外，教師應在傳統(tǒng)教學內(nèi)容的基礎上適當?shù)剡M行拓展，把前沿和熱點方面的知識引入課堂教學，使教學內(nèi)容貼近時代，體現(xiàn)出科技進步對學科發(fā)展和工程應用所帶來的影響。比如在教學材料力學性能時，隨著新材料在工程領域的大量涌現(xiàn)，僅限于研究金屬材料的力學性能是不夠的。適時補充工程中廣泛使用的新材料及正在發(fā)展的智能材料是時代的要求，比如加一些單晶、人工超晶格、復合材料和納米材料的開發(fā)和應用，使學生不僅掌握了經(jīng)典材料的性能，也同時了解了當今材料領域研究的新成果。當然教師進行知識拓展時應簡短，不可拖沓冗長；同時教師應在原有經(jīng)典教學內(nèi)容的基礎上，提高該課程的起點，引入復合材料力學、彈塑性力學等近現(xiàn)代知識，介紹處理工程實際問題的方法，如有限元法、邊界元法和無網(wǎng)格法等，這不僅會提高學生對所學課程內(nèi)容的興趣，也有利于學生理論聯(lián)系實際解決問題。

2.加強實驗教學環(huán)節(jié)的教學。材料力學實驗是“材料力學”課程的重要組成部分，通過實驗教學可以幫助學生理解掌握“材料力學”的基本概念和理論，在培養(yǎng)學生的工程素質(zhì)、實踐能力和創(chuàng)新精神方面有著其他教學方法不可替代的作用。因此，本著培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的目標，針對目前材料力學實驗課的一些弊端，改革傳統(tǒng)材料力學實驗，建立新的實驗教學方法、內(nèi)容是必要的。

（1）更新實驗教學觀念。傳統(tǒng)實驗多是驗證性實驗，內(nèi)容單一，形式固定，主要是教師演示，學生觀看，學生處于被動地位，導致學生沒有學習興趣和創(chuàng)造欲望，限制了學生能力和素質(zhì)的提高。因此，實驗教學必須將過去的以教師為中心、學生被動參與的方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐越處煘橹鲗?、學生為主體、師生共同探索的方式，充分調(diào)動學生在實驗中的積極性和主觀能動性。

（2）改革實驗教學內(nèi)容。傳統(tǒng)實驗的主要內(nèi)容為拉壓、扭轉(zhuǎn)和直梁彎曲正應力實驗，這些實驗雖然對學生加深理論知識的理解和掌握是必要的，但實驗內(nèi)容與工程實際、高新技術(shù)結(jié)合較少，實用性較差，要培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和解決實際問題的能力，應該在精選基礎實驗的基礎上開設工程模擬實驗。工程模擬實驗是指以工程實際為背景，根據(jù)實驗室條件進行了適當簡化的實驗。通過工程模擬實驗，學生不僅能親身經(jīng)歷用所學知識解決工程實際問題的全過程，而且有助于培養(yǎng)學生綜合的工程分析能力，形成良好的工程素質(zhì)和動手能力。

二教學方法的改革

在當前高等學校的教學改革中，如何使學生能夠當堂掌握基本概念和理論，學會科學分析和研究的方法，課堂教學改革顯得尤為重要。因為課堂教學集中體現(xiàn)了教育的基本要求，體現(xiàn)了人才培養(yǎng)的過程，直接關系到人才培養(yǎng)的質(zhì)量。這就要求教師要特別注意課堂講授方法的學習、研究。要充分認識到教學過程的信息傳遞中學生是主體，而不是消極、被動獲取知識的客體。教師則起主導作用，根據(jù)具體的教學內(nèi)容，變“灌輸式”教學方法為“感知式”“總結(jié)式”“討論式”“對比式”和“自學輔導式”的教學方法，調(diào)動學生學習的主動性和積極性，讓學生通過自己的積極思考，在參與中順利地完成學習任務。

1．感知式教學法。在講授某些抽象概念時，教師可通過使用教具使學生對所學內(nèi)容有直觀認識。比如在講述壓桿穩(wěn)定時，可以取相同截面尺寸的兩根長短不一的小木條，當木桿很短時，即使施加很大的軸向壓力，也不能使其破壞，而且始終保持直線狀態(tài)；但當木桿較長時，在較小的壓力作用下，桿就會突然彎曲而喪失承載力。從而說明，細長壓桿之所以喪失承載力是由于其不能維持原有的直線平衡態(tài)所致。實例的引入讓學生親近了學習內(nèi)容，進而提升了學習興趣。

2.總結(jié)式教學法。教師在一些章節(jié)結(jié)束后應及時進行小結(jié)歸納，幫助學生系統(tǒng)掌握知識，培養(yǎng)學生的分析和歸納能力。例如，在講授完四種基本變形后可總結(jié)思維圖，這是每一種基本變形的思維主線，條理化后不僅使學生了解各基本變形間的內(nèi)在聯(lián)系，而且為應力應變狀態(tài)分析以及組合變形的學習打下基礎。

3．討論式教學法。為了能使學生在原有基礎上學會、學懂新知識，教師可根據(jù)教學內(nèi)容設計難易不同的討論題，旨在培養(yǎng)學生聯(lián)想力和發(fā)散思維能力，使學生懂得“問題是什么”“問題的性質(zhì)是什么”“解決問題的方法是什么”，讓學生帶著興趣圍繞重點難點比較、分析，讓學生主動思考，多向交流，從而達到對知識的理解和消化。這種方法有助于引導學生積極思維，激發(fā)學生的學習興趣，創(chuàng)造性地學習知識和應用知識，提高學生的實踐能力。這種方法應用在例題求解過程的討論和學生比較易犯的概念性錯誤等方面非常有效。

4．對比式教學法。對比法就是把兩部分內(nèi)容進行分類、比較，同中求異。如在分析各種基本變形的特點時，努力找其差別；或是異中求同，雖然各種基本變形的應力、變形公式及其內(nèi)容各不相同，物理意義也不相同，但在表達式上卻有類似之處，推導過程基本相同。因此，系統(tǒng)地講解拉壓變形后，可用類比的方法順利地過渡到其他基本變形的講解。

采用對比式教學法，不僅容易過渡到新的知識點，也有助于將各知識點進行歸納和總結(jié)，加強知識的系統(tǒng)化，更有利于學生深刻地理解概念、活躍思想、擴展知識。

5．自學輔導法。該方法是以學生為主體，教師為主導，自學輔導教材為客體，培養(yǎng)學生從“學會”走向“會學”的教學方法。在教學過程中，教師不必什么都講，對于一些簡單的、非重點的內(nèi)容或?qū)W生容易看懂的內(nèi)容可以給學生留下思考時間，向?qū)W生提出自學要求，布置課外作業(yè)，讓學生自行完成本章的學習。

三教學手段的改革

教學目標的實現(xiàn)，教學內(nèi)容的完成，除了需要優(yōu)化教學方法，還需采用合適的教學手段。隨著計算機在教學中的普遍運用，多媒體教學成為一種重要的輔助教學手段。多媒體教學的優(yōu)勢之一在于通過使用圖片、動畫視頻、聲音和文字，使枯燥抽象、難以用語言描述清楚的力學原理、概念變得生動具體。這不僅使學生接受起來容易，而且大大節(jié)省了教師的板書時間，使得教師有大量的時間將教學環(huán)節(jié)中比較重要的概念、習題在課堂上進行討論和講解，從而幫助學生更好地理解和掌握課程內(nèi)容。比如在講解材料的力學性能時，可通過動畫模擬，演示低碳鋼和灰鑄鐵兩種不同材料靜力拉伸時的力學實驗，學生可直觀形象地觀察試件從加載開始到斷裂的整個過程，通過觀察、思考和對比分析，總結(jié)塑性材料和脆性材料的力學性能的不同點。同時，借助多媒體課件課程內(nèi)容的重點和難點能方便地重放和交叉回放，這便于教師組織講稿，使學生的學習能融會貫通。

多媒體教學的優(yōu)勢之二是有限的學時內(nèi)容納了大量信息，可以傳輸更多、更新的知識給學生。比如《緒論》這一章涵蓋的信息較多，而且信息之間又缺乏必要的力學聯(lián)系，如果穿插進行多媒體視頻教學，給學生提供大量的工程案例，使學生通過畫面和聲音接觸客觀的具體事物和現(xiàn)象，使抽象的理論具體化，可以幫助學生從感性認識上升到理性認識，激發(fā)學生學習該課程后續(xù)內(nèi)容的興趣。

但要特別注意的是，在材料力學的教學中，多媒體教學只能是輔助教學手段，并非采用得越多越好。首先，由于多媒體教學中師生交流互動較少，學生反饋的信息當堂難以調(diào)整，加之屏幕較小，學生容易產(chǎn)生視覺和注意力疲勞。其次，根據(jù)材料力學的課程特點，部分章節(jié)的基本公式推導繁多，如果采用多媒體課件，勢必模擬板書的方式，一步一步地顯示公式的推導過程。然而，由于公式推導過程長，步驟多，在一頁幻燈片上顯示的內(nèi)容有限，那么就需要多張幻燈片來顯示，造成在相關知識的連接對應上不直觀，授課的連續(xù)性和流暢性會受到影響，從而影響學生的聽課效果。因此，對一些重點、難點的問題，要將多媒體教學與板書教學手段有機結(jié)合起來，各取所長，優(yōu)勢互補，以期達到最佳的教學效果。

參考文獻：

[1] 王曉峰， 郭長青， 胡和平. 材料力學課題式教學模式探討[J]. 山西建筑， 2010， 16(36): 193~194.

[2] 李玉蘭， 張永祥， 樊小龍. 材料力學課程教學改革與實踐[J]. 高等建筑教育， 2010， 19(5): 78~80.

[3] 孫訓芳. 材料力學[M].北京：高等教育出版社， 2002.

[4] 張新占. 材料力學[M]. 西安：西北工業(yè)大學出版社， 2005.

[5] 張浩. 學分制下的考試制度分析[J]. 大學教育科學， 2006(2): 42~43.

（作者單位：長安大學理學院工程力學系）

責任編輯：李 林