材料力學(xué)案例教學(xué)的實(shí)踐與研究

趙春香　于月民　蓋芳芳

[摘 要]材料力學(xué)是一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課。針對(duì)土木工程專業(yè)學(xué)生開設(shè)的材料力學(xué)課程的教學(xué)特點(diǎn)和教學(xué)環(huán)境，充分利用教室中的投影儀吊桿、桌椅與地面的連接件及梁柱等，在教學(xué)中進(jìn)行了就地取材式案例教學(xué)的實(shí)踐與研究，改變了傳統(tǒng)教學(xué)中教師單一的主體地位和教材多年的固定化模式，為培養(yǎng)學(xué)生樹立工程意識(shí)和解決工程實(shí)際問題的能力進(jìn)行了有益的嘗試。

[關(guān)鍵詞]材料力學(xué) 就地取材 案例教學(xué)

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2015）10-0148-02

材料力學(xué)是一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，它是在人們運(yùn)用材料進(jìn)行建筑、機(jī)械等工業(yè)生產(chǎn)過程中，對(duì)材料的實(shí)際承受能力和內(nèi)部變化進(jìn)行研究而形成的，是研究材料在各種外力作用下產(chǎn)生的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及各種材料破壞的極限，是所有工科學(xué)生必修的學(xué)科，從而實(shí)現(xiàn)滿足構(gòu)件承載能力的同時(shí)，可以減少材料用量，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以達(dá)到降低成本、減輕重量等目的。[1]然而由于目前教學(xué)中多數(shù)都是直接就力學(xué)計(jì)算模型進(jìn)行講解，這對(duì)缺少工程實(shí)踐背景的學(xué)生來說，還是較難理解力學(xué)基本概念的。而案例教學(xué)通過提供一個(gè)真實(shí)的或模擬的具體情景，有選擇地把問題呈現(xiàn)出來，讓學(xué)生置身于該情景之中，在教師的組織下，通過對(duì)案例的閱讀、思考、分析、討論和交流，開發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決實(shí)際問題的能力。[2]然而，成功案例教學(xué)的前提是案例的選擇要滿足適用性與合理性的要求。從學(xué)生的角度看，案例必須與學(xué)生有較高的相關(guān)度，即案例所描述的情景應(yīng)該是學(xué)生可以根據(jù)自己的知識(shí)背景、經(jīng)驗(yàn)?zāi)酥料胂罅Χ蒙砥渲械摹慕處煹慕嵌瓤?，案例能否達(dá)成特定教學(xué)目標(biāo)，案例難度能否控制在教學(xué)能力所及范圍之內(nèi)，案例是否與案例討論的時(shí)間安排以及物質(zhì)方面的設(shè)施相適應(yīng)，是教師選擇案例時(shí)必須要考慮的因素。因此，我們?cè)诓牧狭W(xué)課程教學(xué)中進(jìn)行了就地取材式案例教學(xué)的實(shí)踐與研究，旨在改變傳統(tǒng)教學(xué)中教師單一的主體地位和教材多年一貫的固定化模式，適應(yīng)學(xué)習(xí)者建構(gòu)知識(shí)、接受知識(shí)的內(nèi)在認(rèn)識(shí)秩序，增強(qiáng)和發(fā)揮學(xué)生自身主體性的客觀規(guī)律，從而達(dá)到提高學(xué)生科學(xué)思維能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力以及培養(yǎng)學(xué)生樹立工程意識(shí)和解決工程實(shí)際問題的能力的教學(xué)目的。

下面以土木工程專業(yè)學(xué)生開設(shè)的材料力學(xué)課程的基本變形為例，介紹材料力學(xué)就地取材式案例教學(xué)的具體教學(xué)情況。

一、材料力學(xué)案例教學(xué)的實(shí)施

（一）以“軸向拉伸和壓縮變形”教學(xué)內(nèi)容開展案例教學(xué)

改變傳統(tǒng)的對(duì)力學(xué)計(jì)算模型進(jìn)行受力和變形分析的方法，而是以教室中的投影儀設(shè)備安裝為例，讓學(xué)生代表校方安裝負(fù)責(zé)人的身份進(jìn)入角色。如：學(xué)校要在原有建筑的教室中安裝投影儀設(shè)備需要考慮哪些問題？若在新增投影儀設(shè)備自重作用時(shí)，原有教室承重結(jié)構(gòu)仍能保障安全的前提下，該考慮什么問題？在投影儀設(shè)備型號(hào)、自重等已知條件下如何選擇投影儀吊桿？選擇投影儀吊桿要考慮哪些因素，選擇什么材料？吊桿截面形式和截面尺寸如何確定？

帶著這些讓學(xué)生感覺無從下手又必須解決的現(xiàn)實(shí)問題，開始進(jìn)行吊桿的受力分析和變形分析，然后在學(xué)生已學(xué)的圖學(xué)基礎(chǔ)上，再進(jìn)行立面投影，從而抽象出教材上的力學(xué)模型；然后借助多媒體現(xiàn)代化教學(xué)手段，引申出工程實(shí)際中的吊車?yán)K索、斜拉橋的斜拉桿、千斤頂、活塞桿等工程實(shí)際問題中具有同樣受力特點(diǎn)和變形特點(diǎn)的這一類變形，統(tǒng)稱為軸向拉伸和壓縮變形。這樣不僅讓學(xué)生理解了軸向拉伸和壓縮變形的基本概念，而且還培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)具體工程問題如何進(jìn)行受力分析和變形分析的力學(xué)思維，樹立了學(xué)生工程意識(shí)和解決工程問題的能力。

在受力分析和變形分析基礎(chǔ)上，再就如何選擇吊桿材料屬性等引出軸向拉伸和壓縮試驗(yàn)的必要性和具體試驗(yàn)方法等。在確定了吊桿選材后，再就如何確定截面形狀和截面尺寸及橫截面面積大小和桿長(zhǎng)短的影響引出研究?jī)?nèi)力、應(yīng)力和應(yīng)變等概念及其強(qiáng)度、剛度條件公式推導(dǎo)等。然后在學(xué)生自己應(yīng)用強(qiáng)度、剛度條件選取材料和確定截面形狀和截面尺寸后，由學(xué)生總結(jié)發(fā)生軸向拉伸和壓縮變形這類工程問題的研究方法和考慮的影響因素等。這不僅理論聯(lián)系實(shí)際，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)材料力學(xué)的興趣，也使學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和解決工程問題的能力得到了顯著的提升，而且這種從學(xué)生到工程負(fù)責(zé)人角色的轉(zhuǎn)變，使其責(zé)任感和使命感得到了升華，真正實(shí)現(xiàn)了材料力學(xué)教學(xué)的目的。

（二）以“剪切和擠壓變形”教學(xué)內(nèi)容開展案例教學(xué)

提前預(yù)留作業(yè)，請(qǐng)學(xué)生分組討論課桌與地面之間連接件螺栓主要的受力特點(diǎn)和變形特點(diǎn)，并討論：螺栓必須滿足什么條件，才能保障課桌的正常使用？舉例說明具有這類受力特點(diǎn)和變形特點(diǎn)的連接件還有哪些？這些連接件通常用在哪些地方？

課堂上先由各組學(xué)生選出代表發(fā)表自己組的觀點(diǎn)和考慮的因素等，然后由老師來總結(jié)并分析課桌與地面之間連接件螺栓受力特點(diǎn)和變形特點(diǎn)，及為什么考慮主要變形是剪切擠壓因素而忽略了彎曲變形等次要因素；再借助多媒體現(xiàn)代化教學(xué)手段舉出小到生活上用的剪刀，大到工程上用的截筋機(jī)、剪板機(jī)、汽車輪軸的鏈接以及土木施工腳手架、機(jī)械零件的連接，“泰坦尼克號(hào)”等船舶、車輛，航空航天的飛機(jī)、宇宙飛船等都離不開小小的螺栓、鉚釘和鍵等連接件。

在明確了連接件螺栓主要的受力特點(diǎn)和變形特點(diǎn)基礎(chǔ)上，用類比法建立與軸向拉伸和壓縮強(qiáng)度條件相似的剪切擠壓強(qiáng)度條件，再由每個(gè)學(xué)生自己假設(shè)自己推桌子的用力大小具體來選取課桌地腳螺栓的直徑，最后由學(xué)生一起來確定工程上選擇的螺栓直徑應(yīng)該取所有同學(xué)計(jì)算螺栓直徑中的最大值。

這樣的就地取材的案例式教學(xué)不僅僅是學(xué)習(xí)了剪切擠壓的實(shí)用計(jì)算強(qiáng)度條件，更讓學(xué)生逐步感覺自己儼然是參與到設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)中，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)和未來工作的信心，開拓了學(xué)生的思路和見識(shí)，對(duì)以后分析問題時(shí)如何抓住主要因素和如何設(shè)計(jì)等起到了促進(jìn)作用。

同理，以學(xué)生擰瓶裝礦泉水瓶蓋、洗衣服時(shí)擰衣服等體驗(yàn)和教室內(nèi)的梁，學(xué)生的書、本、筆，講臺(tái)的粉筆盒、黑板擦等為案例素材，對(duì)扭轉(zhuǎn)變形和彎曲變形進(jìn)行案例教學(xué)，對(duì)學(xué)生們理解基本概念，掌握其實(shí)質(zhì)內(nèi)容及熟練應(yīng)用所學(xué)解決具體工程問題，都奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

二、案例教學(xué)實(shí)施的策略與評(píng)價(jià)

案例教學(xué)這種教學(xué)模式在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生溝通交流合作，樹立學(xué)生工程意識(shí)和分析解決問題能力等方面的作用不言而喻。但在案例教學(xué)過程中還應(yīng)注重以下幾方面。

（一）案例選擇遵循的原則

在課堂教學(xué)過程中，案例的選擇要適應(yīng)教學(xué)目標(biāo)的需要，適應(yīng)學(xué)生現(xiàn)有的發(fā)展水平。因此，選擇案例時(shí)應(yīng)遵循案例選材的真實(shí)典型性、科學(xué)完整性、積極教育性、信息適量性等基本原則，這也是成功案例教學(xué)的前提要求。[3]

（二）案例教學(xué)實(shí)施步驟

在案例教學(xué)實(shí)施過程中，應(yīng)事先做好充分的課前準(zhǔn)備工作，加強(qiáng)案例教學(xué)實(shí)施過程的課堂管理，注重案例講評(píng)與總結(jié)。其具體實(shí)施開展案例教學(xué)主要包括：1.教師課前選取合理適用的案例，設(shè)計(jì)分組討論方案，預(yù)留預(yù)習(xí)教材相關(guān)內(nèi)容和案例分析的課前作業(yè)；2.學(xué)生課前預(yù)習(xí)教材相關(guān)內(nèi)容和分組討論分析案例，在認(rèn)真閱讀案例，充分理解案例所描述的事實(shí)和細(xì)節(jié)及反復(fù)思考討論的基礎(chǔ)上，以報(bào)告的形式形成自己的見解和解決問題的方案；3.課上，在精心設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，教師緊緊圍繞教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)展開具有啟發(fā)性和目的性的案例討論分析，使學(xué)生在積極參與討論和思考過程中，都能成為自主學(xué)習(xí)的主體；4.通過引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行歸納概括，使學(xué)生分析問題的思維得到進(jìn)一步升華的同時(shí)，增強(qiáng)自己解決問題的信心；5.為了充分調(diào)動(dòng)學(xué)生參與的積極性和提高案例教學(xué)的教學(xué)效果，還應(yīng)注重過程管理，在引導(dǎo)學(xué)生積極參與的狀況下，還應(yīng)對(duì)具有獨(dú)到新穎見解的學(xué)生給予平時(shí)成績(jī)加分等獎(jiǎng)勵(lì)。

三、結(jié)語

針對(duì)材料力學(xué)課程傳統(tǒng)的教學(xué)特點(diǎn)和目前學(xué)生缺乏工程實(shí)踐背景的狀況，將案例教學(xué)特點(diǎn)與土木工程專業(yè)特點(diǎn)相結(jié)合，在材料力學(xué)課程教學(xué)中進(jìn)行了就地取材式案例教學(xué)的實(shí)踐與研究，改變了傳統(tǒng)的教學(xué)方式和教學(xué)方法，增強(qiáng)和發(fā)揮了學(xué)生的主體作用，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的科學(xué)思維能力，培養(yǎng)了學(xué)生工程分析和解決工程實(shí)際問題的能力，使學(xué)生對(duì)今后專業(yè)課程的學(xué)習(xí)及未來工作崗位上解決工程實(shí)際問題充滿了信心，為土木工程專業(yè)開設(shè)的材料力學(xué)課程的課堂教學(xué)改革進(jìn)行了有益的探索。

[ 注 釋 ]

[1] 孫立紅，劉寶良.培養(yǎng)工程能力，深化材料力學(xué)教學(xué)改革[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2011（5）.

[2] 陳福松.案例教學(xué)與創(chuàng)新型人才培養(yǎng)[J].揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)（高教研究版），2009（5）.

[3] 經(jīng)柏龍，羅巖.論案例教學(xué)及其運(yùn)用[J].沈陽師范大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2006（1）.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]