新形勢下高校《材料力學(xué)》教學(xué)改革的研究與實(shí)踐

王化更+吳懋亮

摘要：針對(duì)當(dāng)前《材料力學(xué)》教學(xué)時(shí)數(shù)減少而教學(xué)要求反而提高的教學(xué)現(xiàn)狀，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和分析與解決工程實(shí)際問題的能力為主要目標(biāo)，在課程教學(xué)改革方面進(jìn)行了一些初步研究。采取的主要措施有：更新教學(xué)內(nèi)容體系，加入較多與專業(yè)需要相關(guān)的內(nèi)容；采用引導(dǎo)式教學(xué)法、工程實(shí)例教學(xué)法、類比教學(xué)法、在教學(xué)中引入數(shù)值分析方法、多媒體教學(xué)及小論文式大作業(yè)等教學(xué)方法與手段；更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、加入綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)及采用開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)；建立新的能夠監(jiān)控學(xué)生整個(gè)學(xué)習(xí)過程的成績?cè)u(píng)定方式等。實(shí)踐表明：以上措施能夠切實(shí)有效地提高教學(xué)效果與質(zhì)量，更好地適應(yīng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要。

關(guān)鍵詞：教學(xué)內(nèi)容改革；引導(dǎo)式教學(xué)；工程實(shí)例教學(xué)法；小論文式大作業(yè)；開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）16-0142-03

《材料力學(xué)》是高校機(jī)械、能源動(dòng)力、土木、材料等工科類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，課程的特點(diǎn)是理論性較強(qiáng)，同時(shí)又與工程實(shí)際聯(lián)系緊密。它的任務(wù)是在保證構(gòu)件既滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求又經(jīng)濟(jì)合理的前提下，研究構(gòu)件在外力作用下的變形和破壞規(guī)律，為構(gòu)件的合理設(shè)計(jì)提供基本理論和計(jì)算方法?！恫牧狭W(xué)》對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的力學(xué)思維能力和應(yīng)用實(shí)踐能力非常重要，同時(shí)也為學(xué)生學(xué)習(xí)許多后續(xù)課程如《機(jī)械設(shè)計(jì)》、《彈性力學(xué)》、《流體力學(xué)》等提供必要的基礎(chǔ)。

隨著高校專業(yè)改革的不斷深入，一方面本課程的學(xué)時(shí)數(shù)逐漸減少，許多專業(yè)的教學(xué)時(shí)數(shù)縮減為48學(xué)時(shí)，而另一方面為了適應(yīng)現(xiàn)代工程技術(shù)發(fā)展的需要，課程的教學(xué)要求卻又有所提高。因此，為了在減少學(xué)時(shí)的情況下達(dá)到相同的教學(xué)效果，本課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式也需要與時(shí)俱進(jìn)。本文依照課程教學(xué)內(nèi)容服從專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)、課程教學(xué)方法服務(wù)于課程教學(xué)內(nèi)容、素質(zhì)教育貫穿于整個(gè)教學(xué)過程的原則，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和分析解決工程實(shí)際問題的能力為目的，針對(duì)新形勢下《材料力學(xué)》課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式進(jìn)行了一些研究與探索。

一、教學(xué)內(nèi)容改革

《材料力學(xué)》課程教學(xué)大綱規(guī)定的基本教學(xué)內(nèi)容主要包括：桿件的四種基本變形（軸向拉伸及壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲）、應(yīng)力狀態(tài)與強(qiáng)度理論、組合變形及壓桿的穩(wěn)定性分析等內(nèi)容，這些內(nèi)容也是各專業(yè)教學(xué)大綱的基本要求。由于課程與工程實(shí)際問題聯(lián)系緊密，因此，按照課程教學(xué)內(nèi)容服從專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的要求，對(duì)于不同的專業(yè)還應(yīng)適當(dāng)加入新的針對(duì)專業(yè)實(shí)際需求的內(nèi)容，以使《材料力學(xué)》這一課程更好地與專業(yè)工程實(shí)際相適應(yīng)。例如，對(duì)機(jī)械專業(yè)，應(yīng)增加構(gòu)件的疲勞與斷裂等內(nèi)容，同時(shí)可適當(dāng)加入結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)等部分內(nèi)容，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能體會(huì)到本課程與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的有機(jī)結(jié)合，增強(qiáng)他們運(yùn)用基本理論解決工程實(shí)際問題的能力；對(duì)能源與動(dòng)力工程專業(yè)，應(yīng)增加熱應(yīng)力和薄壁容器的設(shè)計(jì)與壽命預(yù)測等內(nèi)容，以更好地分析解決工程實(shí)際問題；對(duì)材料專業(yè)，可增加復(fù)合材料力學(xué)性能知識(shí)，使學(xué)生接觸到完整的材料學(xué)性能的知識(shí)。在基本教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上增加符合各專業(yè)實(shí)際需求的內(nèi)容，構(gòu)成了適合于不同專業(yè)需求的教學(xué)內(nèi)容體系，這些改革措施不僅可以激發(fā)學(xué)生對(duì)于本課程的學(xué)習(xí)興趣，而且面向各專業(yè)實(shí)際工程應(yīng)用的內(nèi)容也能夠提高他們運(yùn)用基本理論解決工程實(shí)際問題的能力。

二、教學(xué)方法與手段的改革

（一）引導(dǎo)式教學(xué)法

引導(dǎo)式教學(xué)就是針對(duì)每一部分教學(xué)內(nèi)容，先在黑板上列出本部分內(nèi)容的研究思路和步驟，然后提示學(xué)生按此思路進(jìn)行有針對(duì)性的自學(xué)，然后再由教師進(jìn)行講解。如基本變形問題的研究思路通常是：觀察變形規(guī)律，提出變形假設(shè)；建立變形幾何方程（協(xié)調(diào)方程）；建立物理方程（本構(gòu)方程）；空間靜力學(xué)平衡方程。在講述扭轉(zhuǎn)變形時(shí)，通過扭轉(zhuǎn)變形平截面假設(shè)及扭轉(zhuǎn)變形動(dòng)畫，在黑板上列出扭轉(zhuǎn)變形問題的研究思路，并給出適當(dāng)提示，然后讓學(xué)生仿照軸向拉壓桿件橫截面上點(diǎn)的正應(yīng)力的推導(dǎo)方法，從圓軸中沿軸線方向截取出一微段，根據(jù)扭轉(zhuǎn)變形的平截面假設(shè)，變形幾何關(guān)系、物理關(guān)系和靜力關(guān)系的順序去推導(dǎo)扭轉(zhuǎn)變形時(shí)橫截面上的切應(yīng)力表達(dá)式，再由微段的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角的表達(dá)式自己推導(dǎo)出兩端受扭的圓軸左右端截面相對(duì)扭轉(zhuǎn)角的表達(dá)式，從而得出扭轉(zhuǎn)變形時(shí)橫截面上的切應(yīng)力分布規(guī)律，并讓學(xué)生自己思考受扭合理截面的設(shè)計(jì)規(guī)律，進(jìn)而使學(xué)生深入理解工程上受扭圓軸通常做成空心截面軸的原因。類似地，在講述純彎曲梁橫截面上點(diǎn)的正應(yīng)力時(shí)，也引導(dǎo)學(xué)生按照基本變形問題的研究思路，仿照軸向拉壓變形桿件橫截面上點(diǎn)的正應(yīng)力表達(dá)式及圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)橫截面上點(diǎn)的切應(yīng)力表達(dá)式的推導(dǎo)方法，自己去嘗試推導(dǎo)純彎曲梁橫截面上點(diǎn)的正應(yīng)力表達(dá)式。在講述各種基本變形問題時(shí)采用引導(dǎo)式教學(xué)法，既可以讓學(xué)生得到力學(xué)思維和推理能力的訓(xùn)練，克服對(duì)于理論學(xué)習(xí)的恐懼，體驗(yàn)到推導(dǎo)理論公式的成就感，從而提高其自學(xué)能力和分析解決工程實(shí)際問題的能力，同時(shí)又可以避免教師在課堂上花了大量時(shí)間去推導(dǎo)理論公式而學(xué)生卻難以理解導(dǎo)致課堂教學(xué)效果較差的問題。

（二）工程實(shí)例教學(xué)法

《材料力學(xué)》與工程實(shí)際聯(lián)系緊密，可以這樣認(rèn)為，《材料力學(xué)》的研究就是針對(duì)解決工程問題而展開的，因此在課堂教學(xué)中，針對(duì)每一部分理論都應(yīng)講清楚其工程應(yīng)用，以提高學(xué)生的工程認(rèn)知和應(yīng)用實(shí)踐能力。這些工程實(shí)例可以是具體的工程問題，也可以是身邊的力學(xué)實(shí)例。在講述梁的危險(xiǎn)截面時(shí)，舉了一個(gè)身邊的實(shí)例讓學(xué)生自己分析：拿一根細(xì)木棍，一邊放在講臺(tái)上，另一端用手向下壓，當(dāng)用力較大時(shí)，此時(shí)細(xì)木棍會(huì)在與講臺(tái)的支承處斷裂，此時(shí)向?qū)W生提問，為什么是細(xì)木棍在講臺(tái)的支承處發(fā)生折斷，而不是在其他位置，然后讓學(xué)生自己分析原因。他們通過自己分析，發(fā)現(xiàn)細(xì)木棍在講臺(tái)支承處截面上的彎矩最大，是危險(xiǎn)截面，細(xì)木棍正應(yīng)力的最大值就出現(xiàn)在講臺(tái)支承處的截面上，因此，細(xì)木棍破壞時(shí)必然在講臺(tái)支承處先發(fā)生破壞，從而明白了對(duì)于等截面梁如何確定梁的危險(xiǎn)截面的問題。其實(shí)，在我們的身邊，在日常生活中，隨時(shí)都有大量的實(shí)際問題和工程問題可以結(jié)合研究。如針對(duì)車間里的吊車橋架，可以討論如何利用現(xiàn)有吊車使其能夠吊起重量更大的物體的問題；講授圓軸的扭轉(zhuǎn)變形和梁的彎曲變形時(shí)橫截面上的切應(yīng)力和正應(yīng)力分布特征時(shí)，可結(jié)合討論人體、動(dòng)物骨骼的結(jié)構(gòu)特征，如都是空心管狀結(jié)構(gòu)，即既能滿足生存需要，又減輕了自重，是大自然進(jìn)化的一個(gè)杰作。還有向冷玻璃杯內(nèi)倒進(jìn)開水，杯子破裂的應(yīng)力、應(yīng)變分析；煙囪或電線桿倒地?cái)嗔押?，斷裂部位的力學(xué)分析；大自然賦予樹木的美好造型，如形成合理的圓形截面，上細(xì)下粗的樹身，能夠抵御不同方向的風(fēng)力引起的彎曲內(nèi)力和變形，等等。這些身邊的力學(xué)問題實(shí)際的工程實(shí)例，首先培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，然后引導(dǎo)他們逐步利用所學(xué)知識(shí)去分析問題，建立問題的力學(xué)模型，進(jìn)而利用現(xiàn)有知識(shí)嘗試解決相關(guān)問題。這些工程實(shí)例的引入，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力的作用是顯而易見的。endprint

（三）類比法教學(xué)

在教學(xué)過程中經(jīng)常采用“類比法”進(jìn)行教學(xué)，可以引導(dǎo)學(xué)生分析前后所學(xué)內(nèi)容的相互聯(lián)系與區(qū)別，加深其對(duì)于所學(xué)知識(shí)的理解和掌握水平。如在講述純彎曲梁橫載面上點(diǎn)的正應(yīng)力公式時(shí)，讓學(xué)生將純彎曲梁的正應(yīng)力公式與軸向拉壓桿件橫截面上點(diǎn)的正應(yīng)力和圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)橫截面上點(diǎn)的切應(yīng)力公式進(jìn)行對(duì)比，讓學(xué)生理解和體會(huì)這些公式之間的聯(lián)系與區(qū)別。在講述平面應(yīng)力狀態(tài)任意斜截面上的應(yīng)力及主應(yīng)力和主平面的方位時(shí)，將其與平面圖形的轉(zhuǎn)軸公式及主慣性矩和主慣性軸的方位進(jìn)行對(duì)比分析，使學(xué)生更好地理解兩者之間的相似性。在講述桿件的彈性應(yīng)變能計(jì)算時(shí)，將軸向拉壓桿、扭轉(zhuǎn)圓軸、彎曲梁的微段的變形能和整個(gè)桿件的變形能放在一起進(jìn)行對(duì)比分析，使學(xué)生更好地理解這三種基本變形時(shí)桿件應(yīng)變能的計(jì)算方法。類比是探索解決問題與發(fā)現(xiàn)新結(jié)果的一種有效的思維方法，教學(xué)中通過精心設(shè)計(jì)，因勢利導(dǎo)，將問題進(jìn)行橫向的拓寬和縱向的深入，可以有效加強(qiáng)學(xué)生歸納分析能力的培養(yǎng)。

（四）適當(dāng)將數(shù)值分析解法引入教學(xué)

《材料力學(xué)》的研究方法除了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究之外，還有一種重要的研究方法即數(shù)值分析方法。在解決工程實(shí)際問題時(shí)，本課程基本理論一般只能解決桿件的強(qiáng)度與變形問題，而實(shí)際的工程構(gòu)件卻是各種各樣的，其中有大量的不能簡化為桿件的構(gòu)件，要解決此類構(gòu)件的強(qiáng)度和變形問題，則只能采用數(shù)值分析方法。為此，在教學(xué)過程中，在講述主要內(nèi)容時(shí)，適當(dāng)將數(shù)值分析方法主要是有限元單元法引入教學(xué)，讓學(xué)生了解有限元軟件Ansys的應(yīng)用方法，并將本課程基本理論所得的解與有限元法所得到的解進(jìn)行對(duì)比分析，使學(xué)生理解本課程基本理論的應(yīng)用范圍和精度問題，更好地提高其分析和解決工程實(shí)際問題的能力。

（五）多媒體教學(xué)

多媒體教學(xué)在課堂教學(xué)中發(fā)揮了重要的作用，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

1.多媒體課件里面包含了大量的動(dòng)畫，如桿件的軸向拉壓變形、圓軸的扭轉(zhuǎn)變形、梁的彎曲變形及壓桿的穩(wěn)定性等都加入了大量的動(dòng)畫，使學(xué)生能夠接觸到大量的形象生動(dòng)的內(nèi)容，既激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣，又使他們能夠?qū)τ谒鶎W(xué)內(nèi)容有更直觀的感受，較大程度地提高了課堂教學(xué)效果。

2.多媒體教學(xué)有利于讓學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)接觸到更多的信息量。在教學(xué)過程中，有相當(dāng)多的理論推導(dǎo)內(nèi)容及例題包括了大量的受力分析圖及內(nèi)力圖，這些內(nèi)容如果僅靠傳統(tǒng)的板書教學(xué)，雖然學(xué)生的印象會(huì)更深刻一些，但無疑會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間，在本課程學(xué)時(shí)被壓縮的情況下，課堂所能傳授的內(nèi)容數(shù)量必定也會(huì)大大受限，而采用多媒體教學(xué)則可以較好地解決這一問題。

（六）小論文式的大作業(yè)

在教學(xué)過程中，針對(duì)主要內(nèi)容布置一些大作業(yè)，選題范圍主要是一些相關(guān)的工程實(shí)際問題，也可以讓學(xué)生自行選題，要求他們建立工程實(shí)際問題的力學(xué)模型，并按照《材料力學(xué)》的分析思路選用合適的方法進(jìn)行求解。如在講授軸向拉伸及壓縮這部分內(nèi)容時(shí)，向?qū)W生布置了起重機(jī)鋼絲繩的強(qiáng)度問題、拖拽電梯轎廂的鋼絲繩的強(qiáng)度問題及液壓缸活塞桿的強(qiáng)度問題等工程實(shí)際問題，要求學(xué)生以小組形式選擇其中一個(gè)選題，通過調(diào)查工程實(shí)際中的機(jī)械和運(yùn)行工況，建立其力學(xué)分析模型，并利用基本理論進(jìn)行求解，最后按照一般科技論文的格式完成一篇簡單的小論文。學(xué)生的選題除了教師規(guī)定的選題外，還有相當(dāng)一部分是自己去調(diào)查的工程實(shí)例，而且他們解決問題的方法除了用本課程的基本理論外，還有少部分學(xué)生采用的是數(shù)值方法，采用Ansys有限元軟件建立問題的分析模型、劃分網(wǎng)格并加載求解。由此可見，在課程教學(xué)中鼓勵(lì)、指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行小論文式的大作業(yè)的訓(xùn)練，可以更好地發(fā)揮其學(xué)習(xí)的自覺性和創(chuàng)造性，也使得學(xué)生力學(xué)建模的能力和分析解決工程實(shí)際問題的能力得以提高，是一種非常有效的研究型教學(xué)方法。當(dāng)然，在實(shí)施過程中應(yīng)把握好大作業(yè)的數(shù)量，以每個(gè)學(xué)生參與或獨(dú)立完成1～2篇大作業(yè)即可，否則對(duì)學(xué)生而言工作量太大會(huì)影響其他課程的學(xué)習(xí)。

三、更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)施開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容既要服務(wù)于課程教學(xué)目標(biāo)，同時(shí)也要緊跟工程實(shí)踐要求，著重培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實(shí)際問題的能力。為此，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，在保留了一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容同時(shí)，也積極開設(shè)了一些綜合性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。更新后的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為三個(gè)部分：第一部分為基本實(shí)驗(yàn)，主要包括基本力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)（拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、沖擊）和電測實(shí)驗(yàn)（純彎曲狀態(tài)下正應(yīng)力、等強(qiáng)度梁實(shí)驗(yàn)等），第二部分為綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)（彎扭組合實(shí)驗(yàn)、偏心拉伸實(shí)驗(yàn)），第三部分為綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)（疊合鋼板梁和桁架應(yīng)力綜合分析實(shí)驗(yàn)）?；緦?shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)以課程基本知識(shí)為載體，以基本知識(shí)和動(dòng)手能力訓(xùn)練為重點(diǎn)，為必開實(shí)驗(yàn)。綜合創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)，以培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、分析和解決工程實(shí)際問題的能力為目的，學(xué)生可以選做自己感興趣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施開放式、自主式教學(xué)，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)室開放期間任何時(shí)間來做實(shí)驗(yàn)，由學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求自行制訂實(shí)驗(yàn)方案，并獨(dú)立完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，從而使自己動(dòng)手能力和實(shí)踐能力得到加強(qiáng)。教師在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，指出實(shí)驗(yàn)過程中存在的一些不足，同學(xué)生進(jìn)行討論。這樣，可以幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，使他們掌握處理問題的技巧，從而更好地激發(fā)和培養(yǎng)他們的探索精神和創(chuàng)新能力。

四、學(xué)習(xí)成績?cè)u(píng)定方式改革

學(xué)習(xí)成績?cè)u(píng)定方式應(yīng)兼顧到學(xué)生的整個(gè)學(xué)習(xí)過程，應(yīng)改變傳統(tǒng)的只依據(jù)期末考試成績的評(píng)定方法，建立貫穿于整個(gè)教學(xué)過程的新的評(píng)定方法，從整體上評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，以保證素質(zhì)教育貫穿于整個(gè)教學(xué)過程的落實(shí)。為此，將學(xué)期總評(píng)成績分成三部分：一是學(xué)習(xí)過程性考核成績，即平時(shí)成績，包括上課出勤、平時(shí)作業(yè)、大作業(yè)成績等，占總成績的30%，其中上課出勤占10%，平時(shí)作業(yè)占10%，大作業(yè)占10%；二是實(shí)驗(yàn)考核成績，占總成績的1O%；三是閉卷考試成績，考試以考核學(xué)生基本概念、基本計(jì)算能力為主，限時(shí)完成，占總成績的60%，閉卷考試能反映學(xué)生理論知識(shí)的掌握與應(yīng)用情況，具有較強(qiáng)的客觀性。此評(píng)價(jià)體系能有效監(jiān)控學(xué)生的整個(gè)學(xué)習(xí)過程，杜絕學(xué)生通過考前突擊得高分的情況，確保素質(zhì)教育貫穿于整個(gè)教學(xué)過程。

五、結(jié)論

《材料力學(xué)》教學(xué)的主要目的就是讓學(xué)生更好地掌握本課程的學(xué)習(xí)方法和建立力學(xué)模型的方法，并學(xué)會(huì)用力學(xué)思維去分析和解決工程實(shí)際問題。近幾年的教學(xué)實(shí)踐表明：本文在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與手段、實(shí)驗(yàn)教學(xué)及成績?cè)u(píng)定方式等方面進(jìn)行的研究與探索，在提高教學(xué)效果方面顯示了較好的作用。針對(duì)不同專業(yè)增加的內(nèi)容能夠更好地適應(yīng)專業(yè)需要，各種教學(xué)方法與手段的采用能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和培養(yǎng)學(xué)生用力學(xué)思維去分析解決工程實(shí)際問題的能力，更新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，改進(jìn)后的成績?cè)u(píng)定方式能夠有效監(jiān)控學(xué)生的整個(gè)學(xué)習(xí)過程，保證了素質(zhì)教育貫穿于整個(gè)教學(xué)過程。

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