“材料力學”課堂教學方法的研究與探索

龐秋

摘 要 本文結合“材料力學”的學科特點及課程教學的實際情況，根據(jù)多年來教學的體會，對“材料力學”課堂教學方法進行了研究與探索。提出在教學課堂中利用多種教學方法（直觀圖形和類比法），激發(fā)學生學習興趣。并采用多媒體教學手段，堅持理論與工程實例相融合的方法，提高課堂教學效果；堅持理論與實驗相融合的上課理念，增強學生的動手能力；采用計算機軟件與理論——實驗相融合的思想，提高學生力學建模和數(shù)學分析能力。

關鍵詞 材料力學 教學方法 研究

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A

為了全面提升教育教學水平和人才實踐能力的培養(yǎng)，各高校都開展了“精品課程”、“特色專業(yè)”和“教學團隊”等質(zhì)量工程建設，這對高等學校教學質(zhì)量的提高和人才培養(yǎng)的促進起到了決定性作用。加強對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)成為當今高等教育的主要任務。課堂教學的好壞直接關系到質(zhì)量工程的建設，只有抓好課堂教學建設。才能真正抓好質(zhì)量工程，建設高水平特色的大學。

“材料力學”是高等本科院校機械工程專業(yè)的核心基礎課程，相對于其它專業(yè)課來說知識比較抽象，其理論性較強。它擔負著將“理論力學”和“結構力學”兩門重要課程有機銜接起來，起著承上啟下的關鍵作用，具有很強的工程實踐性。課程內(nèi)容緊緊圍繞工程中常見的桿件拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲以及組合變形等應力應變問題展開研究。因此，在“材料力學”的學習過程中，學生要脫離剛體概念的束縛，引入構件變形的思想。課程涉及的公式推導較多，其理論性較強。并且，課程中很多抽象概念難以用語言或文字簡單表達，學生對概念認識模糊。為了適應新形勢培養(yǎng)創(chuàng)造型人才的需要，這就對材料力學課堂教學方法提出了更高的要求。本文對“材料力學”的課堂教學方法進行了研究與探討，構建了材料力學教學改革的新框架，期望達到理想的教學效果。

1多種教學方法在課堂教學中的應用，激發(fā)學生學習興趣

1.1利用直觀圖形化“無形”為可見

教師授課時僅僅依靠文字講授課堂內(nèi)容，容易給學生帶來枯燥乏味感。上課時，教師應根據(jù)課堂的教學內(nèi)容結合較直觀形象的圖形表達出來，增加學生對繁瑣的教學內(nèi)容的感知程度。例如，在講述“荷載集度、剪力和彎矩間的微分關系”一節(jié)時，教材中給出文字性的表述關于繪制剪力圖和彎矩圖的結論。這些總結性的結論比較枯燥，學生往往難以理解和記憶。如果在課堂教學中采用圖像化的方式就可以形象地表現(xiàn)剪力圖和彎矩圖的特點，如表1所示。因此，學生對教材中的結論加深了理解，從而強化了記憶。

1.2利用類比法增強教學生動、形象性

在材料力學的理論體系中，材料力學中的公式推導過程較復雜。例如：討論橫截面為圓形的直桿受扭時的應力，需要綜合研究變形幾何、物理和靜力三方面的關系。研究純彎曲時正應力，也是從綜合考慮變形幾何、物理和靜力三方面的關系。學生理解起來感到困難，往往采用填鴨式教學，一味的灌輸，嚴重阻礙學生獨立學習能力的發(fā)展。學會運用類比方法分析事物，對于我們的思維和研究將會有重大的突破。將橫截面為圓形的直桿受扭時的應力與扭轉(zhuǎn)切應力類比，首先得到橫截面上的截面內(nèi)力（扭矩和彎矩），然后利用物理關系（推出應力的分布規(guī)律）和變形幾何關系（得到應變的分布規(guī)律）與靜力平衡方程聯(lián)立，求解圓軸扭轉(zhuǎn)時截面的切應力或純彎曲時正應力。

2采用多媒體教學手段，堅持理論與工程實例相融合的方法，提高課堂教學效果

隨著計算機技術的迅速發(fā)展，以計算機為主的多媒體技術正在各大高校教學中得到廣泛應用。多媒體教學對于改革傳統(tǒng)的教學模式，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，都起到了很大的推動作用。使課堂教學變得生動、形象、新穎，激發(fā)學生學習興趣，調(diào)動學習積極性。材料力學課程是一門技術基礎課，它有很強的工程背景。建議課堂教學可以利用計算機多媒體課件，從工程實例出發(fā)，引出要講的知識點，然后再將理論應用于生產(chǎn)實踐，使整個講解都圍繞實際工程進行。不僅增加了課堂內(nèi)容，提供了更多的知識信息，也有效增強學生對材料力學的感性認識，最大程度地激發(fā)學生的學習興趣。培養(yǎng)學生解決實際問題的能力。如：在介紹等截面直桿受軸向拉伸和壓縮時橫截面上的應力計算公式時，可結合工程實際情況，介紹一些有切口、切槽、油孔、螺紋和軸肩等的拉壓零件。讓學生了解這些零件的應力分布特征，加深由于截面尺寸變化引起應力集中問題的認識，舉例說明工程實際中曾多次出現(xiàn)由于應力集中及壓桿失穩(wěn)而造成的重大事故。筆者引入了2000年8月臺灣南部高屏大橋由于失穩(wěn)倒塌的工程實例。由于采沙過度大橋弦桿受壓失穩(wěn)，大橋中間下陷長達100米，造成17輛車墜河，22人受傷的慘劇。在講扭轉(zhuǎn)這一章時，可以將汽車傳動軸引入進來，利用多媒體課件演示汽車傳動軸結構，說明空心軸的合理性，讓學生了解傳動軸是傳遞扭矩的，它同時解決了各連接部件不同心的問題以及它們之間距離不斷變化的問題。要求學生掌握外力偶矩及橫截面上內(nèi)力的計算，并學會扭矩圖的繪制。使學生加深化對扭轉(zhuǎn)剪應力分布規(guī)律、扭轉(zhuǎn)強度、扭轉(zhuǎn)剛度的理解。

3堅持理論與實驗相融合的上課理念，增強學生的動手能力

材料力學中的理論和實驗一直是相輔相成、互相融合的，實驗是理論的來源，而理論又需要實驗去驗證。因此，材料力學的學習應該更加突出實驗的重要性，重點理論知識應該與相關的實驗相結合。但是，長期以來，材料力學實驗教學被束縛在一種固定的模式中，教師講解實驗內(nèi)容，學生根據(jù)教師的講解按步驟做實驗、測量數(shù)據(jù)，記錄實驗數(shù)據(jù)，最后提交實驗報告。在這種教學模式下，容易忽略學生對工程實踐能力的培養(yǎng)。為此，筆者根據(jù)多年的實踐與體會，將材料力學實驗教學內(nèi)容進行改革，提出材料力學實驗教學內(nèi)容分為4個層面。

3.1基礎性實驗

根據(jù)材料力學中桿件變形的4種基本形式：拉伸或壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲，基礎性實驗教學內(nèi)容應包括金屬材料的拉伸實驗、壓縮實驗、低碳鋼剪切彈性模量測定實驗及扭轉(zhuǎn)破壞實驗。此類實驗要求學生能獨立操作完成整個實驗過程，并掌握儀器設備的使用性能，在實驗過程中鞏固深化理論知識。

3.2綜合性、設計性實驗

綜合性、 設計性實驗的主要目的是培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新能力。為此，我們以現(xiàn)場工程實際情況為背景設計了兩個綜合性、設計性實驗。

（1）偏心拉伸實驗、彎扭組合變形主應力的測定實驗。通過該實驗讓學生掌握如何利用電測技術解決結構強度問題，學會應變片測量應力的原理和方法，進一步強化學生對理論知識的理解和應用。

（2）鋼桁架結構桿件受力及變形研究。學生可以根據(jù)實際的桁架橋，縮小比例，作出相應的桁架模型。并對鋼桁架撓度、桿件內(nèi)力等進行測試，把理論數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)進行對比，分析數(shù)據(jù)。使學生初步掌握電測技術在工程測試中的應用。

3.3創(chuàng)新性實驗

圍繞全國大學生創(chuàng)新設計大賽，讓學生展開探索與研究。例如：拱形橋梁的設計，通過對穩(wěn)定性的分析，計算靜載加載砝碼對橋梁產(chǎn)生的彎矩，采用多層梁組合作為抗拉系統(tǒng)，確定受力構件核心部分為支架梁的類型。整個實驗過程由學生親自動手完成，在實驗進行過程中培養(yǎng)學生們的創(chuàng)新能力和團隊合作能力。

4采用計算機軟件與理論-實驗相融合的思想，提高學生力學建模和數(shù)學分析能力

材料力學作為一門經(jīng)典的基礎力學課程，是一個實踐性較強的學科，解決問題靠的是實驗分析和理論研究相結合。但是由于受實驗條件及學時壓縮等因素的制約，大多數(shù)學校所開的實驗項目較少。因此，為了適應形勢，在原有的課程體系中融合新的計算技術和引進新的計算軟件，從而提高教學質(zhì)量，加強學生的建模和計算能力，拓寬學生的知識面，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維。如材料力學的教學課堂中引入Matlab軟件中的Simulink仿真工具箱，利用工具箱模擬各種力學對象的力學變形形為。也可選用Matlab軟件作為輔助教學軟件繪圖。首先，分別計算出各簡單載荷作用下梁的內(nèi)力，然后應用疊加法得到任意載荷下梁的內(nèi)力。然后，利用跳躍函數(shù)列出一個適用于全梁的剪力方程和彎矩方程。最后，數(shù)據(jù)的處理及數(shù)據(jù)的可視化輸出。例如：一外伸梁AB，如圖1所示，q=2KN/m，M=4 KN·m，P=40KN，利用Matlab軟件繪制剪力圖和彎矩圖，如圖2所示。

同樣，將ANSYS軟件也可以應用到“材料力學”的教學環(huán)境中，活躍課堂氣氛，拓寬學生知識面，使“材料力學”課程中一些難點變得形象生動。例如：材料拉伸時的力學性能，攪拌摩擦焊拼焊板拉伸試樣，彈性模量為206MPa，泊松比為0.3，當試樣的左右兩邊受到均布力（集度為l0kN/m）作用時，便會觀察到X向、Y向正應力分布圖（如圖3和圖4所示）。

5結語

目前，為了適應時代的需要，材料力學課堂教學方法的改革，需要打破傳統(tǒng)“黑板式”和“填鴨式”的教學方法，要求力學教師在實際工作中就要做到與時俱進，不斷的提高創(chuàng)新工作的能力。利用多媒體教學工具結合現(xiàn)代化教學模式，引導學生獨立思考，誘發(fā)興趣使學生愛學，啟發(fā)思維使學生會學。這樣才能真正激發(fā)學生學習趣，提高教學效果。

基金項目：武漢東湖學院2015 年度教學研究項目，項目編號 2015DH-25。

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