材料力學(xué)課程教學(xué)方法的實(shí)踐

肖新科 趙冰 吳帥濤

【摘要】本科階段《材料力學(xué)》課程主要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)簡(jiǎn)單桿件結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析的能力，是土木工程和道路橋梁與渡河工程等專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課。針對(duì)實(shí)際課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出了一些改進(jìn)措施。如適當(dāng)引入前沿知識(shí)，激發(fā)學(xué)生求知欲和學(xué)習(xí)興趣；恰當(dāng)使用傳統(tǒng)板書和多媒體授課方式；有效利用虛擬仿真技術(shù)；引入科技競(jìng)賽活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力等。實(shí)踐證明上述措施有助于學(xué)生掌握相關(guān)知識(shí)。

【關(guān)鍵詞】教學(xué)方法 教學(xué)手段 實(shí)踐能力 創(chuàng)新能力

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）10-0218-01

一、概述

《材料力學(xué)》是許多工科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，我校的土木工程、道路橋梁與渡河工程、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、材料成型等專業(yè)均開(kāi)設(shè)這門課程。它主要培養(yǎng)學(xué)生具備對(duì)簡(jiǎn)單桿件在外載荷下的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的能力。對(duì)于土木工程專業(yè)而言，它還是一門承上啟下的課程：《高等數(shù)學(xué)》和《理論力學(xué)》是它的先修課，而它又是《結(jié)構(gòu)力學(xué)》、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》、《彈性力學(xué)》和《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》等課程的先修課。因此掌握好該門課程的基本概念和知識(shí)十分重要。但是該課程內(nèi)容多、概念多并且相對(duì)抽象，同時(shí)還缺少足夠的實(shí)踐動(dòng)手機(jī)會(huì)，因此一些學(xué)生反映該課程理論抽象、內(nèi)容乏味，甚至少部分學(xué)生產(chǎn)生畏學(xué)現(xiàn)象[1]。所以，需要進(jìn)行多方面的教學(xué)改革，以期達(dá)到預(yù)定的學(xué)習(xí)效果。近年來(lái)，在實(shí)際教學(xué)中進(jìn)行了一些教學(xué)方法的改革和實(shí)踐，取得了一定效果。

二、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

好奇心和興趣對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)效果有決定性的作用，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力需要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科學(xué)的興趣[2]。因此在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中需要不斷激發(fā)學(xué)生的好奇心和興趣。主要采取的措施是適當(dāng)引入前沿知識(shí)和身邊的力學(xué)知識(shí)和案例。如在緒論課中介紹近年來(lái)我國(guó)和其他國(guó)家的典型的建筑物和道路橋梁等。同時(shí)從其他專業(yè)相關(guān)的國(guó)際權(quán)威期刊上檢索相關(guān)文獻(xiàn)，通過(guò)多媒體介紹其他相關(guān)專業(yè)中材料力學(xué)知識(shí)的一些應(yīng)用，如展示Journal of Biomechanics雜志上檢索到的膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中需要解決的生物材料力學(xué)性能測(cè)試的問(wèn)題；展示Journal of Biomechanics和Journal of Mechanical Science and Technology中檢索到的關(guān)于鞋子設(shè)計(jì)中的材料選擇和鞋底外形設(shè)計(jì)的問(wèn)題；展示International Journal of Mechanical Engineering檢索到的齒輪齒形設(shè)計(jì)和優(yōu)化的材料強(qiáng)度問(wèn)題；展示Ocean Engineering中關(guān)于海洋石油鉆井平臺(tái)的強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)問(wèn)題；展示Engineering Failure Analysis中關(guān)于大型礦用自卸車車軸斷裂的分析。同時(shí)，結(jié)合時(shí)事介紹材料力學(xué)所研究的一些問(wèn)題，如天宮二號(hào)發(fā)射時(shí)，介紹衛(wèi)星發(fā)射塔及周邊建筑物在面臨強(qiáng)動(dòng)載和高溫時(shí)所面臨的強(qiáng)度和剛度問(wèn)題，介紹空間站在太空中所面臨的惡劣環(huán)境及遭受空間碎片超高速撞擊時(shí)的強(qiáng)度問(wèn)題。這些內(nèi)容的適當(dāng)增加一方面可極大激發(fā)同學(xué)的好奇心和學(xué)習(xí)興趣；另一方面也能拓展同學(xué)的眼界，這些知識(shí)也將告訴學(xué)生將來(lái)讀研究生時(shí)也可選擇其他相關(guān)專業(yè)。

三、合理使用傳統(tǒng)板書和多媒體授課

過(guò)去的課堂教學(xué)手段主要是板書，這種授課方式對(duì)《材料力學(xué)》這種概念多和理論公式推導(dǎo)多的課程比較有效。其優(yōu)點(diǎn)是學(xué)生和教師共同思考同一個(gè)問(wèn)題，學(xué)生能緊緊跟隨教師的思路和節(jié)奏[3]，教師邊板書、邊講解、邊推導(dǎo)、邊啟發(fā)和邊提問(wèn)，而學(xué)生則眼、耳、口和腦并用，這樣可形成多維印象和刺激，就有利于學(xué)生掌握相關(guān)知識(shí)。但傳統(tǒng)的板書也面臨一些挑戰(zhàn)：（1）展示復(fù)雜的變形形式時(shí)耗時(shí)較多，如實(shí)心圓柱在扭轉(zhuǎn)載荷作用下的變形以及任意位置切應(yīng)變的計(jì)算和推導(dǎo)需要畫出較復(fù)雜的圖形。（2）該課程的工程實(shí)踐性較強(qiáng)，板書時(shí)無(wú)法有效傳遞實(shí)際工程的相關(guān)信息。而這兩個(gè)缺點(diǎn)恰恰可以通過(guò)多媒體教學(xué)進(jìn)行彌補(bǔ)。這種教學(xué)方式的展現(xiàn)能力強(qiáng)，信息傳遞量大，可以創(chuàng)造生動(dòng)和逼真的教學(xué)氛圍，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。因此，涉及復(fù)雜圖形特別是變形圖的繪制以及變形過(guò)程的展示時(shí)可以借助多媒體技術(shù)進(jìn)行授課，同時(shí)需要結(jié)合工程背景時(shí)也可通過(guò)多媒體展示。

四、有效利用虛擬仿真技術(shù)

《材料力學(xué)》是一門與工程實(shí)踐密切聯(lián)系的學(xué)科，因此安排有試驗(yàn)課程。但為使學(xué)生達(dá)到預(yù)期的學(xué)習(xí)效果，試驗(yàn)課通常安排在理論課講授相關(guān)內(nèi)容之后進(jìn)行。但這樣帶來(lái)的一個(gè)問(wèn)題是理論課堂上部分學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)理解不到位。比如講授低碳鋼在單向拉伸載荷下的力學(xué)性能時(shí)需要講解徑縮并計(jì)算應(yīng)變值，應(yīng)變值通過(guò)引伸計(jì)測(cè)得的伸長(zhǎng)量除以原始標(biāo)距段長(zhǎng)度得到。但這種單向拉伸試驗(yàn)應(yīng)變值的計(jì)算是建立在均勻變形的基礎(chǔ)上的，而徑縮后材料的變形在標(biāo)距段內(nèi)已不再均勻，因此徑縮后按原公式計(jì)算得到的值理論上已不能再叫作應(yīng)變。僅憑講課和圖片展示有時(shí)不足以讓學(xué)生理解透徹，這時(shí)可以利用有限元計(jì)算提前完成單向拉伸試驗(yàn)的仿真，并展示其變形過(guò)程及變形過(guò)程中應(yīng)變的分布，這樣就能直觀地講解徑縮，并清晰地展示徑縮前后應(yīng)變的分布情況。

另外，部分變形形式較復(fù)雜和抽象，部分學(xué)生無(wú)法深刻理解和掌握。如扭轉(zhuǎn)載荷作用下實(shí)心圓柱的切應(yīng)變分布，部分同學(xué)不能理解切應(yīng)變隨半徑的線性變化。這時(shí)可以建立實(shí)習(xí)圓柱扭轉(zhuǎn)的三維有限元模型，施加扭角，然后在后處理時(shí)顯示標(biāo)距段內(nèi)3/4橫截面的應(yīng)變分布，這樣便可以清楚展示應(yīng)變的分布情況，易于學(xué)生深刻理解和掌握該知識(shí)點(diǎn)。

五、引入科技競(jìng)賽活動(dòng)

《材料力學(xué)》是一門理論課程，但它來(lái)源于工程又服務(wù)于工程，在培養(yǎng)學(xué)生逐步建立工程概念和逐漸形成解決實(shí)際工程問(wèn)題能力方面有著十分重要的作用。但對(duì)于一般和新建本科院校而言，通常缺少充足的實(shí)踐鍛煉機(jī)會(huì)和試驗(yàn)設(shè)備。近年來(lái)，科技競(jìng)賽活動(dòng)漸多，如省級(jí)結(jié)構(gòu)建模大賽、中南地區(qū)結(jié)構(gòu)建模大賽等。在這些競(jìng)賽活動(dòng)中需要設(shè)計(jì)和制作出屋蓋、塔式建筑、橋梁、輸電塔、廣告牌支撐結(jié)構(gòu)等。通過(guò)這些競(jìng)賽，學(xué)生需要確定具體的分析對(duì)象，通過(guò)檢索文獻(xiàn)資料和力學(xué)分析確定初步結(jié)構(gòu)形式，完成制作，進(jìn)行加載和多輪優(yōu)化等，這對(duì)于鞏固理論知識(shí)，培養(yǎng)實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)具有重要意義。為讓更多同學(xué)參與這種活動(dòng)，在學(xué)校層面設(shè)計(jì)了“挑戰(zhàn)杯”競(jìng)賽活動(dòng)，并將這種競(jìng)賽活動(dòng)納入《材料力學(xué)》課堂教學(xué)，在成績(jī)?cè)u(píng)定中計(jì)入該項(xiàng)成績(jī)。

六、結(jié)語(yǔ)

《材料力學(xué)》是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，又能直接服務(wù)工程實(shí)際，但內(nèi)容相對(duì)多且枯燥。因此在教學(xué)過(guò)程中，要注重激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；合理使用傳統(tǒng)板書和多媒體技術(shù)進(jìn)行授課；在相關(guān)知識(shí)的講授時(shí)可以采用虛擬仿真技術(shù)增加直觀性，以便于學(xué)生理解和掌握；同時(shí)，還要重視科技競(jìng)賽活動(dòng)對(duì)于鞏固理論知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)方面的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉靜，汪中厚， 張麗芳. 材料力學(xué)教學(xué)中應(yīng)用研討課教學(xué)方法的探討[J]. 科技視界， 2016（24）：76，149.

[2]權(quán)赫， 春方光. 材料力學(xué)課程中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維方法探討[J].山西建筑， 2016，42（13）：235-236.

[3]黃超，劉德華，武建華，余茜.提高材料力學(xué)課堂教學(xué)質(zhì)量體會(huì)[J].高等建筑教育，2011，20（5）：88-91.

作者簡(jiǎn)介：

肖新科（1982—），男，漢族，河南葉縣人，工學(xué)博士，講師，研究方向：沖擊動(dòng)力學(xué)和材料動(dòng)力學(xué)行為。